高温养护混凝土及衬砌结构力学特征研究现状与分析.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第29 期2023,23(29):12362-09科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:甘彬霖,冯旭海,宋朝阳,等.高温养护混凝土及衬砌结构力学特征研究现状与分析J.科学技术与工程,2023,23(29):12362-12370.Gan Binlin,Feng Xuhai,Song Zhaoyang,et al.Research status of mechanical properties of concrete and lining stru
2、ctures cured by high tem-peratureJ.Science Technology and Engineering,2023,23(29):12362-12370.建筑科学高温养护混凝土及衬砌结构力学特征研究现状与分析甘彬霖1,2,冯旭海3,4,宋朝阳1,3,王恒1,3,赵玉明1,3(1.煤炭科学研究总院建井研究分院,北京 100013;2.同济大学上海自主智能无人系统科学中心,上海 200092;3.矿山深井建设技术国家工程研究中心,北京 100013;4.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,徐州 221116)摘 要 随着深部矿井和深长隧道的建设需要,
3、混凝土结构面临着更加复杂的高地温环境。高温养护混凝土水化动力过程和力学特征规律与常温养护存在较大差异。概述了深部矿井和深长隧洞结构面临的高地温环境,分析了高温养护条件下混凝土水化动力过程,对高温养护混凝土力学性能演化机制和改善方法进行了综述;总结了不同高地温环境对衬砌结构黏结性能、温度场分布规律和受力特性的影响规律以及支护体系优化方法。认为高温养护混凝土水化反应机制不明确、温-湿条件耦合影响的非线性、工程研究领域和性能指标的单一性是高温养护混凝土性能演化表征及优化改性研究存在的主要问题。应加强高温养护条件下混凝土水化动力学模型的研究,建立温-湿度耦合养护条件下混凝土性能预测模型,拓展高温养护混
4、凝土应用领域和强度等级的研究,以便更好地为高地温环境深地工程混凝土结构设计和应用提供指导。关键词 深地工程;高温养护;水化动力学;力学性能;衬砌结构中图法分类号 TU528;文献标志码 A收稿日期:2022-11-30;修订日期:2023-07-06基金项目:山东省技术创新项目(202010606024,202010606029)第一作者:甘彬霖(1996),男,汉族,广西玉林人,博士研究生。研究方向:深井建设技术。E-mail:binlin_。通信作者:冯旭海(1976),男,汉族,山东烟台人,硕士,研究员。研究方向:深井建设技术。E-mail:。Research Status of Mec
5、hanical Properties of Concrete and LiningStructures Cured by High TemperatureGAN Bin-lin1,2,FENG Xu-hai3,4,SONG Zhao-yang1,3,WANG Heng1,3,ZHAO Yu-ming1,3(1.Research Institute of Mine Construction,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Shanghai Research Institute for Intelligent Autonom
6、ous Systems,Tongji University,Shanghai 200092,China;3.National Engineering Research Center of Deep Shaft Construction,Beijing 100013,China;4.State Key Laboratoryfor Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract With the increasin
7、g demand for construction of deep mines and deep-long tunnels,concrete structures are faced with amore complex high geothermal environment.The hydration kinetics and mechanical characteristics of concrete cured by high tempera-ture are different from those of normal temperature.The high ground tempe
8、rature environment of deep mines and deep-long tunnels wassummarized.The hydration kinetics of concrete cured by high temperature was analyzed,and also the characteristics of mechanicalproperties of that concrete and its optimization methods were reviewed.The law of bonding performance,temperature d
9、istribution andstress characteristics of lining structures under different high ground temperature environments were summarized,as well as its optimi-zation methods.It is considered that the unclear hydration kinetics of concrete cured by high temperature,the nonlinearity of the cou-pling effect of
10、temperature and humidity conditions,and the singleness of engineering research fields and performance indicators are theproblems existing in the characterization of high temperature curing concrete performance evolution and its optimization research.Theresearch of concrete hydration kinetics cured b
11、y high temperature should be strengthened,the prediction model of concrete performanceunder temperature-humidity coupling curing conditions should be established and perfected,and the application field and strength gradeof high temperature curing concrete should be expanded,which of these provide gu
12、idance for the design and application of concretestructure in deep ground engineering with high ground temperature.Keywords deep ground engineering;high temperature curing;hydration kinetics;mechanical properties;lining structure投稿网址:2023,23(29)甘彬霖,等:高温养护混凝土及衬砌结构力学特征研究现状与分析12363 深部矿产资源开采和深地空间开发是满足人类
13、可持续发展的有效途径和社会发展的必然趋势1-2。当前,能源与战略性矿产资源开发正从浅部向 深 部 全 面 推 进,国 内 矿 井 最 大 井 深 已 达1 551.8 m(纱岭金矿),正在施工的立井设计井深超过 2 000 m(三山岛金矿),未来主要矿产采深将达到3 000 5 000 m3-4;截至2020 年底,中国已投入运营的特长铁路隧道共 209 座(总长2 811 km),在建特长铁路隧道 116 座(总长1 675 km),规划特长铁路隧道 338 座(总长 5 054 km)5。但随着深部矿井和深长隧道工程持续建设,深地结构通常面临着“高地应力、高地温、高孔隙水压和强烈工程扰动”
14、的复杂多场耦合荷载环境,其中高地温环境对深地工程的制约问题尤为突出6-10。根据铁路隧道工程施工技术指南(TZ 2042008)11相关规定,地温超过 28 的地质条件为高地温条件;对于现浇混凝土,养护温度大于 35 通常可认为是高温养护条件12,但高温养护影响等级尚无明确划分。对于浅部矿井和短距离隧道,可通过通风、制冷等措施降低工作面温度。但深部地层热源持续不断得到补充,降温措施对地下空间的降温效果有限且费用昂贵,一般只针对工作面或施工人员,工程结构仍将长期暴露在高地温环境中。随着“十四五”规划和 2035 远景目标纲要提出进一步实施交通强国战略和能源资源安全战略,深长隧道、深部矿井与地热开
15、采项目持续推进,高地温养护环境下混凝土性能发展规律和结构承载影响问题亟待研究。针对高温养护环境对深地工程混凝土性能的影响,现对国内外高地温矿井和深长隧道结构典型案例进行概述,对高温养护条件下混凝土水化动力过程和力学性能演化机制及其改善方法进行综述,总结高地温环境对衬砌结构性能的影响规律,分析既有研究中存在的问题和未来研究方向,为高地温环境深地结构混凝土材料的研究和应用提供参考。1 深地工程结构高地温热害情况深地结构处于深部多场多相耦合复杂地质体中,具有埋深大、环境效应复杂等特点。其中,地温一般以30 50 /km 的梯度逐渐增加,局部导热率高地区地温梯度高达200 /km,300 m 以深的深
16、地工程地温通常超过 28,即达到高地温条件。1 000 3 000 m 深度的矿井地温一般为 40 80 3,13-14,国内外部分高地温矿井统计情况如表 1所示。高地温问题在深长隧洞中同样普遍存在,如大瑞铁路高黎贡山隧洞场区地温在 25 108;川藏铁路共 15 个隧洞存在高地温热害,约占全线隧洞总数的 7.6%,高地温区间在 28.7 86.0 7,26。目前,深度超过 400 m 的深长隧洞地温一般在 40 90,如表 2 所示。表 1 国内外部分高地温矿井统计情况Table 1 Statistics of some typical mines withhigh ground tempe
17、rature矿井名称地温/深度/m矿产类别长广煤炭公司七矿1540920煤炭安徽冬瓜山铜矿16401 100铜峰峰集团梧桐庄矿17411 300煤炭丰城建新矿1542650煤炭新汶孙村矿1842800煤炭南非东方兰德矿19452 700黄金大台沟铁矿20461 600铁南非中部兰德矿19503 500黄金平煤五矿(己三采区)2150650煤炭南非 OFS 矿19502 600黄金南非克莱克斯多普矿19503 000黄金龙固煤矿354800煤炭纱岭金矿22601 600黄金南非 Tau Tona 金矿23602 000黄金印度 Kolar 金矿24602 000黄金南非某金矿13703 000黄
18、金日本丰羽铅锌矿24-2580500铅锌表 2 国内外部分高地温隧洞统计情况27-29Table 2 Statistics of some typical tunnels withhigh ground temperature27-29隧道名称国家长度/km最大埋深/m最高地温/戴云山隧道中国1.562 340038.8秦岭隧道中国18.4481 60040成兰铁路跃龙门隧道中国20.0421 44540里昂-都灵隧道法国-意大利542 00040新列奇堡隧道瑞士332 20042新圣哥达隧道瑞士572 30045特科洛特隧道美国6.42 28747高黎贡山隧道中国34.5311 15550旧
19、寨隧道中国4.4615052新普隆隧道瑞士19.82 14055.4亚平宁铁路水隧道意大利18.5182 00063.8达嘎山隧道中国7.2170064吉沃希嘎隧道中国3.97410465.2齐热哈塔尔水电站引水隧洞中国15.6391 72072娘涌水电站引水隧道中国0.29564074Abo-Toge 公路隧道日本4.3570075禄劝铅厂引水隧洞中国7.21538076帕当山隧道中国2.8653376.4布郎口-公格尔水电站引水隧洞中国17.830082桑竹岭隧道中国16.4491 34789.9投稿网址:12364科 学 技 术 与 工 程Science Technology and E
20、ngineering2023,23(29)2 高温养护对混凝土性能的影响2.1 高温养护对水化动力过程的影响混凝土性能与胶凝材料的水化过程密切相关。水泥主要包括硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)4 种熟料矿物,熟料矿物与水发生水解或者水化作用统称为水化,通过水化作用生成的产物称为水化产物。通过分析不同物理、化学条件下胶凝材料水化反应机理和反应速率的表征,研究不同物理、化学因素对水化反应速率和水化过程的影响,有助于理解胶凝材料复杂的反应过程,预测不同龄期的胶凝材料水化程度和水泥基材料性能30。根据 Arrhenius 公式式(1),胶凝材料的水化速
21、率与温度和活化能有关,其中水化反应速率常数与温度呈正相关指数函数关系,反应活化能 E 是一个与温度相关的常数。张增起30通过等温量热、化学结合水量和热重分析测试表明活化能随养护温度升高而升高,水化产物成核速率常数、生长速率常数、扩散速率常数和水化产物的临界长度等动力学参数均随养护温度提高而增大。KT2=KT1exp-ER1273+T2-1273+T1()(1)式(1)中:kT1和 kT2分别为温度 T1和 T2时对应的反应速率常数;E 为活化能;R 为摩尔气体常数。高温养护时胶凝材料早期水化速率的提高促进了水化放热速率过程,张增起30和任旭等31通过等温量热法发现高温环境使得复合胶凝材料水化放
22、热峰值提高,放热峰值出现时间提前,累计放热量和体系水化放热量增加。任旭等31基于 Krs-tulovic-Dabic 水化动力学模型对胶凝材料总放热量、水化时间和反应速率常数等动力学参数进行计算分析,发现高温养护下水化动力过程控制阶段由结晶成核与晶体生长、相边界反应和扩散的 3 个阶段变为结晶成核与晶体生长和扩散 2 个阶段。高温环境提高水化反应速率,使得液相中 pH迅速提高,同时破坏了粉煤灰和矿渣粉的玻璃体结构。在高碱性和高温耦合作用下,粉煤灰和矿渣粉的活性和胶凝性显著提高,参与水化反应的时间提前,增加了胶凝材料活化分子百分数。李响等32通过盐酸选择溶解法对 65 养护的粉煤灰复合胶凝材料浆
23、体中的粉煤灰反应程度测试,发现高温养护1 d 的粉煤灰反应程度超过标准养护 28 d 的粉煤灰反应程度。基于 Arrhenius 公式和材料活化能,水化度被定义为已消耗的胶凝材料与胶凝材料总量的比值,一般通过化学结合水法、化学收缩法、CHCa(OH)2定量法、等温量热法和选择性溶解法、图像处理法、X 射线衍射(X-ray diffraction,XRD)全谱拟合定量法进行表征或测定30。标准养护状态下,Mills33通过大量实验提出了水泥最终水化度的计算模型;Schindler 等34在 Mills 所提出的水泥最终水化度模型的基础上,提出了考虑粉煤灰和矿渣掺量影响的复合胶凝材料最终水化度修正
24、模型;Giovanni 等35考虑 SiO2的有效含量,提出了硅粉复合胶凝材料最终水化度计算模型。胶凝材料最终水化度在 0 1,不同条件下同种混凝土水化度相同时其物理力学性能基本相同36-37。但通过物理力学参数和水化度反演分析高温养护条件和标准养护条件胶凝材料最终水化度时,发现最终水化度反演结果大于最终水化度模型计算结果,即胶凝材料高温养护的实际水化度大于理论最终水化度。李响等32通过化学结合水法和盐酸选择溶解法表明高温养护提高了胶凝材料的活性和活化分子百分比,从而提高了胶凝材料最终水化度;郭舒等38基于 Avrami 水化动力过程对CaO 膨胀熟料的水化程度进行分析,发现水化程度随温度升高
25、而增大。高温环境养护下,胶凝材料活性的提高加快了水化反应速率,活化分子百分比的增加提高了胶凝材料的最终水化度。但部分学者认为高温养护时快速水化生成的水化硅酸钙Ca5Si6O16(OH)4H2O,CSH层会包裹封闭未水化的胶凝材料,会导致最终水化度降低39。此外,Gallucci 等40对 20、40、60 养护水泥浆体的水化度进行分析,发现 1 年后不同温度养护水泥浆体的水化度基本相等,认为长龄期状态下最终水化度不受养护温度影响。2.2 高温养护对混凝土力学性能的影响高温养护时,混凝土快速温升和失水会导致胶凝材料微观结构劣化和水化进程停滞,同时水化产物在快速的物理化学收缩作用下,混凝土力学性能
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