• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

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

王薇, 姚雪丹, 高贵强. 隧道衬砌混凝土的热力耦合室内试验研究[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(5): 993-1000. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210813
引用本文: 王薇, 姚雪丹, 高贵强. 隧道衬砌混凝土的热力耦合室内试验研究[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(5): 993-1000. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210813
WANG Wei, YAO Xuedan, GAO Guiqiang. Laboratory Thermo-Mechanical Coupling Test of Tunnel Lining Concrete[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(5): 993-1000. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210813
Citation: WANG Wei, YAO Xuedan, GAO Guiqiang. Laboratory Thermo-Mechanical Coupling Test of Tunnel Lining Concrete[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(5): 993-1000. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210813

隧道衬砌混凝土的热力耦合室内试验研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210813
基金项目: 国家自然科学基金(51676210);湖南省自然科学基金(2018JJ2519)
详细信息
    作者简介:

    王薇(1969—),女,副教授,研究方向为隧道与地下工程,E-mail: wangweicsu@csu.edu.cn

  • 中图分类号: U454

Laboratory Thermo-Mechanical Coupling Test of Tunnel Lining Concrete

  • 摘要:

    为研究受火时间和粗骨料含量与隧道衬砌混凝土宏观损伤的关系,根据隧道衬砌实际受火特点,自主改良设计一套衬砌混凝土热力耦合试验装置,研究粗骨料含量为20%、30%和40%的混凝土试块在载荷比恒为28%且不同受火时间下的损伤规律. 研究结果表明:无火灾发生时,衬砌混凝土受较小荷载作用下,表面无劣化现象,质量无明显变化,残余抗压强度增加;热力耦合作用下,随着火灾时间增加,受火0.5 h后,试块表面有少许微裂纹形成,1.0 h后表面出现较宽的裂缝,细小裂缝分布较多且部分裂缝相互交叉,受火达到2.0 h,试块底面损伤严重,可以看出火灾的发展时间和程度对衬砌结构的损伤至关重要;随着混凝土粗骨料含量的降低,混凝土内部温度传导速度减慢,相同位置处的温度值变小,其表观损伤显著增加,20%粗骨料含量下质量损失率可达8.14%,而40%粗骨料含量混凝土质量损失率仅为4.10%,强度相同时,高含量粗骨料混凝土的抗火性能更优.

     

  • 图 1  热力耦合试验装置

    Figure 1.  Thermo-mechanical coupling test device

    图 2  电偶布置立面

    Figure 2.  Elevation of electric dipole arrangement

    图 3  温度、粗骨料含量与受火面距离关系响应

    Figure 3.  Response relationship among temperature, coarse aggregate content, and distance of fire exposure surface

    图 4  温度、受火时间与受火面距离关系响应图

    Figure 4.  Response relationship among temperature, fire exposure time, and distance of fire exposure surface

    图 5  不同粗骨料含量混凝土受火底面

    Figure 5.  Bottom view of concrete with different coarse aggregate contents under fire

    图 6  不同粗骨料含量受火侧面

    Figure 6.  Side view of different coarse aggregate contents under fire

    图 7  不同受火时间下混凝土受火底面

    Figure 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

    Figure 8.  Side view of concrete under different fire exposure time

    图 9  混凝土破坏特征

    Figure 9.  Concrete damage characteristic

    表  1  混凝土试块配合比

    Table  1.   Mix ratio of concrete test blocks kg/m3

    粗骨料
    含量%
    水胶比水泥粉煤灰矿粉大碎石小碎石河砂减水剂
    400.351471891051267333147754.20
    300.352282921631955632426060.40
    200.353184082272723751614040.16
    下载: 导出CSV

    表  2  试验工况

    Table  2.   Test conditions

    试验类型受火时间/h有无比粗骨料/%试件编号试件总数/个
    静载试验040WS1-WS3、WS1'- WS3'18 (WS1'−WS9'试块用于热力
    耦合试验前确定强度)
    30WS4-WS6、WS4'-WS6'
    20WS7-WS9、WS7'-WS9'
    受火试验0.540WA15
    1.040WA2
    2.040WA3
    1.030WB
    1.020WC
    静载试验040WA6
    0.540WA1
    1.040WA2
    2.040WA3
    1.030WB
    1.020WC
    注:1. 除用于强度标定的试块为一组外,其余试块均制作相同的2组,一组用于扫描,一组用于温度测量,编号 按WAT等形式进行,因此,试块总数为30个;2. 荷载比即为试验时所加荷载与试验前极限抗压强度之比.
    下载: 导出CSV

    表  3  相对质量变化

    Table  3.   Relative mass change

    试块编号m1/gm2/gΔm/gα/%
    WA2 4432 433100.41
    WA12 4502 373773.14
    WA22 4402 3401004.10
    WA32 4482 3331154.70
    WB2 3802 2511295.42
    WC2 2292 1111188.14
    下载: 导出CSV

    表  4  28 d混凝土抗压强度值

    Table  4.   Concrete compressive strength value after 28 d

    粗骨料含量/%抗压强度/MPa
    2057.16
    3058.01
    4061.72
    下载: 导出CSV

    表  5  不同龄期混凝土强度值

    Table  5.   Concrete strength values of different ages

    粗骨料含量/
    %
    28 d 强度/
    MPa
    90 d 强度/
    MPa
    强度变化率/
    %
    4061.7266.37.4
    3058.0168.918.8
    2057.1671.725.4
    下载: 导出CSV

    表  6  不同粗骨料含量下的抗压强度损失率

    Table  6.   Compressive strength loss rate under different coarse aggregate contents

    粗骨料含量/%σ0/MPaσs/MPaf/%
    4066.360.418.88
    3068.963.108.42
    4071.762.3613.03
    下载: 导出CSV

    表  7  不同受火时间下的抗压强度损失率

    Table  7.   Compressive strength loss rate under different fire exposure time

    受火时间/hσ0/MPaσs/MPaf/%
    066.370.50−6.33
    0.566.365.800.75
    1.066.360.418.88
    2.066.355.5016.30
    下载: 导出CSV
  • [1] PICHLER C, LACKNER R, MANG H A. Safety assessment of concrete tunnel linings under fire load[J]. Journal of Structural Engineering, 2006, 132(6): 961-969. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2006)132:6(961)
    [2] 闫治国,朱合华,梁利. 火灾高温下隧道衬砌管片力学性能试验[J]. 同济大学学报(自然科学版),2012,40(6): 823-828.

    YAN Zhiguo, ZHU Hehua, LIANG Li. Experimental study on mechanical performance of lining segments in fire accidents[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2012, 40(6): 823-828.
    [3] 李忠友,刘元雪,刘树林,等. 火灾作用下隧道衬砌结构变形理论分析模型[J]. 岩土力学,2012,33(增2): 307-310.

    LI Zhongyou, LIU Yuanxue, LIU Shulin, et al. Theoretical analysis model of deformation behavior of tunnel linings subjected to fire load[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(S2): 307-310.
    [4] YAN Z G, ZHU H H, WOODY J, et al. Full-scale fire tests of RC metro shield TBM tunnel linings[J]. Construction and Building Materials, 2012, 36: 484-494. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2012.06.006
    [5] 郭军,刘帅,蒋树屏. 海底隧道管节结构防火试验与数值模拟[J]. 中国公路学报,2016,29(1): 96-104,114.

    GUO Jun, LIU Shuai, JIANG Shuping. Fire-proof test and numerical simulation on tube structure of subsea tunnel[J]. China Journal of Highway and Transport, 2016, 29(1): 96-104,114.
    [6] QIAO R J, SHAO Z S, WEI W, et al. Theoretical investigation into the thermo-mechanical behaviours of tunnel lining during RABT fire development[J]. Arabian Journal for Science and Engineering, 2019, 44(5): 4807-4818. doi: 10.1007/s13369-018-3555-x
    [7] ZHANG Q, WANG W Y, BAI S S, et al. Response analysis of tunnel lining structure under impact and fire loading[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2019, 11(3): 168781401983447.1-168781401983447.6.
    [8] 王明年,田源,于丽,等. 基于混凝土循环剥落的隧道火灾损伤数值模型研究[J]. 中国安全生产科学技术,2020,16(3): 105-110.

    WANG Mingnian, TIAN Yuan, YU Li, et al. Study on numerical model of tunnel fire damage based on concrete cyclic spalling[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2020, 16(3): 105-110.
    [9] CHAN Y N, PENG G F, ANSON M. Residual strength and pore structure of high-strength concrete and normal strength concrete after exposure to high temperatures[J]. Cement and Concrete Composites, 1999, 21(1): 23-27. doi: 10.1016/S0958-9465(98)00034-1
    [10] 黄涛,王珍,张泽江. 公路隧道衬砌高性能混凝土的高温烧损试验研究[J]. 中国矿业大学学报,2012,41(1): 139-144.

    HUANG Tao, WANG Zhen, ZHANG Zejiang. Experimental research on the high-temperature burning of a highway tunnel lining made from high performance concrete[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2012, 41(1): 139-144.
    [11] MA Q M, GUO R X, ZHAO Z M, et al. Mechanical properties of concrete at high temperature-A review[J]. Construction and Building Materials, 2015, 93: 371-383. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2015.05.131
    [12] DU S, ZHANG Y C, SUN Q, et al. Experimental study on color change and compression strength of concrete tunnel lining in a fire[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2018, 71: 106-114. doi: 10.1016/j.tust.2017.08.025
    [13] 张秋实,周川胜,孙春平,等. 高温环境下钢筋混凝土结构温度传播规律研究[J]. 现代隧道技术,2021,58(4): 185-193.

    ZHANG Qiushi, ZHOU Chuansheng, SUN Chunping, et al. Study on the pattern of temperature propagation of reinforced concrete structure under high-temperature environment[J]. Modern Tunnelling Technology, 2021, 58(4): 185-193.
    [14] 中国建筑科学研究院, 中华人民共和国建设部, 国家质量监督检验检疫总局. 普通混凝土力学性能试验方法标准: GB/T 50081—2002[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.
    [15] 巴光忠,苗吉军,张伟平,等. 高温下混凝土裂缝对温度场的影响[J]. 建筑材料学报,2016,19(4): 730-736. doi: 10.3969/j.issn.1007-9629.2016.04.021

    BA Guangzhong, MIAO Jijun, ZHANG Weiping, et al. Influence of crack on temperature field of concrete at elevated temperature[J]. Journal of Building Materials, 2016, 19(4): 730-736. doi: 10.3969/j.issn.1007-9629.2016.04.021
    [16] 中华人民共和国公安部. 建筑设计防火规范: GB 50016—2014[S]. 北京: 中国计划出版社, 2014.
    [17] 韩宇栋,张君,高原. 粗骨料体积含量对混凝土断裂参数的影响[J]. 工程力学,2013,30(3): 191-197,205.

    HAN Yudong, ZHANG Jun, GAO Yuan. Effect of coarse aggregate content on fracture parameters of concrete[J]. Engineering Mechanics, 2013, 30(3): 191-197,205.
  • 加载中
图(9) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  245
  • HTML全文浏览量:  87
  • PDF下载量:  51
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-18
  • 修回日期:  2021-12-24
  • 网络出版日期:  2023-04-14
  • 刊出日期:  2021-12-30

目录

    /

    返回文章
    返回