干熱環(huán)境噴射用纖維混凝土力學(xué)性能及孔隙結(jié)構(gòu)分析

崔圣愛 符 飛 曾 光 陳 振 李固華

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都610031)

隨著設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)的進(jìn)步，隧道建設(shè)逐漸向長(zhǎng)大深埋方向發(fā)展，伴隨而來的高地溫問題也日益突出[1-3].隧道高地溫主要以2種形式出現(xiàn)：①干熱，即在地質(zhì)構(gòu)造較好的地方，地質(zhì)層內(nèi)部熱量通過巖石傳到隧道表面；②濕熱，即在斷裂破碎、斷裂轉(zhuǎn)折復(fù)合及巖石破碎地段，裂隙發(fā)育程度高，地下熱水富集形成溫泉.實(shí)際工程調(diào)研表明，在高地溫隧道中，干熱環(huán)境普遍存在[4-5].同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)和前期研究均表明，高地溫環(huán)境會(huì)使噴射混凝土性能劣化，甚至導(dǎo)致混凝土脫黏開裂，隧道的初期支護(hù)質(zhì)量難以得到保證.高地溫隧道中干熱環(huán)境普遍存在，在該環(huán)境中噴射混凝土快速升溫與失水，水泥基材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化，混凝土干縮增大，加劇了混凝土裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展.噴射混凝土作為初期的安全防護(hù)，其開裂問題關(guān)系到支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的有效發(fā)揮.

文獻(xiàn)[6-10]研究了高地溫濕熱環(huán)境對(duì)噴射混凝土性能的影響及改善措施；文獻(xiàn)[11]分析了高地溫環(huán)境下噴射混凝土的變形性能；文獻(xiàn)[12-13]研究了高地溫干熱環(huán)境對(duì)噴射混凝土-巖石黏結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[14]指出材料的微觀結(jié)構(gòu)決定著宏觀性能.混凝土材料是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)、多相(氣、液、固)和多層次(微觀、細(xì)觀、宏觀)的復(fù)合材料體系，其宏觀物理學(xué)行為所表現(xiàn)出的不規(guī)則性、不確定性、模糊性和非線性等特征與其微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性密切相關(guān).孔結(jié)構(gòu)是混凝土微觀結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容之一，與混凝土的力學(xué)性能緊密相關(guān).研究高地溫干熱環(huán)境下混凝土孔結(jié)構(gòu)對(duì)分析其性能的劣化機(jī)理及探索改善措施具有重要意義.

本文選取100 ℃高地溫干熱環(huán)境為研究背景，利用恒溫烘箱模擬干熱環(huán)境，對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù).采用隧道常用噴射混凝土配合比，通過力學(xué)性能試驗(yàn)和孔結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)研究高地溫干熱環(huán)境下不同纖維混凝土的力學(xué)性能和孔隙結(jié)構(gòu)的經(jīng)時(shí)變化特征，分析纖維的改善效果，探索改善機(jī)理，并建立強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型.

1 試驗(yàn)方案

1.1 原料及工況設(shè)計(jì)

本文擬設(shè)計(jì)4種工況：①未摻加任何纖維；②摻加體積分?jǐn)?shù)為0.2%的玻璃纖維；③摻加體積分?jǐn)?shù)為1%的端鉤型鋼纖維；④摻加體積分?jǐn)?shù)為1%的鍍銅微絲鋼纖維.各工況混凝土采用隧道工程中常用的C25強(qiáng)度等級(jí)，參照文獻(xiàn)[15]進(jìn)行基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)，減水劑質(zhì)量為膠凝材料質(zhì)量的1%.各工況的配合比及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)坍落度見表1.

表1 各工況及配合比 kg/m3

水泥采用P.O42.5R型普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為Ⅱ區(qū)河砂，細(xì)度模數(shù)為2.9；粗骨料采用5～10 mm連續(xù)粒級(jí)的碎石；減水劑為減水率34%的YH-A聚羧酸高性能減水劑；速凝劑采用JX-E3型低堿液體速凝劑，總堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，初凝時(shí)間為150 s，終凝時(shí)間為470 s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%；玻璃纖維單絲直徑為5～100 μm，長(zhǎng)度為10～40 mm，斷裂強(qiáng)度大于等于450 MPa；端鉤型鋼纖維直徑為 0.75 mm，長(zhǎng)度為30 mm，抗拉強(qiáng)度為1 100 MPa；鍍銅微絲鋼纖維直徑為0.2 mm，長(zhǎng)度為13 mm，抗拉強(qiáng)度為2.8 GPa.

1.2 試驗(yàn)方法

本文著重考察高地溫環(huán)境下不同纖維材料對(duì)混凝土性能的影響.考慮到噴射混凝土試件成型需要專門的噴射設(shè)備，制作費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且費(fèi)用高昂，故前期試驗(yàn)可采用模筑混凝土試件替代[16].澆筑成型方式是將混凝土拌和物澆筑到鋼制三連模中，采用振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型.

基于表1中的配合比，每個(gè)工況下每個(gè)齡期成型2組邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件.每組共計(jì)3個(gè)試件，一組用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，另一組用于劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn).試件于自然環(huán)境(溫度為20 ℃，濕度為70%)中成型，成型后立即置于溫度100 ℃、濕度低于35%的密閉烘箱中，模擬干熱環(huán)境進(jìn)行養(yǎng)護(hù).待試件養(yǎng)護(hù)1 d后，取出進(jìn)行拆模，然后將拆模后的試件放回恒溫烘箱繼續(xù)養(yǎng)護(hù).養(yǎng)護(hù)至1、7、28 d齡期，達(dá)到規(guī)定齡期后，從烘箱中取出試件，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和孔結(jié)構(gòu)測(cè)試.

力學(xué)性能試驗(yàn)包括抗壓強(qiáng)度測(cè)試和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試.孔結(jié)構(gòu)測(cè)試采用壓汞測(cè)試法(MIP)，試驗(yàn)儀器為AutoPore Ⅳ 9500型全自動(dòng)壓汞測(cè)孔儀，其測(cè)孔范圍為3.0～3.6×104nm.測(cè)孔前需用尖錘將劈裂后的試件敲成5 mm左右的顆粒狀試樣，試樣中不含石子和粗大纖維.

2 力學(xué)性能

為便于比較，圖1給出了混凝土抗壓強(qiáng)度σc和劈裂抗拉強(qiáng)度σst的折線圖.由圖可知，100 ℃干熱環(huán)境下，摻加鋼纖維和玻璃纖維后混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均明顯提高.

(a) 抗壓強(qiáng)度

(b) 劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖1(a)可知，鍍銅微絲鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的改善效果最明顯.與工況1相比，工況4下1、7、28 d齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度分別提高約28.47%、64.40%、74.78%.工況2和工況4下，7 d齡期之前的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)逐漸增加，但在7 d齡期之后則逐漸下降.工況3下混凝土的抗壓強(qiáng)度在整個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期中均呈單調(diào)增長(zhǎng)趨勢(shì)，28 d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到20.65 MPa，相比同齡期工況1的抗壓強(qiáng)度提高約82.74%.

由圖1(b)可知，端鉤型鋼纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的改善效果最明顯，鍍銅微絲鋼纖維次之.與工況1相比，工況3下1、7、28 d齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度分別提高約88.5%、72.6%、110.6%.工況3下混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在整個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期中均呈單調(diào)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在7、28 d齡期時(shí)達(dá)到4種工況下的最大值.工況2和工況4下混凝土的劈裂強(qiáng)度在1 d齡期時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度較高，之后略有降低，7 d后又開始逐漸回升.究其原因在于，干熱環(huán)境對(duì)混凝土初始水化的促進(jìn)效果顯著，水化速度快，纖維和水泥基迅速黏結(jié)，故2種工況下1 d齡期時(shí)均表現(xiàn)出較高的劈裂抗拉強(qiáng)度；隨著時(shí)間的推移，混凝土內(nèi)水分大量散失，水化速度減緩，干縮增大，水泥基和纖維之間的黏結(jié)性能劣化，故齡期為1～7 d時(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)略有降低；7 d齡期之后，干縮逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)仍有水化產(chǎn)物不斷生成，使得纖維和水泥基界面的黏結(jié)性能逐漸提升，因此混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度在7～28 d齡期時(shí)表現(xiàn)為隨著齡期增長(zhǎng)而略有提高.

綜上可知，干熱環(huán)境下混凝土后期強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而逐漸降低.摻加鋼纖維后，因鋼纖維的導(dǎo)熱系數(shù)較大，混凝土內(nèi)部溫場(chǎng)能快速達(dá)到均勻，同時(shí)鋼纖維抑制收縮變形，阻止或阻滯原有裂縫的開展，顯著提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度.總體上，較早齡期時(shí)，摻加鍍銅微絲鋼纖維對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度的改善效果最為顯著；28 d齡期時(shí)，摻加端鉤型鋼纖維對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度的改善效果最為顯著.

3 孔結(jié)構(gòu)分析

3.1 特征參數(shù)

混凝土試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，對(duì)直徑為5～8 mm、質(zhì)量為3.5～4.5 g的混凝土試塊進(jìn)行壓汞測(cè)試.孔隙結(jié)構(gòu)按孔徑大小可以分為如下4類：孔徑小于10 nm的凝膠孔、孔徑為10～100 nm的過渡孔、孔徑為100～1 000 nm的毛細(xì)孔和孔徑大于1 000 nm的大孔.不同工況下的中值孔徑、平均孔徑及總孔隙率見圖2.

由圖2(a)和(b)可以看出，摻加纖維材料后，除了1 d齡期的工況2以外，其余齡期及各工況下的中值孔徑和平均孔徑均小于工況1，特別是28 d時(shí)表現(xiàn)尤為突出.

由圖2(c)可知，1 d齡期時(shí)，工況4和工況2的總孔隙率比工況1分別提升4.3%和16.53%，而工況3則降低了14.70%.隨著齡期的增長(zhǎng)，工況1和工況3的總孔隙率呈上升趨勢(shì)，工況2和工況4呈下降趨勢(shì).

各工況下不同孔隙結(jié)構(gòu)的孔隙率分布見表2.

(a) 中值孔徑

(b) 平均孔徑

(c) 總孔隙率

表2 各工況下不同孔隙結(jié)構(gòu)的孔隙率 %

由表可知，7 d齡期時(shí)，工況1的總孔隙率最大，其次為工況2和工況3.在7 d齡期后，隨著高地溫干熱環(huán)境水分的蒸發(fā)，混凝土干縮較大，各工況下混凝土的總孔隙率均呈不同程度的上升趨勢(shì).28 d齡期時(shí)，工況1的總孔隙率達(dá)到17.52%，較工況2高 5.82%，但較工況3和工況4分別低35.43%和 0.78%.究其原因在于，鋼纖維的摻入增加了混凝土與纖維之間的界面，從而增大了總孔隙率.

隨著齡期的增長(zhǎng)，干熱環(huán)境中混凝土內(nèi)部水分不斷散失，水泥水化不充分以及干縮裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致工況1下孔徑大于100 nm的孔隙數(shù)量迅速增加，孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劣化.纖維材料可以有效抑制混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，細(xì)化粗大孔隙結(jié)構(gòu)，減少孔徑大于100 nm的有害孔孔隙率.28 d齡期時(shí)，工況1下的有害孔隙率不斷上升，高達(dá) 10.43%，而摻加纖維的工況2、工況3和工況4下有害孔隙率分別為9.30%、9.21%和9.02%，較工況1分別降低了10.9%、11.72%和13.55%.

不同工況下孔徑分布微分曲線見圖3.由圖可知，各微分曲線均存在一個(gè)峰值，該峰值對(duì)應(yīng)的孔徑即為最可幾孔徑，即出現(xiàn)幾率最大的孔徑.齡期為1、7 d時(shí)各工況下混凝土的最可幾孔徑接近，均為62.5 nm左右.28 d齡期時(shí)工況1的最可幾孔徑約為110 nm，表明混凝土內(nèi)毛細(xì)孔所占比例較大；其余工況下的最可幾孔徑仍為62.5 nm左右，說明混凝土中過渡孔所占比例最高.

3.2 分形模型

混凝土作為一種典型的多孔材料，其孔形、孔面積及孔體積等均有明顯的分形特征[17].目前，基于壓汞法和光學(xué)法的分形模型應(yīng)用較為廣泛，前者主要包括空間填充模型、Menger 海綿模型、孔軸線分形模型和基于熱力學(xué)的分形模型[18].本文采用基于熱力學(xué)的分形模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，基于壓汞測(cè)試過程中汞液面表面能增加值與外力對(duì)汞所做功相等的原理進(jìn)行求解[7].

利用壓汞法測(cè)定數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)可按照下式計(jì)算：

(1)

式中，pi、Vi分別為第i次進(jìn)汞操作的壓力和進(jìn)汞量；Vn為壓力間隔1～n時(shí)的累計(jì)進(jìn)汞量；rn為第n次進(jìn)汞時(shí)的孔徑；C為系數(shù)；Dt為基于熱力學(xué)關(guān)系計(jì)算得到的分形維數(shù).

對(duì)工況1下7 d齡期的壓汞法測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到基于熱力學(xué)關(guān)系的對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖(見圖4).由圖可知，對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖在整個(gè)孔徑范圍內(nèi)呈明顯的線性關(guān)系，孔隙結(jié)構(gòu)分形特征顯著，其余工況也具有相同的規(guī)律.

(a) 1 d齡期

(b) 7 d齡期

圖4 基于熱力學(xué)關(guān)系的對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖

由此可知，基于熱力學(xué)關(guān)系的分形模型在整個(gè)孔徑范圍內(nèi)具有統(tǒng)一的分形維數(shù)，且分形特征顯著，說明基于熱力學(xué)關(guān)系得到的分形維數(shù)可以較好地描述測(cè)試范圍內(nèi)的孔徑分布情況.各工況下混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 各工況下孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)

3.3 混凝土強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系

混凝土強(qiáng)度是其宏觀性能的最基本指標(biāo)，研究表明混凝土強(qiáng)度與其孔隙結(jié)構(gòu)存在著密不可分的關(guān)系.為定量分析混凝土強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[19-20].干熱環(huán)境中噴射用混凝土的孔隙率、孔徑分布及孔隙形狀特征與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下差異較大，混凝土強(qiáng)度也相差甚遠(yuǎn).因此，干熱環(huán)境中噴射用混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的關(guān)系和以往研究結(jié)論有所不同.為更好地探求孔隙結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的關(guān)系，本節(jié)擬通過對(duì)力學(xué)性能與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多元回歸分析，確定干熱環(huán)境中噴射用混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征與抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.

在回歸分析中，同時(shí)考慮孔徑分布D和孔隙量V對(duì)混凝土強(qiáng)度Rc的影響，構(gòu)建關(guān)系模型為

Rc=f(V，D)

(2)

計(jì)算可得混凝土抗壓強(qiáng)度與中值孔徑、平均孔徑、分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.150 81、-0.317 23、0.787 18；劈裂抗拉強(qiáng)度與中值孔徑、平均孔徑、分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為 -0.470 86、-0.719 29、0.667 60.由此說明，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與分形維數(shù)具有較為顯著的相關(guān)性，可較好地反映孔徑分布情況.因此，選擇分形維數(shù)作為孔徑分布狀態(tài)的代表參數(shù).

混凝土抗壓強(qiáng)度與總孔隙、大孔孔隙、毛細(xì)孔孔隙、過渡孔孔隙、凝膠孔孔隙的相關(guān)系數(shù)分別為-0.133 6、-0.548 1、-0.005 9、0.175 7和 -0.074 4；劈裂抗拉強(qiáng)度與總孔隙、大孔孔隙、毛細(xì)孔孔隙、過渡孔孔隙、凝膠孔孔隙的相關(guān)系數(shù)分別為-0.222 6、-0.356 9、-0.322 3、0.068 4和0.201 80.由此可知，無論是抗壓強(qiáng)度還是劈裂抗拉強(qiáng)度，均與總孔隙率及各級(jí)孔隙率無顯著的相關(guān)性.因此，不能采用總孔隙率或某一級(jí)孔隙率單獨(dú)表征混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，還需考慮孔徑分布的影響.

綜合考慮各級(jí)孔隙率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，將復(fù)合孔隙率Pc作為孔隙量的代表參數(shù)，計(jì)算式可表示為

Pc=α1P1+α2P2+α3P3+α4P4

(3)

式中，P1～P4分別為大孔、毛細(xì)孔、過渡孔和凝膠孔的孔隙率；α1～α4分別大孔、毛細(xì)孔、過渡孔、凝膠孔孔隙率的強(qiáng)度影響系數(shù).

通過回歸分析得到干熱環(huán)境中噴射用混凝土各級(jí)孔隙率的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度影響系數(shù)，結(jié)果見表4.為更好地探索混凝土強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，同時(shí)考慮分形維數(shù)和復(fù)合孔隙率對(duì)強(qiáng)度的影響，提出了如下的多因素強(qiáng)度模型：

(4)

式中，σ為混凝土強(qiáng)度；β1～β3為回歸系數(shù).

表4 各級(jí)孔隙率的強(qiáng)度影響系數(shù)

根據(jù)式(4)，通過多元回歸可得干熱環(huán)境中噴射用混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系，得出關(guān)系模型表達(dá)式為

(5)

(6)

回歸結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的多因素關(guān)系模型擬合度均大于0.9，且顯著性水平小于0.05，說明回歸效果顯著.因此，所建立的強(qiáng)度模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，說明該模型可以比較準(zhǔn)確地反映干熱環(huán)境中噴射用混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間的定量關(guān)系.

4 結(jié)論

1)干熱環(huán)境下?lián)郊永w維材料可使混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度明顯提高，且端鉤型鋼纖維的改善效果最好，其次是鍍銅微絲鋼纖維，最后是玻璃纖維.

2)除1 d齡期外，基準(zhǔn)工況下各齡期的中值孔徑與平均孔徑均高于其余工況，特別是28 d時(shí)表現(xiàn)得更加明顯.隨著齡期的增長(zhǎng)，干熱環(huán)境下基準(zhǔn)工況混凝土孔徑大于100 nm的有害孔隙數(shù)量不斷增加，孔結(jié)構(gòu)劣化.摻加纖維材料可有效減少有害孔孔隙率，且鋼纖維對(duì)孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果優(yōu)于玻璃纖維.

3)齡期為1、7 d時(shí)，各工況下混凝土的最可幾孔徑接近，均為62.5 nm左右.齡期為28 d時(shí)，基準(zhǔn)工況的最可幾孔徑約為110 nm，說明混凝土內(nèi)毛細(xì)孔所占比例較多，而其余工況下的最可幾孔徑仍為62.5 nm左右.

4)基于熱力學(xué)關(guān)系的分形模型在整個(gè)孔徑范圍內(nèi)具有統(tǒng)一的分形維數(shù)，且分形特征顯著.該模型適用于求解干熱環(huán)境中混凝土的分形維數(shù).

5)干熱環(huán)境下噴射用混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系模型回歸效果顯著.該數(shù)學(xué)模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可以準(zhǔn)確地描述強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量關(guān)系.