高地温隧道干热环境喷射混凝土粘结力损伤机理及其应用研究

In recent years, the long, large and deep tunnels encounter high earth-temperature problem, and some tunnels are even above 100℃. The high earth temperature brings difficulties to construction, and affects the quality and durability of the project. Especially in hot-dry environments, the rebound of shotcrete increases significantly, bond strength of shotcrete decreases sharply, and even the shotcrete debonds with the rock interface, which leads to a failure of sprayed concrete. Due to the micro-structure and meso-structure degradation of cement-based material caused by too fast temperature rising and water loss, physical and chemical shrinkage of concrete, and non-uniform temperature effects of interface, the bond strength of shotcrete lose seriously, and the damage mechanisms are very complex. This project classifies the temperature of surrounding rocks in hot-dry environments firstly. Then, it takes shotcrete base material and bond interface between shotcrete and rock as research subjects, to reveal the damage mechanisms of bond strength by studying the microscopic and mesoscopic property of cement-based material of shotcrete (including hydration degree, morphology of hydration product, pore structure, and property of interface layer), bond restriction shrinkage property of shotcrete, and fracture property of shotcrete and rock. Based on the study above, this project explores the measures on modification of base material, recombination of enhanced anti-cracking components, and treatment of interface, to improve the bond strength, therefore to solve the bond strength degradation problem of shotcrete in hot-dry environments of high earth temperature tunnels.

近年，在长大深埋隧道工程中，较多地出现高地温问题，部分隧道温度高达100℃以上，给施工带来困难，并影响工程质量和耐久性。特别是干热环境，喷射混凝土回弹量显著增大、粘结力大幅下降、甚至与岩石界面完全脱粘，喷射失败。由于干热环境下喷射混凝土快速升温与失水，导致水泥基材料微细观结构劣化，这种劣化与混凝土物化收缩及界面非均匀温度效应共同作用，造成喷射混凝土粘结力严重损失，其机理非常复杂。为此，本课题拟对高地温干热围岩温度进行划分，以喷射混凝土基材和混凝土与岩石粘结面为研究主体，通过研究不同温度等级干热环境喷射混凝土水泥基材料微细观性能（包括水化程度和水化产物形貌、孔结构及界面层特征）、混凝土与岩石粘结约束收缩性能以及混凝土与岩石粘结面断裂性能，揭示粘结力损伤机理。在此基础上，探究混凝土基材改性、复合增强抗裂组份以及界面处理措施，改善喷射混凝土粘结性能，以解决高地温干热环境粘结性能劣化的难题。

随着隧道建设向长大深埋方向发，高地温问题日渐突出，高地温隧道中干热环境普遍存在。干热环境中，喷射混凝土快速升温失水，导致水泥基材料微细观结构劣化，这种劣化与混凝土物化收缩及界面非均匀温度效应共同作用，使喷射混凝土损伤机理更加复杂。目前，针对干热环境喷射混凝土性能的研究总体上还很欠缺，未能全面把握混凝土性能劣化的本质。基于此，本项目以高地温隧道为研究背景，从孔结构特征、断裂性能、约束收缩及粘结性能多个角度深入系统地开展喷射混凝土损伤机理及改善措施研究。项目分析了干热环境对混凝土力学性能和孔结构的影响规律；提出了岩石-混凝土约束收缩性能测试方法并建立了力学模型；研究了喷射混凝土及岩石-喷射混凝土界面断裂性能，基于DIC技术获得了界面断裂过程区的演化过程及断裂特征参数。最后，通过湿喷混凝土试验验证了界面粘结性能的改善措施及效果。结果表明：1）1d龄期时适当的高地温可以优化混凝土孔结构，7d龄期后干热环境的劣化作用得到体现。纤维材料可以减小干热环境混凝土的有害孔隙率，细化孔结构，提高强度，且钢纤维效果更明显。2）随着温度的升高混凝土试件的断裂能呈先增大后减小的趋势，且60℃的断裂能最大，而起裂韧度、失稳韧度和裂缝扩展阻力均随温度的升高不断降低。玄武岩和钢纤维都可使断裂能和失稳韧度得到提高，但对起裂韧度几乎没有影响。3）随着龄期增长干热环境混凝土收缩率快速增大，10d龄期后增速变缓并逐渐趋于稳定。端钩型钢纤维和专用外加剂均可显著降低约束收缩变形和界面约束力。4）岩石-混凝土楔入劈拉试件的破坏模式以Ⅰ型断裂为主，界面断裂能、Ⅰ型起裂和失稳韧度均随温度的升高而降低，模态比随温度升高逐渐增大，温度越高Ⅱ型断裂所占比重越大，试件越容易发生剪切型破坏。5）干热环境下喷射混凝土粘结性能劣化十分严重，掺加端钩型钢纤维和专用外加剂粘都可使结强度显著提高，模筑混凝土与喷射混凝土粘结强度改善规律一致。