高岩温对喷射混凝土性能影响研究进展

陈俊松，王 伟，乔 敏，赵 爽，曾鲁平

(1.高性能土木工程材料国家重点实验室，南京 211103；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，南京 211103)

0 引 言

随着我国大规模的基础设施建设和西部大开发战略的实施，其中以西气东输、西电东送、南水北调、青藏铁路、三峡工程以及即将进入工程实施阶段的川藏铁路等为代表的一系列重大工程中不可避免地涉及隧道和大型地下工程的开挖。由于工程地质条件复杂等原因，隧道开始逐渐向更长、更大、更深的方向发展，隧道的高岩温现象日益突出。例如，位于西藏的桑珠岭隧道最高岩温高达89.9 ℃，位于新疆的布仑口-公格尔水电站引水隧洞和齐热哈塔尔水电站引水隧洞最高岩温分别高达105 ℃和110 ℃[1-3]。喷射混凝土作为隧道工程中常用的一种支护方式，主要起到支撑围岩的作用，围岩温度过高，必然会影响喷射混凝土的性能，进而影响隧道整体结构的稳定性。高温对混凝土性能的影响已经做过大量的研究[4-7]，也有学者研究过隧道火灾中温度变化对混凝土力学性能和孔隙结构的影响[8-10]，然而这些并不能等同于高岩温环境对喷射混凝土性能的影响，因为喷射混凝土特殊的施工工艺以及环境模拟等均有所差异。当前有关高岩温对喷射混凝土性能的影响研究整体较少，主要在近十年开展，缺乏全面的整理。因此，本文结合已有的文献资料，系统性地介绍高岩温对喷射混凝土性能的影响研究进展，为后续完善隧道热害防治措施提供理论依据。

1 高岩温对喷射混凝土力学性能的影响

1.1 粘结强度

喷射混凝土作为与围岩直接接触的部分，其与围岩粘结性能的好坏决定了能否提供有效的支护作用。崔圣爱等[11-12]采用劈裂法和改进的钻芯拉拔法研究干热和湿热两种环境下喷射混凝土与岩石的粘结强度。岩石选择与实际隧道围岩粗糙度接近的荔枝面花岗岩大板，喷射混凝土强度等级设计为隧道施工中常用的C25和C30，喷射方法采用湿喷技术，模拟环境设计方法为：①养护温度分别为35 ℃、50 ℃、70 ℃；②干热环境通过烘箱养护模拟，湿热环境通过水箱养护模拟。对照组采用标准养护(20 ℃，相对湿度95%以上)。改进的钻芯拉拔法指在锚杆拉拔仪拉杆与埋钩间配置一端为挂钩的转换接头，使试件与拉拔仪之间的连接方式转变为铰接，消除加载偏心造成的误差，示意图如图1所示。试验结果表明：①干热环境下，C25或C30喷射混凝土与岩石的粘结强度均随温度的升高而降低，且均小于标准养护条件下试件的粘结强度，尤其当温度为70 ℃时，四组试件有三组在钻孔过程中因轻微扰动即发生了脱黏开裂，说明该温度下试件的粘结强度几乎为0。这是因为干热环境下，水分蒸发加快，水化反应过早结束导致强度发展不足，同时混凝土在高温环境下干缩增大引起体积变形，共同造成粘结强度降低。②湿热环境下，喷射混凝土与岩石的粘结强度没有出现大幅下降现象，标准养护条件和50 ℃水箱养护条件的粘结强度相当，35 ℃水箱养护条件的粘结强度最高，70 ℃水箱养护条件的粘结强度最低。在50 ℃内，温度的升高结合足够的水分使得混凝土的水化反应得以充分进行,但当温度过高时，水化产物生成速度过快，来不及均匀扩散，大量堆积在水泥颗粒表面阻止水分进入内核，从而影响混凝土的后期强度发展，同时混凝土与花岗岩的热膨胀系数差异导致其界面容易产生裂缝。③湿热环境下，C30喷射混凝土的粘结强度>C25喷射混凝土的粘结强度，因此建议针对湿热环境可以适当提高喷射混凝土的强度等级；干热环境下，C30喷射混凝土的7 d粘结强度>C25喷射混凝土的7 d粘结强度，C30喷射混凝土的28 d粘结强度

图1 改进的钻芯拉拔法示意图[12]Fig.1 Diagram of improved core-drilling andpull-stripping method[12]

唐阳等[13-16]结合齐热哈塔尔水电站工程引水发电隧洞出现的高地温现象，利用自行研制的温湿度自动控制系统模拟隧洞内的真实环境，通过钻芯拉拔法测定湿热与干热两种环境下喷射混凝土与花岗岩之间的粘结强度。温湿度自动控制系统如图2所示。试验结果表明：无论是在高湿度(80%～85%)还是低湿度(20%～25%)环境下，随着温度的升高(50 ℃、60 ℃、75 ℃、90 ℃)，粘结强度均逐渐降低，且相同温度时，高湿度环境下的粘结强度均高于低湿度环境下的粘结强度。主要原因与前面类似，即温度过高(>50 ℃)时，水化产物之间相互搭接错乱导致结构疏松，同时混凝土的干缩变形随着温度的升高逐渐加剧，从而影响其粘结强度。高湿度的环境相比低湿度而言，能够给予混凝土一定的水分“补给”，因此高湿度环境下的粘结强度更高。马秋娟等[14]发现，在相对湿度90%、岩温90 ℃时，28 d龄期粘结强度<7 d龄期粘结强度，说明当岩温超过一定范围时，喷射混凝土与围岩间的粘结强度会随龄期的增长出现倒缩现象，这对隧道整体结构的稳定性极其不利。

图2 温湿度自动控制系统[15]Fig.2 Temperature and humidity automatic system[15]

范利丹等[17]选择大理岩作为基岩，将自然劈开的粗糙面作为与喷射混凝土的粘结面，分别通过劈拉法和钻芯拉拔法研究不同养护温度(25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、60 ℃)对喷射混凝土粘结性能的影响。试验结果表明，在25～40 ℃范围内，随着温度的升高，粘结强度逐渐增大。60 ℃时，1 d龄期和3 d龄期的粘结强度最高，3 d龄期后粘结强度开始大幅下降，7 d龄期和28 d龄期的粘结强度降至最低。与崔圣爱等[11-12]试验结论一致，劈裂法测得的粘结强度整体高于拉拔法。

综上所述，在合适的范围内，温度的升高有利于混凝土的水化反应，改善喷射混凝土与围岩之间的粘结强度。但当温度过高尤其在干热条件下，粘结强度会出现严重损失，甚至出现倒缩现象。如何减少高岩温下喷射混凝土的粘结强度损失，目前鲜有报道。

1.2 抗压、抗折、劈裂抗拉强度

范利丹等[17]研究不同养护温度(25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、60 ℃)对喷射混凝土抗压强度的影响，试验结果表明：在25～40 ℃范围内，随着温度的升高，1 d和28 d抗压强度逐渐增大，60 ℃养护下的混凝土1 d抗压强度介于25～30 ℃之间，且在后期出现下降趋势，28 d抗压强度降至最低。研究人员对此进行了详细的解释，原因如下：①在25～40 ℃范围内，养护温度的升高加快了水泥中各种熟料矿物成分的前期水化反应速率，水化产物生成量大幅增加从而提高喷射混凝土的强度。②当温度过高时(例如60 ℃)，诱导期内快速生成的C-S-H凝胶包裹在C3S周围反而抑制了水化反应的进行，导致结构疏松多孔，影响混凝土的早期强度。此外，温度过高会导致混凝土内部聚集大量水化热。有研究表明[18]，钙矾石(AFt)在温度高于60～70 ℃时不稳定，易分解，从而使得混凝土后期强度降低。

何廷树等[19-20]研究高岩温低湿环境(50 ℃、60 ℃、80 ℃，相对湿度50%)对单掺粉煤灰与双掺粉煤灰与矿粉衬砌混凝土抗压强度的影响，试验结果表明：①高岩温、低湿环境有助于提高衬砌混凝土的早期强度，任一温度下，无论是单掺粉煤灰混凝土还是双掺粉煤灰与矿粉混凝土的抗压强度均高于标准养护条件下的混凝土。其中单掺粉煤灰混凝土的抗压强度随着温度的升高逐渐升高，80 ℃时相比标准养护条件强度提升了45%；双掺粉煤灰与矿粉混凝土的抗压强度随着温度的升高先增大后减小，50 ℃为拐点。②高岩温、低湿环境不利于衬砌混凝土的后期强度发展，混凝土的28 d与60 d抗压强度均随着温度的升高而降低，以单掺粉煤灰混凝土为例,80 ℃时相比标准养护条件，28 d强度下降了12.3%，60 d强度下降了14.8%。③标准养护条件和50 ℃+50%养护条件下，双掺粉煤灰与矿粉混凝土的抗压强度在任一龄期均高于单掺粉煤灰混凝土。在60 ℃+50%养护条件和80 ℃+50%养护条件下，双掺粉煤灰与矿粉混凝土的抗压强度在任一龄期均低于单掺粉煤灰混凝土。研究人员通过XRD对此进行机理解释：标准养护条件和50 ℃+50%养护条件下，双掺粉煤灰与矿粉试样比单掺粉煤灰试样生成了略多的Ca(OH)2，这是因为标准养护条件能够给予矿粉充足的水分，50 ℃+50%养护条件能够给予矿粉合适的温度，从而激发了矿粉的活性，因此强度更高。80 ℃+50%养护条件下，单掺粉煤灰试样反而生成了更多的Ca(OH)2，这是因为在80 ℃时水分蒸发较快，矿粉没有充足的水分无法激发出活性，而高温可以激发粉煤灰的火山灰活性，促进了水泥的水化。

Niu等[21]研究20～80 ℃温度范围对掺或不掺辅助胶凝材料喷射混凝土抗压强度和抗折强度的影响，试验结果表明：①温度升高促进了OPC试件(不掺速凝剂和辅助胶凝材料)的早期水化速率(7 d内)，当养护温度超过60 ℃时，28 d后抗压强度明显下降。②不同于OPC试件，S试件(掺速凝剂、不掺辅助胶凝材料)或许受到了温度和速凝剂的耦合效应，当养护温度超过40 ℃时28 d后抗压强度就开始下降，这可能是钙矾石的分解、C-S-H凝胶结构改变以及孔隙率增大导致的。③对于S-FA试件(15%(质量分数，下同)粉煤灰)、S-SF试件(8%硅灰)、S-GBFS试件(15%粒化高炉矿渣)这些掺辅助胶凝材料的喷射混凝土而言，温度升高可以促进辅助胶凝材料的火山灰反应，从而提高S-FA试件和S-SF试件28 d内的抗压强度以及S-GBFS试件7 d内的抗压强度。④40～80 ℃加速了OPC试件7 d内的抗折强度。对于S试件而言，速凝剂的掺入削弱了温度对抗折强度的影响，20 ℃时的抗折强度比40～80 ℃的抗折强度都要高，这是因为在高温和速凝剂的共同作用下，水泥因水化速率过高而不均匀，生成了更多的孔隙。⑤温度对三种掺辅助胶凝材料喷射混凝土抗折强度的影响并不相同，其中S-SF试件的抗折强度与温度呈正相关，而S-FA与S-GBFS试件的抗折强度与温度呈负相关，这可能是因为硅灰粒径更细且火山灰活性更高。

Wang等[22]基于前期勘探调研发现，在高地热隧道工程中会采取各种降温措施来保证合适的施工环境，隧道里使用的灌浆材料实际是处于高温变温环境而不是始终处于高温养护条件，因此很多研究对隧道真实环境的模拟是有限的。其试验结果表明：①灌浆材料的抗压强度随着温度的升高发生大幅下降，当变温条件下温度超过40 ℃，强度会下降10%～40%，在干热环境下强度衰减更加严重。②相对湿度的增加有利于提升灌浆材料的抗压强度，且相对湿度的影响随着温度的升高愈加显著。此外，温度和湿度的耦合效应能够明显改善早期强度，且缓解长期强度衰减。③高温低湿环境会降低灌浆材料的峰值应力，相对湿度的影响略大于温度的影响，而温度对峰值应变的影响明显大于相对湿度。

有研究表明[23]，在喷射混凝土中掺加矿物掺合料，特别是粉煤灰，可以提高喷射混凝土的28 d粘结强度，Cui等[24]认为仅仅关注矿物掺合料对喷射混凝土28 d性能的改善效果是不够的，更应关注喷射混凝土随龄期增长的时变特性，因为在隧道施工中需要优先考虑喷射混凝土的快速硬化和早期强度，这关乎整个工程的稳定性和安全性。因此，其研究了三种不同试件(普通试件、25%粉煤灰试件、25%粉煤灰+5%硅灰试件)在85 ℃恒温水箱养护条件下的力学性能，试验结果表明：①尽管高温能够在很大程度上激发粉煤灰的火山灰活性并改善混凝土的后期强度，但是仅掺粉煤灰试件的早期强度(2 h、1 d、7 d)仍然较低，例如在2 h龄期时，25%粉煤灰试件的抗折强度和抗压强度相比普通试件分别降低了33.9%和41.1%，因此考虑到隧道施工对早期强度的要求，并不适合在喷射混凝土中单掺粉煤灰。② 25%粉煤灰+5%硅灰试件在任一龄期时的抗压强度或抗折强度是三组试件中最高的，因此在高地热环境下，建议复掺粉煤灰和硅灰，不仅能保证喷射混凝土的快速硬化和早期强度，也有利于长期强度发展。

Liu等[25]根据高温地热隧道中围岩实际温度范围，确立了四个温度等级，分别是40 ℃、60 ℃、80 ℃和100 ℃，采用恒温烘箱养护模拟干热环境(相对湿度≤35%)，研究不同温度下喷射混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。试验结果表明：①1 d龄期时，处于40 ℃干热条件养护下的混凝土抗压强度和劈拉强度均高于标准养护条件和其他高温干热养护条件。②7 d龄期后，干热环境对混凝土的劣化作用充分体现出来，且温度越高，强度越低；7 d龄期时，只有40 ℃养护条件下的混凝土抗压强度高于标准养护条件；28 d龄期时，干热养护条件下的混凝土抗压强度全部低于标准养护条件。③任一温度干热养护条件下的混凝土劈拉强度，无论是7 d还是28 d强度均低于标准养护条件。

Cui等[26]研究100 ℃干热环境下，在喷射混凝土中掺加钢纤维、玄武岩纤维和硅灰对其抗压强度和劈拉强度的影响，试验结果表明：干热环境下，基准组试件的抗压强度和劈拉强度7 d后均大幅下降。通过掺加钢纤维或玄武岩纤维，强度得到明显改善，且钢纤维的改善效果明显优于玄武岩纤维。此外，波形钢纤维对抗压强度的改善效果优于端钩型钢纤维，端钩型钢纤维对劈拉强度的改善效果优于波形钢纤维。复掺端钩型钢纤维和硅灰试件的抗压强度和劈拉强度明显低于单掺端钩型钢纤维组。

欧灶华[27]在喷射混凝土与岩石的劈拉强度试验中发现，养护条件完全相同的情况下，不同配合比的混凝土与岩石劈拉强度大小与水灰比大小有关，且水灰比大的混凝土与岩石的劈拉强度也相对大，这可能是因为水灰比大的界面具有充足的水分进行水化反应，增强界面间的粘结强度。

张岩等[28]以新疆布仑口-公格尔水电站高温引水隧洞为背景，根据喷射混凝土内外两侧承受高温度差的工况，开展了不同温差对不同类型纤维喷射混凝土早期劈拉性能影响的试验研究，试验结果表明：随着温度的升高，纤维喷射混凝土的早期劈拉强度总体呈降低的趋势，不同类型纤维喷射混凝土受温差的影响程度不同。3 d龄期时，聚酯纤维喷射混凝土的劈拉强度受温度的影响最为明显，聚丙烯纤维喷射混凝土影响最小。7 d龄期55 ℃时，聚丙烯纤维喷射混凝土的劈拉强度损失最大，其次是聚丙烯腈纤维混凝土。三种纤维喷射混凝土中，早期劈拉强度表现最好的是聚丙烯纤维混凝土和聚丙烯腈纤维混凝土，优于普通混凝土，聚酯纤维混凝土表现最差。通过公式推导，初步提出喷射混凝土在温差条件下的劈拉强度λ表达式，如式(1)所示。

λ=p·ΔTq·[2P/(πa2)+α·ΔTE/2]

(1)

式中：p、q为函数系数；ΔT为温差；P为常温下混凝土试件劈拉强度荷载；a为混凝土立方体试件的边长；α为混凝土试件的热膨胀系数；E为试件的弹性模量。

综上所述，高岩温对喷射混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度整体表现出不利的影响，通过掺加粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料和纤维材料能够在一定程度上有所改善，但改善的效果与温度、配合比、改性材料类型等因素有很大关联，因此在这方面仍需要做大量系统性的研究。

1.3 剪切强度

喷射混凝土作为保证隧道开挖后施工安全的第一步，其支护效果很大程度上取决于与围岩之间的剪切强度，因此研究高岩温对喷射混凝土与围岩接触面剪切强度的影响与粘结强度同样重要。

在高岩温隧道环境中，由于施工通风降温作用，喷射混凝土施作后经历了从高温到常温的降温过程，该过程改变了喷射混凝土的力学性能，也影响其与围岩的剪切性质。唐兴华等[29]研究了高温变温环境下，养护初始温度和养护湿度等影响因素对喷射混凝土与花岗岩不规则胶结面剪切强度的影响。试验结果表明：①随着养护初始温度的增加(40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃)，剪切强度先增大后减小，60 ℃为拐点。这是因为在60 ℃以内，养护初始温度的升高加速了混凝土的水化反应，使得喷射混凝土与花岗岩之间的水化产物大量汇集，提高了粘结强度和剪切强度。当温度超过60 ℃时，水化速度过快导致水化产物相互杂乱搭接，反而形成较多空洞，影响了剪切强度。②随着养护湿度的增加(25%、55%、95%)，剪切强度逐渐增大。这是因为养护湿度越大，混凝土的水化反应越充分。

王明年等[30-32]基于川藏铁路拉林线桑珠岭隧道实测环境参数，研究高温变温环境下喷射混凝土与岩石界面的剪切特性。通过分析不同法向应力下剪切应力-剪切位移关系曲线可知，曲线整体上表现出随温度升高呈横向扩大趋势，且随着初始养护温度的升高(60 ℃、80 ℃、100 ℃)，峰后应力跌落逐渐变缓。研究人员认为，对于隧道硬质岩(如花岗岩)而言，100 ℃以内的高温几乎不会影响其物理力学性能，因此只有混凝土处或混凝土-岩石胶结面处易发生剪切破坏。试验结果表现出两种破坏模式，一种是沿着胶结面发生剪切破坏，另一种是混合剪切破坏(破裂面由胶结面和混凝土共同组成)，破坏模式示意图如图3所示(σn为法向应力，S为剪切应力)。数据分析表明，随着初始养护温度升高，胶结面的抗剪特性增强，破坏模式逐渐由胶结面剪切破坏转变为混合剪切破坏。这主要是因为，温度升高加速了混凝土的水化反应，同时花岗岩作为一种良好的导热体，能够将热量传递至界面处，促使更多的水化产物汇集在界面处，最终提高胶结面的粘结强度。至于过高温度所导致的损伤效应，则由增大法向应力起到一定的抑制作用。通过分析不同法向应力下(0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa)峰值剪切应力和峰值剪切位移随温度的变化规律，可以发现，同一法向应力下，随着温度的升高，峰值剪切应力逐渐减小、峰值剪切位移逐渐增大。

图3 剪切破坏模式示意图[30]Fig.3 Diagram of shear failure mode[30]

综上所述，高温变温环境对喷射混凝土与围岩界面的剪切强度和破坏模式有较大影响，影响因素包括温度、相对湿度、法向应力以及胶结面的粗糙度。

2 高岩温对喷射混凝土耐久性能的影响

2.1 抗水渗透性能

范利丹等[17]采用渗水高度法研究不同养护温度(25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、60 ℃)对喷射混凝土抗渗性能的影响，试验结果表明,随着温度的升高，渗水高度逐渐增大，其中在25～35 ℃范围内增幅较小，40 ℃和60 ℃增幅显著。这是因为随着温度的升高，混凝土内部结构密实度逐渐降低，孔径与孔隙率逐渐增大。35 ℃内大部分孔隙属于无害孔、孔径较小，温度超过40 ℃时，少害孔和有害孔数量增多、孔径增大，因此渗水高度明显增大。

2.2 抗氯离子渗透性能

范利丹等[17]采用电通量法研究不同养护温度(25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、60 ℃)对喷射混凝土抗氯离子渗透性能的影响，试验结果表明，随着温度的升高，氯离子的电通量逐渐增大，混凝土抗氯离子渗透性能逐渐减弱。这是因为随着温度的升高，孔隙率和孔径逐渐增大，部分孔隙甚至连通，这将大大减小氯离子的渗透阻力，同时，温度升高会加速分子运动，降低C3A相对氯离子的物理吸附能力。由于混凝土中还掺有矿粉，矿粉不仅可以吸收水泥中的碱性颗粒，还会形成低碱性的C-S-H凝胶，一定程度上增强了混凝土对氯离子的物理吸附与化学结合能力，因此试验中的氯离子渗透性均属于低级。

何廷树等[33]研究高岩温、低湿环境(50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃，相对湿度50%)对单掺粉煤灰与双掺粉煤灰与矿粉衬砌混凝土抗氯离子渗透性能的影响，试验结果表明，随着温度的升高，两种混凝土的抗氯离子渗透性能逐渐变差。70 ℃以内时，双掺粉煤灰与矿粉混凝土的抗氯离子渗透性能均优于单掺粉煤灰混凝土，但是二者的差距随着温度的升高逐渐缩小，当温度达到80 ℃时，单掺粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能更强。

综上所述，建议在高岩温环境下的喷射混凝土内掺入部分矿粉与粉煤灰，若温度过高，可以适当提高粉煤灰的比例，从而促进水泥的水化反应，改善混凝土的耐久性。

2.3 抗碳化性能

范利丹等[17]研究不同养护温度(25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、60 ℃)对喷射混凝土抗碳化性能的影响，试验结果表明，随着温度的升高，混凝土碳化深度逐渐增大。不同温度下的碳化深度随龄期的增长变化速率有所不同：25 ℃时，碳化深度的增长幅度始终处于缓慢状态；30 ℃与35 ℃时，后期碳化速率小于前期；40 ℃与60 ℃时，前期碳化速率很高，后期速率逐渐减缓。这是因为25 ℃养护下的混凝土密实度最好，CO2很难扩散到混凝土内部，随着温度越来越高，混凝土内部裂缝数量开始增多，CO2在混凝土内部的浓度也越来越高，大量的CO2与Ca(OH)2反应生成碳酸钙，反而有助于降低混凝土内部的孔隙率，因此后期碳化速率逐渐减缓。

何廷树等[33]研究高岩温、低湿环境(50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃，相对湿度50%)对单掺粉煤灰与双掺粉煤灰与矿粉衬砌混凝土抗碳化性能的影响，试验结果表明，随着温度的升高，两种混凝土的抗碳化性能逐渐变差，相同养护条件下两种混凝土的抗碳化性能总体相当。

2.4 抗硫酸盐侵蚀性能

李培涛[34]采用干湿循环法研究喷射混凝土在20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃温度下的抗硫酸盐侵蚀性能，试验结果表明，喷射混凝土的耐侵蚀系数随着养护温度的升高逐渐降低，50 ℃时的抗硫酸盐侵蚀性能最差，其在50次循环后耐侵蚀系数发生了大幅下降。

2.5 变形性能

引起混凝土体积变形的因素主要有化学收缩、干湿变形和温度变形，喷射混凝土在高岩温隧道环境下发生较大的变形主要是干缩变形，干缩变形会使混凝土表面产生较大的拉应力，从而引起表面收缩开裂，对喷射混凝土的耐久性造成不利影响。杨红艳[35]采用接触法研究C25喷射混凝土在20 ℃-标养、50 ℃-干热、50 ℃-湿热、70 ℃-干热和70 ℃-湿热五种工况下的收缩性能，试验结果表明：①在干热环境中，混凝土主要表现为化学收缩、干缩和热胀，其中50 ℃-干热工况下收缩最为严重，这是因为70 ℃-干热工况下的热胀更大，补偿了一定的干缩。②在湿热环境中，混凝土主要表现为化学收缩、湿胀和热胀，其中70 ℃-湿热工况下膨胀最为明显。选取70 ℃-干热工况，在喷射混凝土中掺入不同的矿物掺合料和纤维，结果表明：①粉煤灰的掺入会增大喷射混凝土早期的收缩，但会降低后期的收缩；矿渣粉的掺入不会抑制喷射混凝土的收缩，反而会增大收缩。②纤维能够明显抑制喷射混凝土的收缩，按抑制作用大小排依次为钢纤维>双纤维>聚丙烯纤维。

3 高岩温对喷射混凝土微观结构的影响

马秋娟等[14]分别利用XRD和CT扫描技术分析不同岩壁温度下粘结面处混凝土的晶体成分以及芯样内部细观结构。XRD分析如图4所示，由图可知喷射混凝土-围岩粘结面处水化产物的物相组成基本相同，其中当岩壁温度为90 ℃时，CH的衍射峰值最高，说明此时的CH含量最多。粘结面处CT扫描如图5所示，其中白色部分代表岩石或混凝土颗粒，黑色部分代表孔隙或孔洞。由图可知，当岩壁温度为50 ℃时，粘结面处已出现少许孔洞；当岩壁温度为90 ℃时，粘结面处孔洞数量明显增多、孔径明显增大。通过三维图像建模，计算出不同温度下喷射混凝土的孔隙率，数据分析表明：岩壁温度越高(50 ℃、60 ℃、75 ℃、90 ℃)，孔隙率越大；50 ℃和60 ℃时的孔隙率较为接近，75 ℃时孔隙率开始明显增大，90 ℃时的孔隙率接近50 ℃时的三倍。

图4 不同温度下粘结面处XRD谱[14]Fig.4 XRD patterns of bonding interface at different temperatures[14]

图5 粘结面处CT扫描图像[14]Fig.5 CT scan images of bonding interface[14]

唐阳等[15]通过SEM观测高湿环境下(80%～85%)和低湿环境下(20%～25%)喷射混凝土与围岩粘结面的微观形貌，分别如图6、图7所示。由图可知，温度越高(50 ℃、60 ℃、75 ℃、90 ℃)，微观结构的致密性越差，龟裂纹逐渐增多，且高湿环境下微观结构的致密性整体优于低湿环境，因此验证了湿热与干热两种环境对喷射混凝土-围岩粘结强度的影响。

图6 高湿环境下喷射混凝土-围岩粘结面微观形貌[15]Fig.6 Bonding plane microstructure of shotcrete-surrounding rock under high humidity environment[15]

图7 低湿环境下喷射混凝土-围岩粘结面微观形貌[15]Fig.7 Bonding plane microstructure of shotcrete-surrounding rock under low humidity environment[15]

Niu等[21]研究高温环境下喷射混凝土的水化产物特征，包括水化产物的类型和含量、C-S-H组成、微观结构以及孔隙率。XRD分析表明：①对于OPC试件(不掺速凝剂和辅助胶凝材料)，70 ℃时的主要结晶产物与20 ℃时相同，但是钙矾石的峰值信号在整个水化时期逐渐变弱直至消失。②对于S试件(掺速凝剂、不掺辅助胶凝材料)，20 ℃时钙矾石在3 d内就已形成，但在28 d后钙矾石的峰值消失。③对于S-SF试件(8%硅灰)，硅酸钙在90 d内都能被发现，预想的AFm(单硫型水化硫铝酸钙)相却没有出现。硅酸钙的存在是因为水化产物在早期快速形成并从未水化的水泥颗粒中析出，这就阻碍了进一步的水化反应。钙矾石峰值消失可以作如下解释，新鲜的钙矾石处在或接近它的最大水化状态时包含了32个水分子，结晶度高，可以被X射线捕获。随着温度的升高，钙矾石的水分子逐渐损失，当其含量减少到每分子式单位少于30个水分子时，结晶度逐渐减弱。结晶度损失过程中，晶胞参数没有明显变化(±0.1%)，但在X射线反射测试中很难被发现。另一方面，钙矾石在高温下不稳定，会分解成硫酸盐-AFm和半水硫酸钙。但是速凝剂额外提供的硫酸盐使得AFm中的硫酸盐超出其组成，在XRD中为非晶相。SEM分析表明，在20 ℃下水化后的钙矾石形状像放射形的针状。随着养护温度增加，钙矾石的形状更细，60～80 ℃时不掺辅助胶凝材料喷射混凝土中钙矾石的最大宽度在0.39～0.617 μm之间，60～80 ℃时掺硅灰的喷射混凝土钙矾石宽度在0.434～0.643 μm之间。热重分析(TGA)表明，温度升高对OPC试件的孔隙体积有不利的影响，尤其在80 ℃时。相比OPC试件，S试件由于掺加速凝剂使得孔隙体积更大，这是因为水化反应更快且不均匀。对于掺辅助胶凝材料的喷射混凝土，60 ℃以内孔隙体积逐渐减小，这或许与辅助胶凝材料的火山灰反应有关，但是在70 ℃或80 ℃时，温度对28 d和90 d孔隙体积有不利影响。但是孔隙体积的变化与强度发展并不是完全对应关系，这是因为强度不仅仅受孔隙率影响，还有界面过渡区和水化产物分布等影响因素。

Liu等[25]根据高温地热隧道中围岩实际温度范围，确立了四个温度等级，分别是40 ℃、60 ℃、80 ℃和100 ℃，采用恒温烘箱养护模拟干热环境(相对湿度≤35%)，通过压汞测试(MIP)研究不同温度下喷射混凝土的孔结构特征。MIP分析表明：①1 d龄期时，40 ℃干热养护条件能够优化混凝土的孔结构，减少有害孔数量，减小中值孔径和平均孔径；然而，超过60 ℃的干热环境对混凝土的孔结构产生不利影响，使得有害孔孔隙率、中值孔径和平均孔径均大于标准养护条件；随着龄期的增长，孔结构逐渐劣化，且温度越高，劣化越严重。②当温度不超过80 ℃时，干热环境不会对最可几孔径产生明显影响。③总孔隙率、大孔孔隙率、过度孔孔隙率、凝胶孔孔隙率、最可几孔径和养护温度之间没有明显关联，但是，毛细孔孔隙率、中值孔径、平均孔径、分形维数和养护温度之间存在显著关联。

宿辉等[36]研究高温对喷射混凝土孔隙结构的影响，利用CT技术扫描混凝土芯样断面，再结合Image-Pro Plus图像分析软件分析处理，试验结果表明：①随着温度的升高(50 ℃、60 ℃、75 ℃、90 ℃)，混凝土内部平均孔径和孔隙平均面积逐渐增大；②混凝土内部孔隙基本沿骨料周围发展，四种温度下骨料周边孔隙面积占总孔隙面积的比例相当，基本在90%左右；③孔结构分布图显示，孔隙面积0～4 mm2范围内的孔隙数目最多，且随着温度的升高，每个面积范围内孔隙的数目总体呈增长趋势。

4 高岩温环境下喷射混凝土的改性措施

庞建勇等[37-38]通过在喷射混凝土中掺加隔热材料，提高喷射混凝土的隔热性能，限制围岩的地温向巷道内传输，从而在根本上解决当前矿井开采深度日益增加导致的高温热害问题。研究人员将页岩陶粒和玻化微珠按一定比例掺入喷射混凝土中，分别替代部分粗骨料和细骨料，利用其导热系数小的特点，使得改性后喷射混凝土的导热系数大幅下降，在0.178 4～0.253 3 W/(m·K)之间，远小于普通混凝土的导热系数1.74 W/(m·K)，明显改善了喷射混凝土的保温隔热效果。同时为了平衡页岩陶粒和玻化微珠的掺入所引起的强度下降问题，姚韦靖等[39-40]采用了功效系数模型求得最优配比，并按抗压强度将最优配比进行划分，以满足不同工况下的不同需求，具体配比如表1所示。

表1 按抗压强度划分最优配比[39-40]Table 1 Dividing the optimal mix ratio according to the compressive strength[39-40]

张俊儒等[41]通过调研国内外已建成的高岩温隧道发现，其支护结构体系主要有两种类型，分别是Ⅰ型“喷锚支护+防水层+隔热层+模筑混凝土”和Ⅱ型“喷锚支护+模筑混凝土+防水层+隔热层+模筑混凝土”，如图8所示。张俊儒等认为普通喷射混凝土的性能受高岩温环境影响显著，同时普通有机隔热材料(例如常用的硬质聚氨酯保温板)的耐久性难以保障，因此设计一种全新的高岩温隧道支护结构体系，即采用“高性能隔热喷射混凝土”代替“喷锚支护+隔热层”。所谓的“高性能隔热喷射混凝土”是指“高性能轻骨料喷射混凝土”，需要具备高强、轻质、体积稳定性和耐久性优良的特点。设计思路如下：①通过选择合适的轻骨料品种以及对胶凝材料改性，可以满足力学性能的要求；②通过掺加矿物掺合料和无机纤维(例如玄武岩纤维)，可以满足耐久性的要求；③尽可能地将轻骨料喷射混凝土的体积密度接近最佳密度以获得最小热导率，控制孔隙的结构特征、大小及分布以降低气体的对流，通过足够多的界面和材料改性以降低热辐射；④除了要隔绝围岩的热量向隧道内传输，还可以通过一定的散热措施改善后期喷射混凝土和模筑混凝土的工作环境，例如提高二衬混凝土的导热系数或在二衬混凝土上设置散热孔，提高其散热功能。

图8 高岩温隧道常见支护结构体系[41]Fig.8 Common supporting structure system of high rock temperature tunnel[41]

5 结 论

(1)详细梳理了近年来有关高岩温对喷射混凝土性能影响的试验研究，试验结论归纳如下：①高岩温对喷射混凝土的力学性能和耐久性能有较大的影响。在一定范围内，温度的升高能够促进混凝土的水化作用，有助于提高其早期强度，温度过高会造成混凝土内部结构劣化，影响其后期强度发展。通过分析上述试验设计的不同温度对应的结果可以发现，50～60 ℃很有可能是一个温度临界范围，即一旦温度超过这个范围，将会对混凝土的性能产生非常明显的劣化作用。②高岩温隧道根据相对湿度大小可分为干热环境和湿热环境，由于湿热环境较干热环境能够给予一定的水分补给，使得混凝土的水化反应更加充分，因此湿热环境下的混凝土性能优于干热环境。③通过在喷射混凝土中掺加粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料以及各种纤维可以改善混凝土的部分性能，但是在掺加之前应了解这些改性材料适合的工作环境，以满足不同的施工要求。

(2)通过SEM、XRD、CT扫描、MIP以及热重分析等技术手段可以了解高岩温对喷射混凝土微观结构的影响，包括微观形貌、水化产物、孔隙结构等，从而形成对宏观现象的机理解释。微观分析表明：高温环境并不会影响水泥水化的本质；随着温度升高，结构致密性逐渐变差、孔隙率和孔径增大，因此混凝土的力学性能和耐久性能受到了影响。

(3)针对高岩温环境，除了可以通过在喷射混凝土中掺加隔热材料提高其保温隔热能力，不妨拓展其他思路，例如优化隧道的支护结构体系，采取合理的降温措施，或者提高二衬混凝土的散热能力，形成“以隔为主，以放为辅”的设计理念，构建成套的高岩温隧道热害综合防治技术体系。