高地热对隧道喷射混凝土力学性能、孔结构和水化产物的影响综述

元强 彭茂庆 李岳林 张苏辉 姚灏

1.中南大学土木工程学院，长沙410075；2.中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室，长沙410075；3.鲁汶大学土木工程系，比利时西佛兰德布鲁日8200

随着我国大量的铁路、公路、水电工程、跨流域引水工程等基础设施逐渐向地形、地质复杂的地区延伸，深埋隧道或隧洞成为必不可少的结构类型。针对地质条件复杂的山岭铁路、公路，修建隧道可以有效地缩短线路里程，提高运输效率，具有不可替代的优势。地壳恒温层以下埋深每下降1 km，温度大约升高3℃。当隧道或隧洞埋深过大，工人施工作业时硐室环境温度超过28℃，影响其施工、健康和安全，这类隧道或隧洞称为高地热隧道或隧洞［1-2］。高地热主要是指高岩温和高水温，由地层岩性、地质构造、岩浆、地下水活动等引起。高岩温隧道或隧洞湿度较低，称为干热型隧道或隧洞，一般出现在地质构造良好处，地质层的内热通过岩石传递到隧道表面，使隧道内部表面围岩壁温度较高［3-5］。例如，新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞岩壁温度最高达100℃［6］。高水温隧道或隧洞称为湿热型隧道或隧洞，通常出现在断裂破碎、断裂转折复合及岩石破碎地段，裂隙发育程度高，地下热水容易富集，形成温泉［3-5］。例如，在高黎贡山隧道，地下水温最高达102℃；连接阿根廷和智利的一条穿过安第斯山脉的公路隧道，水温有70℃［7］。世界上已经修建成功的部分高地热隧道见表1［3］。

表1 高地热隧道或隧洞案例

隧道开挖后，为控制围岩应力释放和变形，提高结构安全性，方便施工，须使用喷射混凝土。然而，高地热环境影响喷射混凝土的力学性能、水化产物、微观结构，严重影响隧道衬砌结构安全，本文对此予以系统地总结分析。

1 喷射混凝土及高地热的影响

喷射混凝土是用于矿山开挖、巷道支护及边坡加固的一种特殊混凝土，能对粗糙围岩表面或结构修补面产生良好的附着力，在速凝剂作用下快速硬化并与曲面围岩形成薄壁或不规则的一体化结构，控制围岩松弛变形［8］。喷射混凝土不是材料独特的混凝土，而是原材料与普通混凝土基本一致，施工方式特殊的一种混凝土，须借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将按一定比例配合的拌和料，通过管道输送并高速喷射到作业面上［9］。喷射混凝土具有弹性好、使用方便、无须铺设模板等特点，有助于抵抗不良地质条件下的变形或塌方，防止围岩氧化劣化，增强隧道衬砌结构的支护能力，显著提高隧道的稳定性，作为主要的支护方法已广泛应用于深埋隧道和引水发电隧洞。

施工过程中隧道内的地热会对工程造成高温破坏，严重影响施工安全和工程质量。隧道建设过程中高地热环境的不利影响可概括为以下三个方面［10-13］：

1）高地热环境对施工的影响。高地热环境导致工人的工作效率降低；还导致机械设备工作环境恶化，降低其使用效率，增加故障率和施工难度，而且可能延误施工进度，甚至导致超出项目预算。

2）高地热环境对支护结构的影响。隧道岩壁温度高，开挖后岩壁和硐室之间温差较大，混凝土内部温度场梯度分布导致温度应力，极易造成混凝土的开裂，同时高地热环境也影响喷混凝土与隧道岩壁的黏结性能，导致隧道支护结构失稳。

3）高地热环境对材料的影响。高地热环境引起喷射混凝土的早期水化反应速率提高，水化产物分布不均匀，导致喷射混凝土有害孔隙率增加，孔径增大，内部密实性降低，影响喷射混凝土的后期强度和耐久性。同时，水化产物的组成、形貌和数量也发生较大改变。

2 高地热对隧道喷射混凝土强度的影响

Gidion等［14］对不同养护温度下混凝土强度发展特性的研究表明，随着养护温度升高混凝土早期强度会逐渐提高，但随着龄期的增加混凝土强度呈下降趋势。李向辉等［15］研究得出，高温会加快混凝土内部的水化反应，也能在短期内提高混凝土的早期强度。Wang等［16］研究不同养护温度和湿度下混凝土强度发展特性发现，对比40℃和60℃，在相同湿度时80℃养护条件下试件的28 d抗压强度最低。Lee等［17］研究了不同水温对喷射混凝土的抗压强度的影响，发现在相同的龄期时40℃水温比30℃水温养护的喷射混凝土抗压强度高，且28 d后抗压强度相差更大。

干热环境下，喷射混凝土有明显的收缩现象，影响其强度，但是喷射混凝土的早期（1 d）抗压强度和劈裂抗拉强度均显著提高。高温可以促进水泥的水化，生产大量水化产物填充孔隙。此外，早期混凝土中的水分没有因为高温大量蒸发，足以满足水泥水化的需求，从而提高混凝土的早期强度。然而，随着养护龄期的增加，混凝土内部孔隙率提高，并且混凝土内部水分丢失引起干燥收缩产生微裂缝，影响水泥的水化，导致混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度随着温度升高呈下降趋势［3，18-20］，见图1［3］。可知，抗压强度从20℃的11.74 MPa到40℃的17.00 MPa，提高了45%，劈裂抗拉强度比20℃提高了17%；28 d时，20℃喷射混凝土的抗压强度相比100℃，从26.20 MPa降低至11.30 MPa，降低了约57%，劈裂抗拉强度比100℃降低了58%。

图1 喷射混凝土强度与养护温度的关系

水对混凝土性能的发展是至关重要的。水与水泥反应生成的水化产物通常溶解在水中并向固体颗粒运动，沉淀在固体颗粒表面，在这个过程中水不仅是反应物之一，还是运输水化产物的一种媒介。在混凝土内部的水会形成一个相互连接的多孔网络，有弯月面形成，水被消耗时导致没能填满网络，从而产生整体微观结构的非致密性和不均匀性，严重影响混凝土的力学性能和耐久性能［16，21-22］。

不同养护温度下混凝土的抗压强度见图2［23］。可知：①20℃和40℃养护温度下喷射混凝土和普通混凝土的抗压强度没有显著的差异，但60℃养护温度下喷射混凝土和普通混凝土的抗压强度差异显著，特别是28 d龄期时喷射混凝土的抗压强度仅为普通混凝土的78.5%；②在湿热环境下喷射混凝土早期（1 d）抗压强度显著提高，40℃时喷射混凝土的抗压强度比20℃时提高了51%。但是，喷射混凝土在后期表现出很高的强度损失，抗压强度从20℃的26.0 MPa降低到60℃的16.2 MPa，降低了约38%。这是由于湿热的地质环境容易导致混凝土膨胀开裂，并且地热水沿着裂缝扩散，会造成更深的破坏，降低衬砌结构与岩石之间的黏结力。

图2 不同养护温度下混凝土的抗压强度

高地热环境对喷射混凝土强度的影响机理主要表现在以下几个方面［3，24］：

1）随着龄期的增加，混凝土中的水分不断蒸发，由于后期失水，水泥水化不足甚至停止。

2）混凝土的内部温度梯度和严重失水将导致较大的温度应力和收缩变形，在混凝土内部易形成微裂纹引起混凝土微观结构恶化。

3）高温使水化速度加快，水化产物沉积在水泥颗粒表面形成致密的保护壳，阻碍外部水分子进入与水泥颗粒反应。

4）过高的温度引起水化产物热运动加剧、沉淀速率加快，使得大部分水化产物容易沉积在较大颗粒附近，导致水化产物高度集中。

3 高地热对隧道喷射混凝土孔结构的影响

通常，采用压汞法表征水泥基材料孔结构形态的参数通常有比表面积、孔径分布、孔隙率、平均孔径、最可几孔径、临界孔径等。根据孔直径d的大小，常把孔分成4种形式。通常有2种分法：

1）无害孔（d＜20 nm）；少害孔（20 nm≤d＜50 nm）；有害孔（50 nm≤d≤200 nm）；有损害孔（d＞200 nm）。

2）凝胶孔（d＜10 nm）；过渡孔（10 nm≤d＜100 nm）；毛细孔（100 nm≤d≤1 000 nm）；大孔（d＞1 000 nm）。

喷射混凝土内部孔隙结构会受到温度的影响，这种影响与温度成正比，温度越高，对喷射混凝土内部孔隙影响越大，而喷射混凝土的内部孔隙分布则直接影响喷射混凝土的性能。Fan等［23］研究表明：20℃养护的喷射混凝土中有一定数量的孔是无害孔，40℃和60℃养护的喷射混凝土中有害孔较少；在60℃以上养护温度下喷射混凝土强度的发展低于标准养护温度下的强度发展主要归因于早期形成的内部微孔结构。Pichler等［25］发现温度从15℃升高到70℃，混凝土伴随着从凝胶孔到毛细孔的变化。Zhang等［26］研究了砂浆的孔结构，发现50℃养护硬化浆体的早期总孔隙率低，直径50～100 nm孔的数量少，初期50℃养护环境可以降低硬化浆体的孔隙率，改善其孔结构。

28 d龄期时不同孔的孔隙率随温度的变化曲线见图3。可知：①随着温度的升高，普通浆体的总孔隙率呈下降趋势，喷射混凝土的总孔隙率呈上升趋势。这可能是由于添加速凝剂后喷射混凝土浆体变黏稠，影响喷射混凝土试件的成型，导致大孔数量的增加。②普通混凝土和喷射混凝土的毛细孔隙率、凝胶孔隙率变化趋势相同，毛细孔隙率随着温度升高而增大，凝胶孔隙率则降低。

图3 28 d龄期孔隙率随温度的变化曲线

温度过高，初始较快的水化速率导致水化产物分布不均，由于水化产物没有足够的时间和空间从水泥颗粒中分离并均匀地沉淀到孔隙中，水化产物高度集中，使喷射混凝土毛细孔隙率增加，凝胶孔隙率减少。

4 高地热对隧道喷射混凝土水化产物的影响

养护温度不仅会引起喷射混凝土水化产物形貌的变化，还会影响其物相组成。Richardson［28］对比水泥净浆20℃和80℃下获得的水化硅酸钙（C-S-H）颗粒大小，发现80℃养护的C-S-H颗粒的大小约为20℃下形成的颗粒大小的1/2。Wang等［29］研究在0～80℃养护条件下水泥水化过程中温度对水化产物的影响，发现养护温度对水化产物种类没有影响，但会影响其水化产物的数量，20℃养护温度下高硫型水化硫铝酸钙（AFt）数量最多，40℃养护条件下低硫型水化硫铝酸钙（AFm）数量最多，而在80℃下，AFt和AFm数量显著减少。Xu等［30］对0、10、20、40℃养护温度下水泥浆体的水化产物微观结构进行了相关试验研究，发现温度升高会导致AFt的物相转变，其中，在40℃下的水泥石中发现了C2ASH8和Al（OH）3。

在普通硅酸盐水泥浆体中，温度较高时针棒状的AFt明显较小，40℃时长度小于等于1μm，但是在5℃水泥浆体的样品中，长度为2～4μm的针棒状AFt非常明显，可能较低温度下适宜AFt缓慢形成，促进形成较大晶体［31］，如图4所示。

图4 水化90 d浆体微观结构形貌

喷射混凝土水化90 d的水化产物微观形貌如图5所示［32］。可知，在20℃养护下，AFt的形貌为径向针状，宽度为1.0～2.9μm。养护温度大于60℃时，AFt的微观形貌已经由径向针状转变为细小均匀的针状，60°C时宽度为0.305～0.561μm，70°C时宽度为0.151～0.390μm。随着温度的升高，喷射混凝土浆体和普通混凝土浆体中AFt的形貌都发生变化，AFt将随着温度的升高而变小。

图5 喷射混凝土水化产物微观形貌

混凝土浆体的X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）图谱见图6。X射线扫描角度2θ=8.8°～9.4°。可知：①在普通混凝土浆体中，养护温度的升高会引起AFt的数量减少，20℃时AFt衍射峰强度很强，而70℃时衍射峰强度却很弱，甚至消失［33］；②在喷射混凝土浆体中随着温度的升高，AFt并没有消失，但是在70℃时喷射混凝土浆体中AFt衍射峰强度比20℃时AFt衍射峰强度弱。

图6 XRD图谱

AFt在高于60℃的环境下是不稳定的，而且部分AFt会转化形成AFm。另一方面，AFt在其最大水化状态或接近其最大水化状态时含有32个H2O分子，这些分子是可以结晶的，可以被X射线捕获。随着温度的升高，AFt中的H2O分子逐渐消失，当其含量降至每个单位分子式小于30个H2O分子时，结晶度逐渐减弱，在结晶度损失过程中，虽然晶胞参数变化不大（±0.1%），但在X射线反射测试中却很难被发现［32-33］。

5 问题及建议

目前，关于高地热环境对喷射混凝土性能影响规律的研究尚不多见，针对高地热隧道喷射混凝土的研究主要集中于模拟地热环境的温度，通过对整个混凝土试件养护，研究温度对喷射混凝土性能的影响。但是，这并没有正确地揭示高地热隧道对喷射混凝土影响的本质，其潜在影响机理可能是衬砌两侧温度差异和温度梯度，导致喷射混凝土内部水泥水化产物、微观结构和物理力学性能的不均匀分布，引起混凝土的开裂以及性能劣化。

喷射混凝土与围岩壁直接接触，并未全部暴露于硐室环境内，只有喷射混凝土外壁与硐室接触，且当隧道没有贯通前，隧道内可以近似看作相对封闭的环境。因此，喷射混凝土的受热情况主要是：在纵向上由围岩壁作为高温热源，与温度较低的混凝土间发生一维热传导。

6 结论

高地热对喷射混凝土强度的影响主要表现在以下四个方面：①随着龄期的增加，混凝土中的水分不断蒸发。由于后期失水，水泥水化不足甚至停止；②混凝土的快速升温和失水会引起较大的收缩和变形，混凝土微观结构恶化，导致混凝土强度降低；③高温使水化速度加快，水泥颗粒表面形成致密的C-S-H壳层，防止水进入，形成早期高温养护条件，不利于后期强度的发展；④过高的温度，引起水化产物热运动加剧、沉淀速率加快，使得大部分水化产物容易沉积在较大颗粒附近，导致水化产物高度集中。

高地热对喷射混凝土的孔隙结构有显著的影响。温度过高，水化产物高度集中，使喷射混凝土毛细孔隙率增加，凝胶孔隙率减少。AFt在高于60℃的环境下是不稳定的，而且部分AFt会转化形成AFm，并且随着养护温度的升高，AFt逐步变小。