公路隧道衬砌混凝土火灾高温下的物理力学损伤规律.pdf

公路交通技术2 0 1 2年 1 2月 第 6期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t D e c 2 0 1 2 N o 6 公路隧道衬砌混凝土火灾高温下的物理力学损伤规律 林 志 ， 郭 军 ， 李 强 ( 1 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆4 0 0 0 6 7 ； 2 隧道建设与养护技术交通行业重点实验室，重庆4 0 0 0 6 7 ； 3 四川高速公路建设开发总公司， 成都6 1 0 0 4 1 ) 摘要： 围绕公路隧道衬砌混凝土火灾高温下的物理力学损伤特征， 通过大量的公路隧道衬砌混凝土试件烧蚀试 验， 及试件烧蚀后的探伤试验( 超声波法、 回弹法) 、 强度试验和刚度试验， 系统研究国内公路隧道 C 2 0C 3 5常用混 凝土标号区间的混凝土材料火灾损伤， 给出各种工况下的损伤规律与表现特征。对公路隧道衬砌结构温度损伤形 式进行划分， 对混凝土材料的火灾后力学性能进行归纳分析， 建立衬砌混凝土外观和力学指标与火灾温度的定性、 定量关 系， 总结提 出衬砌混凝土损伤等级 ， 为定量与定性评价公路 隧道衬砌混凝土损伤状况提 供试验依 据。 关键词： 公路隧道； 衬砌； 混凝土； 火灾； 高温； 物理力学 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 9 2 0 5 中图分类号： U 4 5 9 2 文献标识码： A Ru l e s o f Ph y s ic a l a n d Me c h a n ic a l Da ma g e s o f Hi g h Te mp e r a t u r e o f F i r e t o L i n i n g Co n c r e t e i n Hi g h wa y T u n n e l s L I N Z h i 。G U O J u n L I Q i a n g Abs t r a c t ：I n a c c o r d a n c e wi t h t h e f e a t u r e s o f ph y s i c a l a n d me c ha n i c a l da ma g e s o f h i g h t e mpe r a t u r e o f f i r e t o l i n i n g c o n c r e t e i n h i g h wa y t u n n e l s a n d b a s e d o n a bl a t i o n t e s t f o r s p e c i me n s o f l i n i n g c o n c r e t e i n h i g h wa y t u n n e l s ， fl a w d e t e c t i o n t e s t s( u l t r a s o n i c t e s t a n d r e b o u n d m e t h o d )a f t e r a b l a t i o n o f s p e c i me n s ，s t r e n g t h t e s t a n d r i g i d i t y t e s t ，t hi s p a pe r s y s t e ma t i c a l l y s t u di e s a n d a n a l y z e s fi r e d a ma g e s t o ma t e ria l s o f c o n c r e t e a t t h e g r a d e s o f C2 0 C3 5 c o mmo n l y u s e d for d o me s t i c h i g h wa y t u nn e l s a n d p r e s e n t s r u l e s a n d c h a r a c t e ris t i c s o f d a ma g e s u n de r v a rio u s wo r k i n g c o n d i t i o ns Th e p a p e r c l a s s i f i e s t h e for ms o f t e mp e r a t u r e d a ma g e s t o l i n i ng s t r u c t u r e s o f h i g h wa y t u n n e l s ，c a r r i e s o u t i nd u c t i v e a n a l y s i s for me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e ma t e ria l s a f t e r f i r e，e s t a b l i s h e s q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v e r e l a t i o ns b e t we e n a p pe a r a n c e a n d me c h a n i c a l i n d i c a t o r s o f l i n i n g c o n c r e t e a n d fi r e t e mp e r a t u r e，a n d c o n c l ud e s c l a s s o f d a ma g e s t o l i n i n g c o n c r e t e S O a s t o p r o v i d e t e s t b a s e s for q u a l i t a t i v e a nd q u a n t i t a t i v e e v a l ua t i o n o f d a ma g e s t a t us o f l i ni n g c o nc r e t e i n h i g h wa y t u n n e l s Ke y wo r ds：h i g h wa y t u n n e l ；l i n i n g；c o nc r e t e；fir e；h i g h t e mp e r a t ur e；p h y s i c a l a n d me c ha n i c a l 目前国 内外隧道衬砌使用 的材 料主要为混凝 土， 混凝土的火灾物理力学性能是分析隧道衬砌结 构火灾力学行为的基础 。国内外已基于上部建筑开 展了大量混凝土材料火灾物理力学性能试验研究。 而对于公路隧道工程 ， 由于 隧道火灾 升温快 、 温度 高 、 持时长 ， 混凝土结构受 力主要承受压应力 等特 点 ， 导致衬砌混凝土的火灾行为与地面建筑差别较 大 。 清华大学、 同济大学、 西南交通大学和铁道部科 学研究院等单位均就 昆 凝土结构火灾性能进行 了试 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 6 2 8 作者简介 ： 林志( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 四川省南充市人 ， 博士 ， 研究员 验研究 ， 积累了一定 的科研数据 J 。长沙铁道学院 采用 自制试验炉对 C 1 5C 2 0混凝土 6 0个试块进 行了不同燃烧温度量级对隧道衬砌强度损伤程度的 试验研究 J 。姚坚 等 对 C 5 0普通混凝土 、 C F 5 0 钢纤维混凝土和 P C 5 0聚丙烯纤维混凝土试块进行 了高温试验 。我 国公路隧道衬砌混凝土标号绝大部 分位于 C 2 0C 3 5这个区间 ， 而对该 区间进行 的火 灾损伤研究还不够系统和深入。 针对上述情况 ， 本文根据我国公路隧道衬砌结 构所采用的主要混凝 土标号 ， 集 中进行 了大批量混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 第 6期 林志， 等 ： 公路隧道衬砌混凝土火灾高温下的物理力学 陨伤规律 9 3 凝土试块烧蚀试验 ， 研究公路 隧道常用标号混凝 土 的高温损伤规律。 1 混凝土试块烧蚀试验 1 1 试验目的 进行混凝土试块烧蚀试验的 目的是为了探 明公 路隧道 2次衬砌混凝土在不同火灾温度与持续时间 下的混凝土损伤特征与变化规律。混凝土损伤既包 括开裂、 剥落、 色度变化、 酥松等外观变化， 也包括强度、 刚度等内在指标的降低， 因此本次试验的目 标如下。 1 )建立衬砌混凝土强度与刚度等指标与火灾 强度 的量化关 系； 2 )研究公路隧道衬砌混凝 土火灾后的物理外 观指标与温度 和时问之间的定性关系 ； 3 )建立公路隧道衬 砌混凝 土常用标号的火灾 损伤等级。 1 2 试验设备 本次试验采用标准混凝土试块 ， 其尺寸为 1 5 c m 1 5 c mX 1 5 C m。混凝土烧蚀试验采用 S X 2 1 8 1 3型 高温箱式电阻炉 ， 其工作温度最高可达 1 3 0 0 ， 炉 温均匀性 为 5 ， 控温精度 1 O 。S X 2 1 8 1 3 型高温箱式 电阻炉见 图 1 。 图 1 S X 2 1 8 1 3型高温箱式电阻炉 1 3 试验工况 试验主要针对 C 2 0 、 C 2 5 、 C 3 0 、 C 3 5等 4种公路 隧道 2次衬砌常用的混凝土强度等级。烧蚀试验综 合考虑以下因素 。 1 )最高温度。 根据大量公路隧道火灾事故和试验的调查， 公 路隧道火灾最高温度介于 1 0 0 01 4 0 0E 6 1 。本次 试验设定 火灾最高温度 为 1 2 0 0 ( 注 ： 实 际试 验 时， 发现超过 9 0 0时， 混凝土试块已经损伤严重， 自 然冷却放置一段时间， 部分试件完全酥松松弛崩 解 ， 故未进行 1 0 0 0 o C以上高温 的试块试验 ) 。 2 )温度等级 。 调查发现公路隧道火灾最高温度与车辆类型有 关 ， 小汽车火灾中心的最高温度约为 5 0 0 6 0 0， 公交客车火灾 中心的最高温度约为 8 0 0 9 0 0 o C， 重 型货车火灾中心的最高温度约为 1 2 0 0 o C E 6 。由此 本次试验取温度级差低温段为 3 0 0， 高温段按照 1 5 0考虑 。 3 )恒温时间。 混凝土的火灾损伤不仅与最高温度有关， 还与 火灾持续时间有关 。世界上主要火灾标准 曲线 的持 续时间约为 2 3 h ， 国内参考 国外经验将火灾持续 时间取为2 h和4 h 。因此， 为了全面反映各种火灾 温度与持时下 的衬砌损伤行为 ， 在烧蚀试验 中恒温 时间采用 1 、 2 、 4 h 。 4 )同一测试项 目所需样本容量 。 根据 G B 5 0 1 0 7 -2 0 0 9 混凝土强度检验评定标 准 ， 当采用非统计方法( 样本量最小) 评定时， 用于 评定的样本试件组数不应少于 3 组。本次试验执行 该国家标准， 每批试件分3组， 每组 3 个试件。 试件分批按照预定 的 3 13 0 、 6 0 0、 7 5 0 、 9 0 0 o C进行 持续 时间等级 1 、 2和 4 h的试验。为保证受热 均 匀 ， 每批次仅烧蚀 3个标准试件 。 2 物理损伤特征 通过对本次试验以及国内外混凝土材料火灾损 伤研究资料的进一步分析与调研， 将公路隧道衬砌 结构在火灾下的物理、 力学、 化学等各种损伤形式进 行归类统计 ， 如表 1 所示。 表 1 公路隧道衬砌火灾损伤形式归类 材料 表观形式 内部形式 衬砌结构损伤后果 爆裂 化学变化 变色 晶体结构改变 烧酥 胶凝材料改性 混 凝 土 ： ： 誓 脱水 强度降低 密度降低 弹性模量降低 体积增大 高温软化 晶体结构变化 钢筋 弹性模量降低 屈服强度降低 极限强度降低 1 力学 性能 劣 化 2 承载力下降 3 耐久性降低 4 结构开裂、 变 形、 失稳垮塌 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 第 6期 林志 ， 等： 公路隧道衬砌混凝土火灾高温下的物理力学损伤规律 9 5 3力学性能劣化 当火灾温度超过 3 0 0时 ， 混凝土 中的水 泥凝 胶脱水导致水泥砂浆收缩 ， 而骨料受热膨胀 ， 两者 的 变形差致使裂缝产生和扩展 ； 当温度超过 5 0 0时， 混凝土骨料 中的石英 晶体晶型转变 ， 体积膨胀 ， 使得 微裂缝迅速扩展并贯通 j 。微裂缝 的产生 和发展 、 水泥凝胶收缩 、 骨料破裂 ， 导致混凝土的力学性能在 火灾过程中和其后明显下降。 由于公路隧道火灾温度一般都很 高 ， 且火灾持 续时间较长 ( 例如 ， 法意之间的勃朗峰隧道 ， 1 9 9 9年 火灾持续时间 5 5 h ) ， 从而导致衬砌混凝土 ( 包括钢 筋) 的力学性能严重降低。而混凝土、 钢筋力学性 能的降低 ， 会直接降低衬砌结构的承载力， 继而引发 隧道结构体系的垮塌。 火灾高温导致隧道衬砌结构的力学性能损伤主 要有： 强度下降、 变形模量降低、 变形增大等。 3 1 应力应变关系 混凝土应力一 应变关系 曲线 的形状 和特征是混 凝土内部结构发生变化的力学标志 J 。评判混凝土 高温后力学性能与受火温度 的关系 ， 需分析不 同高 温后衬砌混凝土的应力应变关系 。衬砌混凝土试块 在常温下 以及遭 受不 同高温后 ( 1 0 0 、 3 0 0 、 5 0 0 、 7 0 0 和 9 0 0 ) 的典型受压应力一 应变曲线见 图 5 。 由图5可知， 随着受火温度升高， 应力应变曲线 上升段斜率减小， 曲线逐步趋于平缓， 9 0 0的应力 应变曲线 已无明显下降段 ； 随着受火温度升高 ， 应力 峰值逐渐减小 ， 对应的应变逐渐增大， 从而表明混凝 土弹性模量随受火温度的增加不断减小 ， 塑性增大 ， 延性增强， 残余抗压强度减小， 承载能力下降。 采用非线性最小二 乘法对试验数据进行拟合 ， 得到衬砌混凝土高温后 的受压应力 一 应变关系数学 表达式为 ： f y=1 1 4 x+ 0 6 2x -0 76 x 0 1 i l 。 式 中， = e ? ； y = i F l i e ； s 和 为经历 7 1 温度的 混凝土试件 应力 一 应 变 曲线上 任一 点 的应 变和应 力 ； 和 为经历 温度混凝土试件应力一 应变曲 线上的峰值应力和峰值应变。 3 2 残余抗压强度 高温后衬砌混凝土的残余抗压强度是评判衬砌 结构火灾后损伤程度 的主要指标之一 l 9 J 。应力一 应 变曲线几何最高点的纵坐标即峰值应力就是残余抗 压强度 ， 其反映了混凝土高温后所 能承受 的最大压 应力。衬砌混凝土残余抗压强度率随火灾最高温度 的变化 曲线见图 6 。 从图 6可见 ， 当火灾温度 9 0 0时 ， 混凝土抗压 强度 已下降 到常温值 的 1 0 ， 承载能力 已基本 丧 失 。对图 6中曲线进行拟合 ， 得到高温后衬砌混凝土 残余抗压强度率与最高温度 之间的数学表达式： r 加=0 6 3 4 e 。 + 0 6 9 3 0T 3 0 0 =1 -1 0 7x1 0T+I 1x l 0 3 0 0 T9 0 0 ( 2 ) 式中 棚 为残余抗压强度率； 为经历 温度 后混凝土强度 加 为常温下混凝土强度。 3 3 峰值压应变 图 5中应 力峰值处对应 的应变称 为峰值压应 变。峰值压应变反映了混凝土受压 时， 在达 到峰值 应力前的塑性变形能力 J 。衬砌混凝土峰值应变变 化率随火灾最高温度 7 1 的变化曲线见图 7 。 随着最高经历温度的增加 ， 峰值应变也单调增 加。当最高受火温度达到 9 0 0 o C 时， 应变峰值约为 常温下的4倍多， 表明随着 ，l ( 灾温度的升高 ， 衬砌混 凝土的延性提高， 同时强度下降、 承载力降低， 变形 不断增大。对图 7中的曲线进行拟合 ， 峰值应变变 化率与最高受火温度 7 1 的数学表达式为 ： 1 4 图 5 不 同受火 温度后 受压应力应变 曲线 毯 置 蟮 最高经历温度 图 6 残余抗压强度率与最高经历温度的关系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 公路交通技术 2 0 1 2丘 号 褂 皿 皿 I】 最高经历温度 o c 最高经历温度T C 图7 峰值应变变化率与最高经历温度的关系 图8 变形模量变化率与最高经历温度的关系 表 4 混凝土损伤等级划分 s p e p 0 =1 + 3 x 1 0 x T 。 ( 3 ) 式中， 8 加 为峰值压应变变化率 ； 为经历 温度 后混凝土峰值应变； 加 为常温下混凝土峰值应变。 3 4变形模量 图5中混凝土受压应力一 应变曲线上任一点的 应力与应变之比即为变形模量， 变形模量是一个变 数。本文取应力一 应变 曲线上应力值为 0 4倍峰值 应力时的曲线斜率为变形模量 。衬砌 昆 凝 土变 形模量随火灾最高温度 变化曲线见图 8 。 从图8可见 ， 变形模量随着火灾最高温度的升高 而下降， 变化率逐渐收敛。对图中曲线进行拟合， 得 到变形模量变化率与最高经历温度 的数学表达式 ： E =1 0 3 4e ” +0 0 5 2。 ( 4 ) 式中， E E 二 为变形模量变化率； 为对于最高温度 的混凝土变形模量； 为常温下混凝土变形模量。 4 试件烧损等级划分 通过对上述各级混凝土物理力学性能 的研究 ， 给出混凝土试块在各种温度等级条件下的损伤等级 划分 ， 见表 4 。 5 结 论 1 )通过试验 ， 系统研究 了国内公路 隧道 C 2 0 C 3 5常用混凝 土标号 区间的混凝土材料火灾损 伤 ， 给出了各种工况下的损伤规律与表现特征。 2 ) 对公路隧道衬砌结构温度损伤形式进行了 划分。 3 )对变色、 开裂与高温爆裂等表观损伤 的内在 机理 、 混凝土材料火灾后的力学性能进行了归纳分 析。 4 )根据试验结果 ， 提出了衬砌混凝土常用? 昆 凝 土标号的损伤等级。 参 考 文 献 1 D o r g a r t e n H W， B a h h a u s H， D a h l J ， e t a 1 F i r e R e s i s t a n t Tu nn e l Co ns t r uc t i o n：Re s u l t s o f Fi r e Be h a v i o r T e s t s a n d C r i t e r i a o f A p p l i c a t i o n J T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d Sp a c e Te c h n o l og y， 20 0 4， 1 9： 31 4 2 梅志荣 ， 韩跃隧道结构火灾损伤评定与修复加 固 措施的研究 J 世界隧道， 1 9 9 9 ( 4 ) ： 9 1 4 3 彭立敏， 杜思村， 刘小兵隧道火灾后衬砌残余强度的试 验研究与分析 J 隧道及地下工程， 1 9 9 7 ， 1 8 ( 3 ) ： 5 7 6 4 4 彭立敏 ， 刘小兵， 杜思村不同燃烧温度量级对隧道衬 砌强度损伤程度的试验研究 J 铁道学报， 1 9 9 7， 1 9 ( 5 )： 8 7 9 4 5 姚坚， 朱合华， 闫治 国， 等 隧道衬砌混凝土高温后 力学性能试验研究 J 地下空间与工程学报， 2 0 0 7 ， 3 ( 1 ) ： 6 6 7 2 6 闫治国 隧道衬砌结构火灾高温力学行为及耐火方法 研究 D 上海： 同济大学， 2 0 0 7 7 李强 公路隧道衬砌结构火灾损伤及检测评估技术 研究 D 重庆： 重庆交通大学， 2 0 1 1 8 过镇海 ， 时旭东 钢筋混凝土的高温性能及其计算 M 北京 ： 清华大学出版社， 2 0 0 3 9 强健 地铁隧道衬砌结构火灾损伤与灾后评估方法 研究 D 上海 ： 同济大学， 2 0 0 7 6 5 4 3 2 1 O 制 趟 磐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m