隧道衬砌混凝土的热力耦合室内试验研究

王 薇 ，姚雪丹 ，高贵强

（中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075）

隧道内发生火灾后，衬砌混凝土的破坏对隧道结构的承载能力造成非常严重影响，因此，有必要对受火后隧道衬砌混凝土的损伤特征进行研究.

隧道衬砌火灾下的损伤研究主要集中在2 个方面，其一是衬砌结构在火灾下的温度场、力学行为及损伤评估研究，如：Pichler 等[1]研究了不同荷载和不同火灾等级条件下，混凝土水化对结构强度和弹性模量的影响及衬砌结构应力和变形状况；闫治国等[2]进行了不同荷载-温度工况下钢纤维与钢筋混凝土管片的高温试验研究，获得了火灾下管片的力学响应及性能；李忠友等[3]研究了受火时间对隧道衬砌结构变形的影响规律，从理论上为隧道衬砌结构安全评估提供了参考；Yan 等[4]开展了全尺寸盾构隧道衬砌在标准升温曲线（ISO-834）下的火灾试验；郭军等[5]依托港珠澳海底沉管隧道工程，采用明火试验与数值模拟方法研究了沉管隧道管节在高温下的分布及防火技术方案；Qiao 等[6]得到了火灾发展全过程下隧道衬砌的温度和应力随时间的变化规律；Zhang等[7]通过数值模拟研究冲击荷载和火灾对衬砌的破坏，结果表明，随着静载比和动载比的增大，衬砌的耐火性能将显著降低；王明年等[8]提出了关于混凝土在火灾下发生剥落的循环算法，研究发现，隧道衬砌混凝土结构在火灾高温下发生剥落的主要原因是结构内部逐渐增大的热应力.其二是衬砌混凝土材料在高温下及高温后的力学性能研究，如：Chan 等[9]研究了高温后高强混凝土的抗压强度变化规律；黄涛等[10]通过试验研究表明，强度高的高性能混凝土抗火性能却比较差；Ma 等[11]综述了部分已有研究中零载下立方体混凝土高温后抗弯强度、残余抗压强度、劈裂强度等力学性能的试验结果；Du 等[12]测定了混凝土试件的抗压强度，发现混凝土的抗压强度随等效火焰暴露时间（EFET）值的变化成反比；张秋实等[13]采用室内耐火试验，研究高温环境下钢筋混凝土结构内温度传播规律.

然而，上述学者仅研究了衬砌混凝土受火后的物理特性变化，未将其变化规律与混凝土的宏观劣化特征建立联系.本文拟采取试验手段，设计一套热力耦合试验方案，从衬砌混凝土材料角度出发，探究不同热荷载及不同粗骨料含量下衬砌混凝土受火前后表观损伤特征、质量变化及强度损失变化，揭示粗骨料含量及受火时间对混凝土损伤的影响规律.

1 试验方案设计

1.1 原材料及配合比

试验试块为C50 混凝土.试验材料包括：P.O42.5普通硅酸盐水泥，密度为3 140 kg/m3；粗骨料为石灰岩碎石，公称粒径为5～20 mm，密度为2 680 kg/m3；细度模数为2.6 的中砂，2 区级配，级配良好，密度为2 600 kg/m3；I 级F 类粉煤灰，密度为2 600 kg/m3；S95 级矿渣，密度为2 900 kg/m3；聚羧酸高性能减水剂；自来水.混凝土配合比如表1 所示.

1.2 试样制备

参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）[14]制作边长为100 mm 立方体小试块，然后在温度为（20±5）℃的环境中静置24.0 h 进行脱模，拆模后放入氢氧化钙饱和溶液中养护28 d，养护完成后取出待用.

1.3 试验工况

试验工况设置情况见表2.表中：WA1-WA3 均为40%粗骨料含量混凝土；WB 为40%粗骨料含量混凝土；WC 为20%粗骨料含量混凝土.

1.4 试验方法

1.4.1 衬砌混凝土热力耦合试验

该试验旨在模拟隧道衬砌混凝土实际受火特点，因此，对试件进行热力耦合试验，即恒载加温，受火与一般的混凝土试块受火特点不同，属于非均匀单面受火.加热仪器采用YFFG768/10QK-3GC 型箱式电阻炉，火灾按照ISO-834 标准升温曲线加载，时间设定为0、0.5、1.0、2.0 h.明火升温试验过程中，因燃油燃烧不充分等原因，使得实际电阻炉升温曲线与ISO-834 标准升温曲线有一定的差距，但并不影响试验结果[15].

对电阻炉进行改装后，设计了一套热力耦合试验装置，如图1 所示.本试验拟对试块施加35%预载.40%粗骨料含量混凝土受火1.0 h 的试块为第1 次试验试块，荷载比施加至32%，在试验完成后试验炉降温过程中，棱柱体辅助试块出现破坏，据此，后续试验中，为保证试验顺利进行，载荷比均采用28%.本试验需要注意2 点：一是电阻炉的密封，否则不仅炉内温度无法达到目标要求，而且对电阻炉的损伤较大；二是加载过程中要注意对中，否则加载时容易压弯，不能单轴受力，且易发生翘曲，安全隐患大.

图1 热力耦合试验装置Fig.1 Thermo-mechanical coupling test device

本文采用平行试验方案获得衬砌温度场分布，试块中内置热电偶，温度测点分布如图2 所示，沿试块厚度方向，每隔20 mm 设置一个测点.对不同粗骨料含量混凝土在不同受火时间下的温度进行测量.

图2 电偶布置立面Fig.2 Elevation of electric dipole arrangement

1.4.2 衬砌混凝土静载试验

本文通过静载试验主要得到混凝土的抗压强度，测试方法按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）[14]进行，静载试验共进行了3 次，第1 次为28 d 强度测试，之后2 次分别在热力耦合试验前和试验后.

2 结果分析

2.1 温度场分析

本文主要关注受火结束后混凝土内部温度场的分布.由于受火时间及粗骨料含量对混凝土内部温度场分布有较大影响，受火结束后，混凝土内部温度场呈现显著差异，釆用麦夸特法 及通用全局优化法 对受火时间t、距受火面距离d及温度T等变量进行非线性拟合.鉴于在不同骨料含量及受火时间下，混凝土内部温度随深度变化较大，难以从物理上的相互关系得出函数表达式.为更清晰地体现骨料含量/受火时间、温度与距受火面距离的关系，现对三者数据进行拟合.

受火1.0 h 下，各骨料含量下温度与距受火面间拟合结果如式（1）.

式中：T（x,d）为随骨料含量x和距离d变化的温度值.

依据式（1），可以得出隧道中以ISO-834 曲线升温的火灾，某一粗骨料含量混凝土内部任一点的温度值.拟合响应曲面如图3 所示，相关系数R2=0.999，表明拟合效果良好.

图3 温度、粗骨料含量与受火面距离关系响应Fig.3 Response relationship among temperature, coarse aggregate content, and distance of fire exposure surface

同样地，同一粗骨料含量下，温度值随受火时间及距离的不同而变化，此处对40%粗骨料含量混凝土的三者之间关系进行拟合，如式（2）.

式中：T(t,d)为随受火时间和距离变化的温度值.

依据式（2），可以得出在隧道中以ISO-834 曲线升温的火灾，其结构内某时刻某点的温度值.

响应曲面如图4 所示，拟合相关系数R2=0.999，表明拟合效果良好.

图4 温度、受火时间与受火面距离关系响应图Fig.4 Response relationship among temperature, fire exposure time, and distance of fire exposure surface

隧道衬砌中钢筋保护层厚度约为5 cm，考虑到钢筋半径，则钢筋中心距受火面总距离约 6 cm，参考《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）[16]中对钢筋温度的要求为不超过300 ℃，根据式（2）可知，在隧道火灾以ISO-834 曲线升温时，40%粗骨料含量衬砌在受火2.0 h 后，钢筋温度未超过规范值，低粗骨料含量衬砌混凝土导热性更差，因此，各粗骨料含量下衬砌混凝土钢筋位置处温度不会超过规范值.在隧道结构防火设计过程中，在确定防火保护措施、消防设置响应救援时间等参数时可参考该数据进行分析.

2.2 表观损伤分析

混凝土在受火后，表面劣化情况最为明显，表观特征在一定程度上能反映混凝土的性能特性，并能作为判定混凝土损伤程度的一个重要依据.现将各混凝土热力耦合后表面情况进行分析.不同粗骨料含量混凝土受火1.0 h 后受火底面情况见图5，各混凝土受火表面有孔洞及边框，是制作时留下的.受火1.0 h 后，底面温度达750 ℃左右，受火表面呈现浅灰色，均出现分布较多的裂隙及裂纹，裂纹呈羽毛状，其中20%、30%、40%粗骨料含量混凝土表面的最长裂缝长度分别约为2.0、2.4、2.6 cm；细小裂纹交叉程度随粗骨料含量增加而减小.

图5 不同粗骨料含量混凝土受火底面Fig.5 Bottom view of concrete with different coarse aggregate contents under fire

混凝土侧面如图6所示.由图6 可知：在受火侧面，不同粗骨料含量混凝土接近受火面底部均有竖向分布裂缝；20%粗骨料含量混凝土裂缝数量较多，在距底部2.0 cm 范围内，明显裂缝有8 条，交叉分布且较密，在距底部2.0～5.0 cm 范围内，裂缝数量减少，此时大多为细微裂纹，未相互连接，5.0 cm 至试块顶面，几乎无裂纹出现；30%粗骨料含量混凝土在距底部1.7 cm 范围内裂缝分布较密，可以看到2～3 条较粗的裂缝，交叉分布裂纹较少；在1.7～3.8 cm范围内，仅有少量裂缝延伸，3.8 cm 至试块顶面，无肉眼可见裂缝出现；40%粗骨料含量混凝土侧面有2 条较宽的裂缝，裂缝主要分布在距底面1.0 cm 区域内且不呈交叉分布，为单个裂缝独立分布，在1.0 cm区域外部，仅有少量裂缝向外延伸，整体的裂缝区域约为1.7 cm.

图6 不同粗骨料含量受火侧面Fig.6 Side view of different coarse aggregate contents under fire

因此，受火侧面裂缝衍生受粗骨料含量影响较大，粗骨料含量越多，裂缝向表面的衍生能力越差.受火底面及侧面的损伤情况表明，混凝土粗骨料含量越高，抵御火灾风险的能力越强.

现对混凝土在不同受火时间下的损伤情况进行分析，受火底面如图7 所示，受火侧面如图8 所示.

图7 不同受火时间下混凝土受火底面Fig.7 Bottom view of concrete under different fire exposure time

图8 不同受火时间下混凝土受火侧面Fig.8 Side view of concrete under different fire exposure time

由图7 可以看出：不同受火时间下，混凝土受火面损伤情况不同，受火时间越长，底面损伤越严重；混凝土仅在28%预载下时，表面无变化，未出现裂缝；受火0.5 h 后，混凝土受火面温度达到500 ℃，受火面颜色变浅，表面有少许微裂纹形成，但裂纹数量少，宽度小，约0.05 mm；受火1.0 h 后，温度达到750 ℃，表面有3 条较宽的裂缝，细小裂缝分布较多且部分裂缝相互交叉；底面受火2.0 h 后，温度达到800 ℃左右，此时表面已变得发白，底面损伤严重，变得凹凸不平且较脆，有碎屑脱落，局部位置已有骨料露出，粗细裂纹交织到一起，龟裂程度严重.

由图8 可以看出：不同受火时间下，混凝土受火侧面裂缝分布数量较少，多为细微裂纹，沿纵向延伸，分布于距受火面1.0 cm 内.所以，在40%粗骨料含量混凝土中，受火时间对受火侧面纵向裂纹的延伸影响较小.由此可见，40%粗骨料含量的混凝土抗火能力较强.另外受火时间对混凝土的劣化影响明显，时间越长，表面破坏越严重，在2.0 h 受火时间下表面开始剥落.

2.3 宏观质量变化分析

在火灾作用下，混凝土会因为水分蒸发及内部成分的变化而出现质量不断变化的现象.取各工况下（不同受火时间、不同粗骨料含量）试块，在试验前及试验后称得各试块质量，精确到1 g，按式（3）计算质量损失，按式（4）计算质量损失率，结果见表3.表中：m1为试块热力耦合前的质量（g）；m2为试块热力耦合后质量（g）；Δm为质量损失（g）；α为质量损失率.

由表3 可知，相同粗骨料含量混凝土中，随着受火时间的增加，混凝土质量损失率逐渐增加，这是因为温度的不断升高使得混凝土内部出现许多的物理及化学反应.在100～300 ℃时，混凝土中自由水蒸发，结晶水分解，造成质量损失；300～500 ℃水化产物C-S-H 开始破坏分解，Ca（OH）2也开始少量分解，质量损失进一步增加；600 ℃及更高温度下，CS-H 凝胶、CaCO3逐渐大量分解，导致混凝土质量损失进一步增加.不同骨料含量下，混凝土质量损失率随粗骨料含量增加而下降.20%粗骨料含量下，质量损失率可达8.14%，30%及40%粗骨料含量混凝土质量损失率分别为5.42%、4.10%.由此可见，粗骨料含量越高，质量损失越明显.这是因为，粗骨料含量较高的混凝土中，砂浆含量低，在高温作用下可被分解的水化产物减少，质量损失率自然也降低.

2.4 抗压强度分析

混凝土抗压强度是其最基本的力学性能.热力耦合作用后混凝土发生损伤，抗压强度作为表征抗火性能的重要参数，可以作为评定混凝土损伤程度的指标，因此，对热力耦合后混凝土抗压强度展开研究具有重要意义.

试块按标准养护条件养护28 d 后，对不同粗骨料含量混凝土试块进行了抗压强度测试，测试结果如表4 所示.

表4 28 d 混凝土抗压强度值Tab.4 Concrete compressive strength value after 28 d

由表4 可知：该配合比下混凝土强度大于设计强度50 MPa，满足要求；随着粗骨料含量的增加，混凝土的抗压强度逐渐增加，且粗骨料含量由30%增至40%对抗压强度的提高幅度明显高于粗骨料含量由20%增至30%所引起的.20%、30%、40%粗骨料含量混凝土的总骨料体积分数分别为50%、60%及70%，从而验证本文所发现的强度变化规律与已有研究成果相一致[17].

混凝土的破坏特征明显，呈楔形破坏，四周全部剥落，中心呈细腰状，如图9 所示.

图9 混凝土破坏特征Fig.9 Concrete damage characteristic

热力耦合试验前，即试件养护完成后90 d 左右，测得各试验试块的抗压强度，结果如表5 所示.

定义强度损失率为

式中：σ0为混凝土初始强度；σs为混凝土残余强度.

当f=0 时，表明混凝土强度未损失；当f=1时，表明混凝土强度完全丧失；当f< 0 时，表明强度值得到增强.

首先分析不同骨料混凝土在不同龄期下的强度变化.试验前距试块养护完成约90、28、90 d 强度值变化情况如表5 所示.

由表5 可知：混凝土强度随龄期的增长而增大；混凝土强度的增长变化率随粗骨料含量的增大而减小，表明粗骨料含量高的混凝土的后期强度比较稳定，但粗骨料含量低的混凝土由于砂浆含量高，后期砂浆在不断硬化的过程中增强了整体混凝土的强度.

不同粗骨料含量混凝土受火 1.0 h 下强度损失如表6 所示.

表6 不同粗骨料含量下的抗压强度损失率Tab.6 Compressive strength loss rate under different coarse aggregate contents

由表6 可知：20%粗骨料含量混凝土强度损失率最大，为13.2%，粗骨料含量在20%～30%，强度损失率呈递减趋势，但不影响整体规律；相同荷载比情况下，随着粗骨料含量的增加，强度损失率呈下降趋势.

下面对火灾试验后混凝土强度损失率进行分析.40%粗骨料混凝土在不同受火时间下的强度损失率如表7 所示.

由表7 可以看出，在受火0 h 即混凝土仅受28%的预载而未受火灾的作用时，混凝土的强度损失率为负，表明混凝土强度不降反增，而其他试块在耦合作用下，混凝土均有强度损失，受火时间越长，强度损失越大.

综合抗压强度分析结果，不同龄期下，混凝土抗压强度随粗骨料含量变化的规律不同.养护28 d后，抗压强度值随粗骨料含量的增加而增加，90 d 龄期后，混凝土抗压强度值显著提高，但低粗骨料含量混凝土的抗压强度值更高.在相同热力耦合作用后，随着粗骨料含量的增加，强度损失率呈下降趋势.这表明低粗骨料含量混凝土虽然在较长龄期后抗压强度值相对较高，但其抗火能力更弱，耐久性差，不利于隧道的安全运营.因此，在实际工程中不宜使用低粗骨料含量混凝土.

3 结 论

本文以衬砌混凝土实际受火特点为基础，通过自主设计的一套热力耦合试验装置对火灾后衬砌混凝土的宏观损伤特征展开研究.

1） 探究了热力耦合下混凝土损伤特征受粗骨料含量及受火时间的影响规律.不同受火时间下，混凝土内各点温度随受火时间的增加而增加；不同粗骨料含量下，混凝土粗骨料含量越高，温度传导速度越快，相同位置处温度值越大.

2） 建立了相同受火时间下温度、粗骨料含量、距受火面距离三者之间的定量方程及同一骨料含量下温度、受火时间、距受火面距离三者之间的定量方程求解混凝土内部温度场.

3） 对混凝土的质量损失和抗压强度损失特征进行分析，受火时间越长，混凝土质量损失越多.混凝土质量损失率与粗骨料含量成反比，粗骨料含量越低，质量损失率反而越高，得到高含量的粗骨料混凝土更有利于隧道的安全.