不同岩壁温度对围岩——喷射混凝土粘结强度的影响分析.pdf

水利水电技术第 4 6卷2 0 1 5年第 9期 不同岩壁温度对 围岩一喷射混凝土 粘结强度的影响分析 马秋娟 ，段 宇，宿 辉 ，唐 阳，汪 健 ，李向辉 ，马超 豪 ( 河北工程大学 水电学院，河北 邯郸0 5 6 0 0 1 ) 摘要 ：本 文以齐热哈塔 尔水 电站 工程 为依托 ，设计研 制 了高地温 隧洞模拟试 验装置 ，并试验 分 析 了高地温热害洞段不 同岩壁 温度 对 围岩一喷射 混凝 土粘 结强度 的影响 ，同时进行 了机理 分析 。 试验结果表明 ：在空气相 对湿度为 9 0 的工况下 ，岩壁温度在 5 0 9 0之 间时，岩壁温度越 高， 粘结面混凝土微 细观结构越 为疏松 多孔 ，粘结强度越低 ，并且 9 0 的高温岩壁喷射混凝 土 2 8 d龄 期 粘结强度要低 于 7 d龄期 粘结强度。 因此 ，建议在 高温洞段采取铺 设 隔热层、喷射耐热混凝 土、 高湿养护等措施 。 关键词 ：高地温；粘结强度 ；围岩支护 ；C T扫描 ；扫描 电镜 ；X射线衍射 d o i ：1 0 1 3 9 2 8 j c n k i w r a h e 2 0 1 5 0 9 0 1 5 中图分 类号 ：T V 6 7 2 1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 6 2 0 4 An al ys i s o n i m pa c t s o f d i ffe r e nt r oc k wa l l t e m p e r a t ur e s o n bo nd i ng s t r e ng t h b e t we e n s u r r o und i ng r o c k a nd s ho t c r e t e MA Q i u j u a n ，D U A N Y u ，S U H u i ，T A N G Y a n g ，WA N G J i a n ，L I X i a n g h u i ，M A C h a o h a o ( C o l l e g e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r ，H e b e i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ，Ha n d a n 0 5 6 0 0 1 ，H e b e i ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n Q i r e h a t a e r Hy d r o p o w e r P r o j e c t ，a s i m u l a t i o n t e s t i n g d e v i c e f o r t h e t u n n e l w i t h h i g h g r o u n d t e m p e r a t u r e i s s e lf - d e s i g n e d a n d s e l f - d e v e l o p e d h e r e i n， a n d t h e n t h e i mp a c t s o f d i f f e r e n t r o c k wa l l t e mp e r a t u r e s o n t h e b o n d i n g s t r e n g t h b e t w e e n s u r r o u n d i n g r o c k a n d s h o t c r e t e i n t h e t u n n e l s e c t i o n s wi t h t h e t h e r mal h a r m f r o m h i g h g r o u n d t e mp e r a t u r e a g e d e s i g n e d a n d e x p e r i me n t all y s t u d i e d，wh i l e t h e r e l e v a n t me c h a n i c al a n a l y s i s i s c a r r i e d o u t a s we U T h e e x p e r i me n t s h o w s t h a t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f t h e a i r r e l a t i v e h u mi d i t y o f 9 0 ， t h e h i g h e r t h e r o c k wa ll t e mp e r a t u r e ， t h e mo r e p o r o u s t h e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e c o n c r e t e o n t h e b o n d i n g s u r f a c e i s t o b e a n d t h e l o we r t h e b o n d i n g s t r e n gth i s t o b e ， wh e n t h e t e mp e r a t u r e o f t h e r o c k w a l l i s b e t w e e n 5 0 9 0 F u r t h e rm o r et h e 2 8 d a g e b o n d i n g s t r e n gth o f t h e s h o t c r e t e o n t h e r o c k w a l l wi t h t h e h i g h t e mp e r a t u r e o f 9 0 i s l o w e r t h a n t ha t o f t h e 7 d a g e I t i s r e c o mme n de d t ha t the me a s u r e s， s u c h a s p l a c e me n t o f i n s u l a t i o n l a ye r，s h o t i n g h e a t r e s i s t a nt c o n c r e t e，h i g h h u mi d i t y c u r i n g ， e t e a r e b e t t e r t o b e t a k e n for t h e t u n n e l s e c t i o n s w i t h h i g h g r o u n d t e mp e r a t u r e Ke y wo r d s ：h i g h gro u n d t e mp e r a t u r e； b o n d i n g s t r e n gth；s u r r o u n d i n g r o c k s u p p o rt；C T s c a n n i n g；s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e ； X r a y d i f f r a c t i o n 1 工程概况 在水利水电工程施工过程中会遇到各种各样的地 质灾害，高地温问题就是深埋长隧洞工程施工过程中 的一种 日益突出的地质灾害问题 。而喷射混凝土 支护是隧洞的主要支护手段之一 ，隧洞围岩一喷射混 凝土之间的粘结状况是支护结构能否很好发挥功能的 关键 。影响围岩一喷射混 凝土粘结 强度 的影响 因 素有很多 引，不同 的岩壁 温度 可能会对 围岩一喷射 收稿 日期 ：2 0 1 5 0 4 0 2 作者简介 ：马秋娟 ( 1 9 8 1 一 ) ，女 ，讲师 ，硕士 。 W a t e r Re s o u r c e s a n dHy d r o p o we r E n g i n e e r in g V o 1 4 6 No 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土的粘结性能产生很大的影响。正在施工的齐热 哈塔尔水 电站在引水 隧洞的开挖过程 中发现了严重的 高地温问题 。隧洞贯穿后岩壁最高温度仍然 可达 8 O ，空气温度可至 4 0，空气相对湿度却仅有 2 8 。 因此 ，在引水隧洞的高地温环境 中围岩一喷射混凝土 的粘结强度能否满足安全运行要求 ，需要进行相关试 验验证。 2 试验方案设计 2 1 高地温隧洞模拟试验装置制作 本试验主要研究不同岩壁温度对围岩一喷射混凝 土粘结强度 的影 响，在空气相对湿度为 9 0 的情况 下 ，根据高地温隧洞 内部岩壁温度实测数据确定试验 室内的岩板温度 为 5 0 、6 0、7 5 、9 O 四 种工况。 为真实模拟高地温隧洞内部环境 ，在试验室内建 立高地温隧洞模拟试验装置 ，使用表面经过处理的花 岗岩岩板模拟隧洞内部岩壁 ，岩板垂直固定 ，同时四 周用木模板包 围，这样在保证 了喷射混凝土喷射厚度 为 1 5 c m的同时也避免 了不 同岩板 间温度 的相互 干 扰 。养护室 内使用可控 温度 的加热板对 岩板进行 加 热 ，安装加湿器调节室内空气湿度 ，岩板与混凝土一 侧设置预留孔安装温度传感器监测温度数据 ，所有装 置统一 由养护室外侧 的温湿度综合控 制智能 系统 控 制 。 2 2 喷射混凝土及粘结强度试验 按照设计配合 比进行骨料的拌和 ，在石板温度达 到设定温度后 ，预先用高压水枪对岩板表面进行冲洗 及降温处理，按 照 文献 6 要 求进 行喷 射混凝 土作 业 ，采用干喷法 自下而上逐层喷射。喷射混凝土作业 结束后 ，立 即清理堆料并封闭养护室 ，开启空气湿度 调节器 ，维持岩板对喷射混凝土恒定加热 。 高地温隧洞模拟试验装置的 1 和 2 养护室 内的 喷射混凝 土分别在养护至 7 d和 2 8 d龄期后进行拆 模 ，根据文献 6 要求 ，试验采用钻芯拉拔法来测试 围岩一喷射混凝土的粘结强度 ，每种工况取三个芯样 为一组进行测试。 2 3 喷射混凝土 C T扫描及 SE M、XR D试验 为进一步研究不同岩壁温度对围岩一喷射混凝土 粘结强度的影响，对养护至规定龄期 的喷射混凝土试 样进行无损检测 以及微 细观结构 扫描、成 分鉴定试 验 。 C T扫描技术 作为一 种先进 的无损 检测技术 ， 具有定量 、精确 、无损检测材料内部结构的特点 ，本 水利水电技术第4 6卷2 o l 5年第 9期 马秋娟， 等不同岩壁温度对围岩一喷射混凝土粘结强度的影响分析 试验借助 C T扫描技术研究高温岩壁作用过后 的喷射 混凝土芯样 内部细观结构。扫描电子显微镜 ( S E M) 具有很大的景深清晰度 ，可以借助电子显微镜清晰的 观察到水 泥水 化产物的形貌 J ，因此取 不 同温度 工 况下粘结面处 的试样进行 S E M试验 ，可以得出不 同 岩壁温度下粘结面处混凝土表面的微观 图像。同时， 利用 x射线 ( X R D) 可 以准确得到样品完整 晶体成分 且测量精度 高的优点 J ，取不 同温度工 况下粘结 面 处的试样进 行 X R D试 验 ，分析不 同岩壁温度下粘结 面处混凝土的晶体成分。 3 试验结果分析 3 1 围岩一喷射混凝土粘结强度数据分析 在拉拔试验的过程 中，无论是 7 d龄期还是 2 8 d 龄期的芯样断裂面均位 于岩石与混凝土的粘结面处 ， 说明试验所得的围岩一喷射混凝土粘结强度数据是可 靠的。整理试验拉拔数据可得到不同工况下围岩一喷 射混凝土粘结强度数据( 见 图 1 ) 。 骥 姆 舞 6 O 7 5 岩壁温度 图 1 不同工况下围岩一 喷射混凝土粘结强度数据 无论是 7 d龄期还是 2 8 d龄期的粘结强度 ，在空 气相对湿度为 9 0 的情况下 ，粘结强度均 随着岩壁 温度的升高而逐渐降低。可见 ，岩板温度越高 ，越不 利于围岩与喷射混凝土的粘结 。同时可以发现 ，工况 T= 9 0的 2 8 d龄期粘结强度值要低于7 d龄期粘结 强度 ，分析认为当岩壁温度超过临界值时 ，围岩一喷 射混凝土粘结强度会随着龄期的增长出现倒缩现象。 3 2温度监测数据分析 由于在试验前期岩板和喷射混凝土内部已经预埋 了温度传感器 ，在 喷射混凝 土养护至 2 8 d龄期后 ， 导出所记录的温度数据并进行分析处理 ，得出 自喷射 混凝土作业开始至达到 2 8 d龄期 的不同工况下的岩 板与喷射混凝土内部间的温度变化曲线如图 2所示。 由于喷射混凝 土是一种 由水 泥、粗 骨料、细骨 料、水 以及其他外加剂所组成 的多相复合材料 ，其与 围岩的热工性能有很大的差异 】 。高温作用下的喷射 6 4 2 O 8 6 4 2 O l O O 0 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 马秋娟， 等不同岩壁温度对围岩一喷射混凝土粘结强度的影响分析 p 、 赠 1 O 0 0 8 0 6 O 嘎4 O 2 0 时间 h ( a 1 T -5 0 0 1 7 3 4 6 4 1 9 8 3 3 1 4 6 4 5 9 7 时问 h ( C ) T =7 5 CH 岩 石 一 底 层 混 凝 土 8 0 1 一一 中层混凝土一表层混凝土 6 0 毫纂三；釜兰釜兰兰毫蔓 赠4 0 2 _ T 广_ T 菇广 时间 h f b 、T =6 0 图 2 不 同工况下岩石及混凝土 内部温 度变化 曲线 CH L - j ll CH CH I l I 8 一 4 0 5 O 6 O 7 0 2 0 ( 。 ) f b T =7 5 CH 图 3不同温度下粘结面处混凝土 XR D分析图像 混凝土凝结过程中，材料间温差作用 的不协调变形会 导致局部温度应力的产生 ，温度应力的存在加上不同 材料间热工性能的差异导致 了粘结面处微小裂隙的产 生 ，进而影响了粘结强度。 同时由图 2可知 ，在凝结过程 中喷射混凝土与岩 板之间存在着一定 的温差变化，且具有一定的规律性 ， 可以分为骤然温差一递减温差一递增温差一恒定温差 四个发展阶段。对于早期强度较低 的喷射混凝土而言 ， 粘结面处因承受温度变化会产生较大的温度应力场 ， 从而加大了粘结面处微裂纹发展的概率 ，同时喷射混 凝土在早期凝结过程 中性能 的变化会 比较剧烈 ，对 于 结构开裂的敏感性影响较大 。随着喷射混凝土的初 凝 、终凝过程的完成 ，粘结强度进入 正常的增 长期 ， 温差也逐渐趋于稳定但依然持续作用 ，因而会 出现随 着岩板温度 的升高粘结强度递减的趋势 ，同时在超过 临界值时 ，较高温度下产生的持 续作用温差抑制了粘接面处强度 的增 长 ，使得温度 工况 9 0 0 C的 2 8 d龄期粘结强度低 于 7 d龄期 粘结强度。 3 3 粘结面微细观构造机理分析 通过进行 x射线 衍射试验 ， 得出不同温度下粘结面处混凝土 X R D分 析 图像 如 图 3所示 。由 图 3可知 ，在不同的岩板温度作 用下 ，粘结面处喷射混凝土的水 化产物的物相组成基本上是相同 的，而在 T=9 0 o C的 工 况 下 ， C H的衍射峰值是最 高的 ，说 明 此时 C H的含量是最多 的。因此 可以得知 ，岩壁温度的升高在一 定程度 上 会促 进水 泥 的水 化 反 应 ，但是对于水泥水化的本质是 没有 改变 的。 在 C T扫 描试 验 所得 的 C T 图像 中，不 同的 C T值对 应着不 同的密度值 ，在图像 中表现为不 同 的 灰 度 ，本 文 列 出 了 使 用 Mi m i c s 分割阈值处理的围岩一 喷 射混凝土粘结面处的 C T扫描 图 像 见 图 4 ( a ) ，其 中灰度值越 高则表示密度越大 ，即图像 中白 色的部 分为岩石或混凝 土颗粒 ， 黑色部分 为孔隙或孔 洞。由 C T 图像可以看出 ，随着岩板温度的升高 ，图像整体灰度 值明显降低 ，且孔洞数量增多且孑 L 径增大。 同时 ，观察 S E M试验所得 到的粘接 面处 混凝土 微观形态图像 见 图4 ( b ) ，1 0 0 0倍 的放大倍 率下 ， 随着岩板温度的升高 ，粘结面处的混凝土逐渐变得疏 松多孔 ，这 与 C T扫描 图像 所 观测到 的结果 是 一致 的。内部结构孔洞数量越多 、孔径越大，说明混凝土 的密实度越低 ，进而粘结性能越弱。 同时利用试验所得到的 c T扫描图像 ，对喷射混 凝土芯样进行三维图像建模 ，通过计算得 出不 同温度 下喷射混凝土孔隙率如表 1所列。由表 1分析可得 ， 无论是整体孑 L 隙率还是粘结面孑 L 隙率 ，其值均随岩板 温度 的升高而逐渐增大。不 同岩板温度下所得到的孑 L 隙率变化规律与 c T扫描 图像和 S E M 图像观测到的规 律是一致 的，因此高温岩壁作用下的粘接面混凝土结 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第9期 土土 鹳 凝凝 枯 混混 ；l 层层 绦 一 底表 瞎 二 土 搿 l _ 凝 餐 混 h ! 石 层 一 岩 中 1 寸 如 加 加 一 加 加 2 加 加 0 2 0 如 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m r厂 5 ( ) C 7 0 0 b ) 放火倍举为l 0 0 0 j 混凝 微观状态 图 4不同温度下喷射混凝 土 C T图像及微观形 态 构疏松是导致围岩一喷射混凝土粘结强度降低 的另一 重 要 因素 。 表 1 不 同温度 下喷射 混凝土孔 隙率 温度工况 R H 9 0 =5 0 T=6 0 7 =7 5 T=9 0 整体孑 L 隙率 2 O 3 2 04 2 7 4 4 2 3 粘结面孔隙率 2 0 4 2 2 8 3 8 l 6 0 9 综合分析 ，混凝土是由固相 、气相 、液相组成的 复合材料 ，在高温环境中内部的游离水与空气会产生 膨胀应力 ，温度越高产生的气泡数量就会越多，进而 膨胀频率就会越高 。进一步结 合 C T、S E M试验所得 的混凝土微观形态图像进行相关分析可知 ，当岩壁温 度低于临界数值时 ，混凝土毛细孔 内的游离水散失得 较慢 ，混凝土内的矿物质可以发生较为充分的水化反 应 ，粘接面处孔隙率低 ，整体密实度较好 ，粘结强度 较高 ，可以满足设计要求。然而当岩壁温度高于临界 数值后 ，如在 T=9 0 o C的工况 下，高温促进 了水化 反应的加快 ，CsH凝胶 体的生成速率 大于迁移 速率 ，逐渐堆积在水泥的颗粒表面 ，因而 CS H凝胶体等水化产物结晶度低 ，粘接面处混凝土微观 结构变得疏松多孑 L ，致密性差 ，力学性能劣化。因此 便会出现围岩一 喷射混凝土粘结强度随岩壁温度 的升 高而降低的现象 。 4结论及讨论 通过在实验室内模拟不同温度岩壁对喷射混凝土 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第 9期 马秋娟， 等不同岩壁温度对围岩一喷射混凝土粘结强度的影响分析 粘结性能的影响 ，得出以下试验结论 ，同时为现场隧 洞围岩支护提出相关建议。 ( I ) 在空气相对湿度为 9 0 的养护条件下 ，喷射 混凝土随着岩壁温度的升高 ，内部 温度应力逐渐加 剧 ，微观结构变得疏松多孑 L 、劣化粘接性能，出现围 岩一喷射混凝土粘接强度随岩壁温度的增高而逐渐降 低的现象。 ( 2 ) 当岩壁 温度为 9 0 时，随着龄期 的增长 ， 处于粘结面毛细孑 L 中的游离水会逐渐散失 ，阻碍了水 化反应的进行 ，而温度应力使得粘接面处裂隙不断扩 展 ，从而出现 2 8 d龄期喷射混凝土粘结强度低于 7 d 龄期粘结强度的倒缩现象 。 ( 3 ) 高温环境下的隧洞围岩支护应从隔绝热源 、 降低温差两方面改进施工方案，建议在高温岩壁外侧 布置粘结性能 良好 、隔热效果明显 的保温层 ，同时使 用防火耐热混凝土做为喷层 ，减缓 内部温度应力对混 凝土的损伤。 参考 文 献 ： i 赵国斌 ，程向 民齐热哈塔尔水 电站引水隧洞高地温问题研 究 J 现代 隧道技术 ( 增刊)，2 0 1 2 ，1 0 ( 1 2 ) ：2 6 2 2 6 5 2 J u l e s Wi l h e l m，L a d i s l a u s R y b a c h T h e g e o t h e r ma l p o t e n t i al o f S w i s s A l p i n e t u n n e l s J G e o t h e r m i c s ，2 0 0 3 ，3 2 ( 4 )：5 5 7 5 6 8 3 Y a o p e n g Wu ，B o Wu R e s i d u al c o m p r e s s i v e s n a n d f r e e z e t h a w r e s i s t anc e o f o r d i n a r y c o n c r e t e a f t e r h i g h t e m p e r a t u r e J C o n s t r u c t i o n and B u i l d i n g Ma t e r i a l s ，2 0 1 4，5 4 ( 3 ) ：5 9 6 - 6 0 4 4 崔圣爱 ，李江渭 ，叶跃忠 ，等 高地温隧道干热环境 中喷射 混 凝土与岩石黏结强度 J 建筑材料 学报 2 0 1 3，1 6( 4) ：6 6 3 6 6 6+6 8 2 5 杨红艳 热害隧道喷射混 凝土性 能研究及结 构行 为分析 D 成都 ：西南交通大学 ，2 0 1 3 6 s L 3 7 7 2 o o 7 ，水利水电工程锚喷支护技术规范 s 7 党发宁 ，尹小涛 ，丁卫华 ，等 基于 C T试 验的岩体 分区破损 本构模 型 J 岩 石力 学与 工程 学 报 ，2 0 0 5，2 4( 2 2) ：4 0 0 3 4 0 0 9 8 吕鹏 ，翟建平 ，聂荣 ，等 环境 扫描电镜用于硅酸盐水泥早期 水化 的研究 J 硅酸盐学报 ，2 0 0 4( 4 ) ：5 3 0 5 3 6 9 胡林彦 ，张庆军 ，沈毅 x射线衍射分析的实验 方法及其应用 J 河北理工学院学报 ，2 0 0 4，3 7 ( 3 ) ：8 3 8 6+9 3 1 0 王峥 混凝土高温后力学性能的试验 研究 D 大 连：大连理 工大学 ，2 0 1 0 1 1 张岩 ，李宁 ，张浩博 ，等 温差影响下水工隧洞喷层结 构的早 期劈拉强度试验研究 J 水力发电学报，2 0 1 4 ，3 3 ( 2 ) ：2 2 1 2 2 9 1 2 王程程 ，叶跃忠 热害对混 凝土耐久性 能的影 响 c 第 十六 届全 国混凝土及预应力混凝 土学术会议 暨第十二届预应 力学术 交流会论文集 兰州 ：2 0 1 3 ：1 4 1 1 4 6 ( 责任编辑陈小敏 ) 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m