趙鳴一 李福海 蔣昊宇 狄秉臻

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 614202;3.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,杭州 310058)

1 研究背景

近年來(lái),隨著隧道施工技術(shù)的不斷進(jìn)步,隧道建設(shè)逐漸向長(zhǎng)大深埋方向發(fā)展。深埋隧道由于其埋深大,穿越的不同地質(zhì)單元多,因而除了具有一般淺埋隧道的工程地質(zhì)問(wèn)題外,還有一系列特殊的比淺埋隧道更為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題,其中較為突出的就是高溫地?zé)釂?wèn)題。

通常,當(dāng)?shù)販爻^(guò)30 ℃時(shí),便稱為熱害(高地溫),隧道工程中若發(fā)生高地溫問(wèn)題,一方面將惡化作業(yè)環(huán)境,降低勞動(dòng)生產(chǎn)率,并嚴(yán)重威脅到施工人員的生命安全;另一方面將影響到施工材料的選取和工程材料的耐久性。而且由于產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力還將引起襯砌開(kāi)裂,錨桿灌漿料收縮開(kāi)裂,界面剪應(yīng)力產(chǎn)生突變,嚴(yán)重影響隧道的穩(wěn)定性。

日本的安房公路隧道施工過(guò)程中有蒸汽噴出,溫度達(dá)75 ℃[1];高黎貢山鐵路特長(zhǎng)隧道勘察預(yù)測(cè)洞線部位溫度超過(guò)70 ℃[2];云南黑白水3級(jí)水電站引水隧洞熱水涌出,溫度達(dá)62 ℃[3];祿勸鉛廠水電站引水隧洞極端溫度達(dá)76 ℃[4]。這些工程實(shí)例顯示,在極端條件下,水泥灌漿料可能會(huì)遭遇到70 ℃左右的高溫?？v觀之前學(xué)者的研究,袁廣林[5]從水泥灌漿料在高溫下強(qiáng)度退化的角度進(jìn)行了研究;馮世賢[6]研究了高溫下水泥灌漿料黏結(jié)強(qiáng)度的變化;張藝?guó)漑7]研究了高溫和高壓均可提高H級(jí)油井水泥早齡期的抗壓強(qiáng)度;余瓊[8]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了常溫下帶肋鋼筋與灌漿料間的粘結(jié)滑移性能。但均未進(jìn)行收縮方面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。可見(jiàn),工程學(xué)界對(duì)高溫地?zé)釛l件下的水泥灌漿料收縮方面的的研究鮮見(jiàn),可參照的實(shí)驗(yàn)資料較少,因此對(duì)高溫下水泥收縮性質(zhì)的研究是具有必要性與重要性的[8]。

2 試驗(yàn)原理和設(shè)備

2.1 試驗(yàn)思路

縱觀國(guó)內(nèi)外的工程經(jīng)驗(yàn),采用控制溫度及溫度梯度、摻入減縮劑和加入一定摻量的摻和料都是十分常用的抗收縮手段[9],而又經(jīng)濟(jì)性和易行性上來(lái)考慮,在水泥灌漿料中摻入摻和料是極具性價(jià)比的方案。所以我們考慮采用摻入摻和料的方式來(lái)處理高溫下水泥灌漿料的收縮問(wèn)題。但由于大多數(shù)地下工程構(gòu)筑物都有較高的時(shí)效性要求,而在高溫條件下,有機(jī)摻和料可能會(huì)面臨老化問(wèn)題,所以本實(shí)驗(yàn)只由無(wú)機(jī)摻和料入手,對(duì)不同種類的無(wú)機(jī)摻和料進(jìn)行研究[10]。

2.2 原材料

本試驗(yàn)中水泥采用四川都江堰拉法基水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P·O 42.5R,密度為2.921 g/cm3;拌合水使用機(jī)制蒸餾水;水泥砂漿試件中采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂;使用的摻和料包括:遂寧熱電廠生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰,密度為2.059 g/cm3;成都恒瑞源環(huán)保材料有限公司生產(chǎn)的SF-92型硅灰;河北霸州市東升鋼纖維廠生產(chǎn)的直徑為0.25 mm,長(zhǎng)度為13 mm的短鋼纖維;四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的直徑為9～18 μm的玄武巖纖維;中國(guó)內(nèi)蒙古超牌偏高嶺土有限公司生產(chǎn)的KAOPOZZTM高活性偏高嶺土;成都混凝土新建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉,密度為4.25 g/cm3的重晶石粉。

2.3 配合比

為保證對(duì)照實(shí)驗(yàn)效果,本實(shí)驗(yàn)共計(jì)設(shè)置了三組對(duì)照實(shí)驗(yàn),其中第一組試驗(yàn)(編號(hào)為1-1至1-4)中的純水泥試件水灰比分別定為0.350、0.380、0.415及0.450共計(jì)制作四組試件,每組三個(gè)。水泥砂漿試件(編號(hào)為1-5至1-8)砂率固定為0.5,水膠比分別為0.300、0.350、0.380及0.415。與純水泥試件相同,制作四組試件,每組三個(gè)。主要目的是探究純水泥試件和水泥砂漿試件在70 ℃下的收縮情況,通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)觀察水膠比對(duì)純水泥試件和水泥砂漿試件收縮的影響。

試件2-1至2-8均為純水泥試件,水膠比固定為0.38,分別摻入2%玄武巖纖維,10%重晶石粉,30%礦粉,30%粉煤灰,15%硅灰,2%短鋼纖維,10%偏高嶺土粉,并設(shè)置一組不摻添加料的對(duì)照組,共計(jì)八組試件。

試件3-1至3-6均為純水泥試件,水膠比仍固定為0.38,分別摻以不同種類和摻量的添加料,主要目的是為了探究在實(shí)驗(yàn)二中抗收縮性較好的三種摻合料的摻量與抗收縮能力的關(guān)系。其具體添加料類型和摻量見(jiàn)表1。

2.4 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)首先按照表1中的配比成型試件1-1至1-8。使用25 mm×25 mm×275 mm的鋼鑄模具制作試件,并在試件縱向兩側(cè)預(yù)埋銅質(zhì)探頭,以方便測(cè)量并提高測(cè)量精度。試件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

表1各組試驗(yàn)配合比

Table 1Mix proportion in each test

圖1 試件結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.1 Specimen structure (Unit:mm)

為方便成模、防止偶然誤差及作為安全儲(chǔ)備考慮,每組水灰比均制作了三個(gè)相同的試件。制作方法為,將鋼鑄模具拆開(kāi)清洗擦干后并均勻地涂上機(jī)油,之后再次組合成磨具待用;使用精確的電子天平(精度為0.1 g)稱量水泥與砂,使用量筒量取蒸餾水,按相應(yīng)配比混合后在小型機(jī)械水泥攪拌器中按照慢速攪拌30 s-快速攪拌60 s-慢速攪拌30 s的程序,使水泥漿充分混合均勻。同時(shí)將所有試件的制作時(shí)間控制在兩小時(shí)內(nèi)。將各試件分別標(biāo)記,編號(hào)后在室溫下養(yǎng)護(hù)成型。24小時(shí)后,拆除模具,立刻使用檢驗(yàn)合格的專用千分尺量取初長(zhǎng)值,記為第1天,記錄后放入已預(yù)熱的70 ℃的恒溫烘箱中。接下來(lái)的7天,每天使用千分尺量取試件長(zhǎng)度并記錄,在記錄過(guò)程中,控制試件暴露在室溫空氣中的時(shí)間小于10 s。第8天至第14天,每隔48小時(shí)對(duì)試件進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。

完成上述試驗(yàn)后,以同樣的成型、養(yǎng)護(hù)和測(cè)量方法完成表1中的試件2-1至2-8,每個(gè)試件均制作三個(gè)。分別在試件成型后第1天至第7天每隔24小時(shí)觀測(cè)測(cè)量一次,第8天至第14天每隔48小時(shí)測(cè)量一次,第14天至第28天每隔7天觀測(cè)一次。

完成上述試驗(yàn)后,取出其中收縮率小于純水泥試件的幾組,以同樣的成型、養(yǎng)護(hù)和測(cè)量方法完成表1中的試件3-1至3-6,并按時(shí)測(cè)量其長(zhǎng)度并記錄。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將試件3-1至3-8的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后,按照下述公式處理:

(1)

圖2 不同水灰比的純水泥試件收縮率Fig.2 Shrinkage ratio of cement specimens with different W/B

由數(shù)據(jù)分析不難看出,在高溫條件下,純水泥和水泥砂漿的收縮特性與常溫下相似,具體表現(xiàn)為:早期(3 d內(nèi))收縮較大,之后收縮逐漸變緩。收縮情況并不與水膠比成線性關(guān)系,在純水泥試件中,當(dāng)水膠比為0.30和0.38時(shí),雖然前期收縮和其他水膠比的試件差距不大,但14 d內(nèi)的總收縮明顯小于其他三組試件,此處可以說(shuō)明在70 ℃的高溫情況下,較小的水膠比可以降低純水泥試件在14 d內(nèi)的收縮。水泥砂漿試件在70 ℃的高溫條件下的收縮總體小于純水泥試件,但砂漿試件的收縮主要集中在前5天。此外,較小的水膠比會(huì)同樣會(huì)減小水泥砂漿的收縮。

按照同樣的方法整理試件2-1至2-8的數(shù)據(jù)后,繪出了70 ℃下水泥砂漿摻入不同摻合料的收縮分析圖,如圖4所示。天數(shù)(d) 2%玄武巖纖維組、10%重晶石粉組、30%粉煤灰組、2%短鋼纖維組均在28天內(nèi)在70 ℃高溫下對(duì)水泥的收縮有不同程度的抑制作用,其中30%的粉煤灰組抑制效果最好,2%的玄武巖纖維、10%的重晶石粉和2%的短鋼纖維組均有不同程度的抑制效果。其他組的收縮均大于對(duì)照組。

圖4 不同摻合料的水泥砂漿試件的收縮率Fig.4 Shrinkage ratio of cement slurry with different mineral mixture

按照同樣的方法整理試件3-1至3-6的數(shù)據(jù)后,繪出70℃下水泥砂漿摻入不同摻量的摻合料的收縮率與時(shí)間關(guān)系圖,分別如圖5-圖7所示。

圖5 摻入不同含量的玄武巖纖維的水泥試件收縮率Fig.5 Shrinkage ratio of cement specimens with different proportion of basalt fiber

從圖5中不難發(fā)現(xiàn),在2%的摻量范圍內(nèi),玄武巖纖維的摻量越高,其抗收縮的效果越好,且當(dāng)摻量達(dá)到2%時(shí),抗收縮效果較摻量為1%提高了接近1倍。

圖6 摻入不同含量的重晶石粉的水泥試件收縮率收縮曲線Fig.6 Shrinkage ratio of cement specimens with different proportion of barytes in powder

圖7 摻入不同含量的粉煤灰的水泥試件收縮率Fig.7 Shrinkage ratio of cement specimens with different proportion of short fiber steel

由圖6、圖7可見(jiàn),在本實(shí)驗(yàn)研究的范圍內(nèi),提高水泥砂漿中重晶石粉和粉煤灰的摻量,有利于抵抗其收縮的效果。

4 討論與分析

對(duì)以上的結(jié)果,研究普遍認(rèn)為當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),水泥中的水分蒸發(fā)較常溫條件下快。同時(shí)有文獻(xiàn)[11]顯示,存在于膠體和晶體表面的自由水,當(dāng)空氣相對(duì)濕度低于98%時(shí),即可蒸發(fā)。而存在于毛細(xì)孔中的毛細(xì)孔水,當(dāng)相對(duì)濕度低于98%時(shí)也可開(kāi)始蒸發(fā);存在于膠體中的膠孔水及存在于凝膠之間的層間水,當(dāng)空氣相對(duì)濕度低于40%時(shí),便開(kāi)始蒸發(fā)。在本實(shí)驗(yàn)中人工制造的高溫條件下,其相對(duì)濕度較低。高溫及低濕度這兩個(gè)條件的共同作用下,試件中的水分快速蒸發(fā),在試件內(nèi)部的空隙中形成了負(fù)壓,導(dǎo)致水泥試件被進(jìn)一步壓縮,產(chǎn)生了收縮。此外,快速的水分蒸發(fā)導(dǎo)致了水泥試件中毛細(xì)孔的數(shù)量增多或體積增大,更多的毛細(xì)孔和更大的空隙體積導(dǎo)致水泥在硬化時(shí)水分會(huì)趨于空隙流動(dòng),水的表面張力導(dǎo)致水泥的自收縮現(xiàn)象進(jìn)一步加劇。對(duì)于水泥砂漿的抗收縮性好于純水泥的現(xiàn)象,本研究認(rèn)為沙子填充了一部分水泥中的空隙,導(dǎo)致了毛細(xì)孔自收縮現(xiàn)象的減弱,同時(shí)沙子有一定的黏聚性,水的表面張力會(huì)使得一部分水分黏附在沙子上,提升了保水性能,從而減弱了收縮[12]。同時(shí),由于干燥引起的 C-S-H 凝膠顆粒的重排,產(chǎn)生了密度的永久性變化,進(jìn)而產(chǎn)生了收縮[13]。

另一方面,隨著水泥水化的進(jìn)行,雖然固相體積不斷增大,導(dǎo)致水泥顆粒間緊密接觸,使水泥石強(qiáng)度增加,但是固相和液體的總體積卻在不斷減少,由此導(dǎo)致了化學(xué)收縮。水泥石由于化學(xué)收縮作用,內(nèi)部孔隙水處于不飽和狀態(tài),出現(xiàn)自干燥現(xiàn)象,并由于毛細(xì)管張力作用導(dǎo)致水泥石外觀體積收縮[14]。

就結(jié)論上分析,鋼纖維可以有效抑制水泥灌漿料的收縮,其原因有以下幾點(diǎn):第一,水泥開(kāi)始收縮時(shí),其強(qiáng)度并未達(dá)到能夠抵御收縮的要求,而其中摻雜了鋼纖維后,鋼纖維可有效承擔(dān)其中一部分收縮應(yīng)力;第二,當(dāng)水泥砂漿開(kāi)裂后,在開(kāi)裂尖端部位可能產(chǎn)生應(yīng)力集中,而如果這些裂縫與鋼纖維相交時(shí),鋼纖維可以抵消掉一部分應(yīng)力集中,并可將單向的收縮應(yīng)力分散為三維的受力狀態(tài),降低應(yīng)力集中程度,阻止了開(kāi)裂,一定程度上也阻止了收縮的發(fā)生。[15]

從文獻(xiàn)上了解到[16],在水泥灌漿料中摻入玄武巖纖維后,由于水泥試件表層存在纖維,減少了水泥與空氣的接觸面積,導(dǎo)致其失水減緩;表面的纖維對(duì)水分的遷移有阻止作用,水分在試件表面的遷移變得更加困難,毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力會(huì)減弱,都導(dǎo)致了收縮的減緩。另外,水泥灌漿料中的玄武巖纖維分散在整個(gè)試件中,一方面纖維材料通過(guò)摩擦力、吸附粘結(jié)力等和機(jī)械耦合力可以承受一定的拉應(yīng)力,一定程度上提高了水泥漿體的開(kāi)裂抗拉強(qiáng)度;另一方面,裂縫開(kāi)裂,裂縫與纖維相交時(shí),拉伸的纖維可能會(huì)消耗部分水泥漿體開(kāi)裂的能量,從而降低了收縮。這幾方面綜合的影響有效地降低了水泥灌漿料的收縮。

有研究顯示[17],摻入重晶石粉的混凝土的收縮會(huì)隨著重晶石粉的摻量增加而減小,但將其摻入水泥砂漿的研究鮮見(jiàn)。本實(shí)驗(yàn)顯示,在8%～12%的摻量范圍內(nèi),摻入12%的重晶石粉能夠較好地減弱水泥砂漿的收縮。但其他摻量是否會(huì)得到更好的抗收縮效果,還需要進(jìn)一步研究。

對(duì)于粉煤灰摻和料,相關(guān)研究[18]已經(jīng)非常深入。粉煤灰能夠有效降低水泥石的早期收縮,但這種影響程度與粉煤灰的用量及特性有關(guān)。粉煤灰慢水化特性能夠間接增加早期水泥石的有效水灰比,從而降低水泥石的早期自干燥速率,后期粉煤灰的繼續(xù)水化使水泥石內(nèi)部自干燥程度提高,但是此時(shí)水泥石已有較高的彈性模量,因此能夠有效減小水泥石收縮。

圖5-圖7呈現(xiàn)了與常溫下的水泥收縮相似的規(guī)律,對(duì)于粉煤灰摻合料,收縮率與其摻量成負(fù)相關(guān)的原因很容易推測(cè),即更少的水泥帶來(lái)了更好的抗收縮表現(xiàn)。另一方面,增加一些纖維材料的摻量也可以阻止水泥試件的收縮。玄武巖纖維、短鋼纖維等有一定的抗拉效果。分別摻入30%礦粉、15%硅灰以及10%偏高嶺土粉在高溫條件下對(duì)水泥砂漿試件的收縮有促進(jìn)作用。

5 結(jié) 論

(1) 在70 ℃下,水泥砂漿和純水泥的收縮規(guī)律與常溫相類似,水泥收縮主要集中在前3～5 d,此后收縮逐漸變緩并趨于穩(wěn)定,較小的水灰比可以使得水泥砂漿的收縮減小。此外,水泥砂漿在高溫下的收縮遠(yuǎn)小于純水泥試件。

(2) 在70 ℃下,摻入合理?yè)搅康姆勖夯?、玄武巖纖維、重晶石粉和短鋼纖維可以有效抑制水泥灌漿料的早期收縮。在本實(shí)驗(yàn)中,摻入2%的玄武巖纖維、12%的重晶石粉和30%的粉煤灰具有明顯的抗收縮效果。而摻入15%的硅灰、10%的偏高嶺土粉以及30%的礦粉有加劇水泥灌漿料早期收縮的趨勢(shì)。

(3) 玄武巖纖維、粉煤灰和重晶石粉的摻量直接影響水泥砂漿在高溫下的抗收縮性能,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),都存在“摻量越高,抗收縮效果越顯著”的關(guān)系。其中,摻入2%的玄武巖纖維可以有效改善水泥砂漿高溫條件下的早期收縮;重晶石粉摻量為12%時(shí),在70 ℃條件下的抗收縮效果最好;而粉煤灰摻量為35%與30%時(shí)的抗收縮能力差距不大,可以認(rèn)為在70 ℃條件下,當(dāng)粉煤灰摻量大于30%時(shí),繼續(xù)增加粉煤灰摻量對(duì)水泥砂漿的抗收縮效果提升不明顯。

致謝感謝同濟(jì)大學(xué)梁發(fā)云教授作為碩士研究生導(dǎo)師對(duì)本文第一作者的學(xué)術(shù)指導(dǎo)與幫助。