细骨料替代对喷射混凝土火灾诱发爆裂的影响：基于H-TRIS与高速摄影耦合方法的研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：On the influence of aggregate alteration on shotcrete fire-induced spalling: A coupled H-TRIS and high-speed photography approach

　　

摘要：研究人员探究了细骨料改变（特别是天然砂被合成骨料替代）对隧道衬砌材料火灾诱发爆裂(spalling)的影响。采用热传递速率诱导系统(Heat-Transfer Rate Inducing System, H-TRIS)耦合高速成像的实验方法，模拟真实隧道火灾场景（包括ISO标准升温曲线及不同时长的烃类(hydrocarbon)火灾升温曲线）。以破碎废玻璃(crushed waste glass, CWG)作为代表性合成细骨料，设置四种替代率（0%、10%、25%、50%质量分数）评估热响应、爆裂严重程度及破坏机理。结果表明，骨料替代显著影响爆裂行为：适中CWG掺量（10%–25%）因改善热稳定性和隔热性能，在 prolonged fire exposure 下增强抗爆裂能力；而短时烃类火灾因CWG降低渗透率导致孔隙水气压力升高，增加爆裂敏感性。火灾后诊断（表面粗糙度分析、计算机断层扫描(computed tomography, CT)及碎块粒径分布）证实爆裂裂纹及破坏模式随骨料种类与掺量发生改变。研究结果强调细骨料选择对火灾性能的关键作用，支持在基于性能的隧道防火设计中集成可持续再生材料。

论文解读：细骨料替代对喷射混凝土火灾诱发爆裂影响的研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》刊发的本研究针对高性能混凝土(high-performance concrete, HPC)及隧道喷射混凝土(shotcrete)在隧道火灾中易发生火灾诱发爆裂(explosive spalling)的问题，指出现有文献多关注粗骨料影响，细骨料（砂）替代尤其是合成可持续骨料对爆裂行为的影响研究匮乏。天然砂资源日趋枯竭，破碎废玻璃(crushed waste glass, CWG)作为部分替代细骨料具可持续性价值，但CWG对高温下孔隙压力与热应力耦合机制的影响尚不明确。为此，研究人员采用H-TRIS(Heat-Transfer Rate Inducing System)辐射加热系统耦合高速摄影及多尺度灾后诊断，系统考察CWG替代天然中砂对湿喷混凝土试件在ISO 834标准火灾曲线及烃类(hydrocarbon)火灾曲线下的爆裂响应，以明确细骨料改性的作用机理与设计建议。

主要关键技术方法：

研究人员采用实际工程用湿喷混凝土基准配合比，制备CWG按质量分数0%、10%、25%、50%替代天然中砂的四组试件，标准养护＞6个月至近饱和含水率。使用H-TRIS施加ISO 834标准火灾曲线（G1组，至发生8次爆裂终止）及烃类火灾曲线（G2组≈2.5 min短时、G3组≈9 min长时），单面受火。试件内置K型热电偶监测5、10、15、30 mm深度温度场；采用高速摄影记录爆裂过程；灾后通过质量损失、筛分分析爆裂碎块粒径分布(particle size distribution, PSD)；对爆裂面进行三维激光扫描获取表面粗糙度（算术平均粗糙度R_a、均方根粗糙度R_q）及剥蚀深度/体积；取芯样行X射线计算机断层扫描(computed tomography, CT)分析孔隙演化；另对骨料行热重分析(thermogravimetric analysis, TGA)—差热分析(differential thermal analysis, DTA)及瞬态平面热源法(Transient Plane Source, TPS)测导热系数、比热容与热扩散率。

研究结果

3.1. Thermal parameters（热参数）

TGA-DTA显示CWG在850℃内无分解质量损失，约400℃发生玻璃化转变(glass transition, T_g)，约600℃出现析晶(crystallisation, T_x)，高温热稳定性优于天然砂。TPS测试表明CWG及其掺入混凝土的导热系数(thermal conductivity, λ)与热扩散率较基准组降低，比热容无显著差异，证实CWG具隔热效应。

3.2. Shotcrete mechanical parameters（喷射混凝土力学参数）

调整用水量与减水剂后各组新拌坍落度相当；CWG具保水性，50%替代组4 h坍落度损失最小。各龄期（28、56、91 d）无侧限抗压强度(unconfined compressive strength, UCS)随CWG提高略延迟发展但最终趋于一致。CWG组吸水率与孔隙率降低，归因于玻璃颗粒不透水及火山灰(pozzolanic)活性二次水化密实基体。

3.3. Spalling behaviour（爆裂行为）

G1（ISO火灾）：基准组最早爆裂且质量损失最大；CWG组爆裂延迟，质量损失分别降低约50%(10%)、38.5%(25%)、38.5%(50%)，归因于低λ限制热量向深处传播，减小深层孔隙压力与热应力积累。G2（短时烃类火）：所有组爆裂始于约1 min，CWG组质量损失较基准组升高20.5%(10%)、23.1%(25%)、79.5%(50%)，因CWG降低渗透性阻碍蒸气逸出，短时急剧升温致浅层孔隙压力超越基体抗拉强度引发表层剥落。G3（长时烃类火）：CWG组（尤其10%、25%）质量损失较基准组减少33.8%、56.1%，高温下玻璃软化填充微孔、改善界面并延缓热穿透，抵消早期孔隙压力不利因素；50%组因过低渗透性仍略敏感。温度场显示长时受热时CWG组内部温升较慢，印证隔热效果。高速摄影示G1为少而剧烈的深层次爆裂，G2/G3初为频繁微剥落后为较大块体脱落。

3.4. Spalled fragment size distribution（爆裂碎块粒径分布）

G1中50%CWG组产生较大碎片（深位延迟爆裂），10%CWG组碎片细小（损伤程度轻）。G2中CWG组碎片偏细，反映孔隙压力主导浅层剥落；G3中CWG组出现大块碎片，对应深层延迟爆裂事件，与质量损失趋势吻合。

3.5. Spalling surface analysis（爆裂面分析）

3D扫描显示G1中CWG组剥蚀深度变浅、表面粗糙度R_a/R_q降低（10%CWG最平滑）；G2中随CWG提高剥蚀略加深、粗糙度增大。体积损失估算与实测质量损失在G2吻合较好，G1因含蒸发水偏差稍大。烃类火爆裂多集中于试件中心（热流均匀+边部散热），ISO火沿随机微裂纹路径。G3试件中心爆裂后边缘出现次生热裂纹，可辅助泄压。

3.6. Computed Tomography (CT) scan（计算机断层扫描）

CT显示50%CWG未受火区孔隙率低于基准组。受火区G1孔隙率增幅大于G2（受热时间长）；50%CWG—G2组近表层孔隙率增幅高于基准组（早龄严重剥落相关）。高温下CWG玻璃化转变可局部提高透气通道。G3岩芯显示基准组爆裂及斜向裂缝更深，CWG组裂缝趋平行受热面（以张拉破坏为主且损伤较浅）。

讨论与结论翻译

讨论指出CWG对爆裂的双重作用：其低热导率在长期暴露中限制热穿透减轻爆裂，但在急速升温短时烃类火中因低渗透性加剧孔隙压力积累诱发早龄表层剥落。推荐CWG替代天然砂不宜超过25%以平衡可持续性与抗爆裂性。经高温后CWG软化填充微隙并可缓解骨料—浆体热膨胀失配。研究局限含试件为浇筑非喷射成型、未加聚丙烯纤维(polypropylene fibres, PP fibres)、无约束与通风模拟，属比较性而非统计推断研究。

结论如下：细骨料替代显著影响隧道衬砌材料火灾诱发爆裂行为。CWG具优良热稳定性，约400℃玻璃化转变可填充微孔隙。CWG降低喷射混凝土导热系数与热扩散率，提升隔热性但可能加大近表面热梯度。CWG替代下喷射混凝土工作性与力学性能满足要求。爆裂行为受火灾曲线与暴露时长调控。CWG掺入改善ISO标准火及长时烃类火下抗爆裂性（归因隔热与高温稳定性），短时烃类火下因孔隙压力快速积聚降低抗爆裂性。表面粗糙度、碎块分布及CT扫描佐证上述机理。建议CWG替代率≤25%可在典型隧道烃类火灾场景中维持足够抗爆裂能力，兼顾可持续利用。