压缩空气储能洞室柔性密封衬砌用混合纤维增强混凝土的多目标优化

《Journal of Energy Storage》：Multi-objective optimization of hybrid fiber-reinforced concrete for flexible sealing linings in compressed-air energy storage caverns

　　

摘要

压缩空气储能（CAES）洞室长期安全运行要求衬砌材料具有高抗压强度、高韧性以及优异的气密性。然而，传统混凝土在高压气体储存条件下往往存在抗裂性能不足和气体泄漏风险。本研究开发了一种混杂纤维增强工程水泥基复合材料（ECC）作为CAES洞室的密封衬砌材料，并系统研究了配合比组成、力学性能与气体渗透性之间的关系。采用正交试验设计，评估了水泥用量、硅灰掺量、细骨料粒径及骨料类型对ECC抗压强度、抗拉强度、抗折强度及气体本征渗透系数的影响。结果表明，水泥用量是控制ECC力学性能的主导因素。相比之下，细骨料粒径控制着气体渗透性，贡献率达63.6%。优化后的ECC配合比（含35%水泥、7.5%硅灰及80-120目石英砂）的抗压强度达58.77 MPa，抗拉强度为7.38 MPa，抗折强度为10.88 MPa，气体本征渗透系数为8.55×10?1? m2。与常规混凝土类衬砌材料相比，优化后的混杂纤维增强ECC集成了高强度、高韧性和高气密性，展现出更优异的抗裂能力和密封可靠性。本研究建立了基于ECC的密封衬砌材料设计方法，为地下CAES洞室可靠衬砌系统的开发提供了理论见解和实践指导。

引言

近年来，化石能源的消耗呈现逐年上升趋势，对全球气候和生态环境构成严峻挑战。国际社会已达成共识，应将全球温升控制在1.5°C以内，以确保生物圈的稳定存在，核心目标是到2050年实现碳中和[1]。在全球碳中和目标的背景下，越来越多的国家在能源转型过程中面临严峻挑战，随着转型步伐的加快，这些挑战将愈发突出[2],[3]。可再生能源的大规模开发是推动能源结构转型、促进电力系统脱碳并最终实现碳中和目标的核心途径[4],[5]。然而，此类能源表现出显著的间歇性和波动性，大规模并网运行容易对电网的稳定运行构成威胁[6]。因此，配套储能技术的研发与应用尤为必要。在现有主流储能技术中，压缩空气储能（CAES）凭借显著优势脱颖而出。与抽水蓄能和电化学储能相比，CAES具有地理条件不受限、使用寿命长和环境友好等特点，是一种极具前景的大规模储能技术[7],[8]。

压缩空气储能（CAES）系统的关键问题在于洞室的密封性能与安全性。在地下高压储气洞室中，衬砌必须与密封层及围岩协同工作，以确保洞室的安全与稳定[9],[10]。三层结构洞室（密封层、混凝土衬砌及围岩）具有减少热/气损失和增强围岩稳定性的优点，尤其在超大半径洞室中优势明显[11],[12]。北欧地区已开发出一种洞室衬砌方法，通过在隧洞内壁安装钢衬砌实现高压气体的储存[13]。然而，该技术的适用条件极为严格，只能在围岩条件处于最佳状态时实施，否则钢衬砌将承受高内压的主要荷载，导致厚度设计要求和密封成本大幅增加。此外，研究人员还尝试使用混凝土、玻璃纤维增强塑料（GFRP）和柔性密封材料来实现CAES隧洞的密封保护[14]，从而降低施工成本并提高经济效益。

然而，CAES运行于特殊的工作环境中（高压气体最大压力可达10 MPa至18 MPa），这对衬砌结构的力学性能提出了严苛要求。普通混凝土具有较大的弹性模量、有限的变形能力和较低的抗拉强度，在高内压下容易发生破坏[15]，从而危及整个系统的安全。此外，Ye等人[16]对CAES系统中衬砌洞室的气体泄漏率进行了理论分析，研究结果表明，当混凝土材料的气体渗透系数低于6.36×10?1? m2时，气体泄漏率可控制在1%阈值以内，满足CAES洞室的气密性要求。该结论为高性能密封储气衬砌材料的研发与设计提供了重要的理论依据。因此，作为高压气体储存载体，柔性混凝土衬砌的力学性能和密封性能的可靠性直接决定了整个系统的安全性与经济效益[17]。基于上述背景，开发具有优异力学性能和防渗性能的衬砌密封材料已成为亟需解决的关键问题。

工程水泥基复合材料（ECC）是一种纤维增强混凝土（FRC），具有高的延性和应变硬化特性，力学性能显著优于普通混凝土[18]。在加载过程中，ECC以多条微裂缝的发展为特征，具有优异的裂缝宽度控制能力[19]和防渗性能[20]。特别值得注意的是，即使应变超过1%，ECC的平均裂缝宽度仅为60 μm[21],[22]。因此，ECC被认为是一种解决耐久性和开裂问题的有前景的材料[23],[24],[25]。

在CAES系统运行过程中，普通混凝土结构由于其较低的抗拉强度以及缺乏局部微观增强作用，在高内压下容易产生单条扩展裂缝[15]。这些裂缝会形成气体泄漏通道，导致储能效率降低，进而影响系统的整体经济性，还可能导致衬砌破坏，引发安全事故。Jin等人[22]评估了含有天然植物纤维和钢纤维的纤维增强混凝土的抗压和抗弯性能，发现纤维可以改善材料的延性和韧性，抑制裂缝扩展，增加纤维含量至长径比可以提高变形能力并改善残余抗折强度。Wei等人[23]研究了混杂纤维对高强混凝土力学性能和梁的抗弯韧性的增强效果，发现波纹钢纤维与直钢纤维的组合可使抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高21.3%–25.7%和32.8%–41.4%。基于ECC优异的力学性能，本研究在混凝土中掺入适量纤维，旨在进一步增强其力学性能以满足CAES系统的运行要求。

目前，大多数学者关注纤维增强混凝土对液体的渗透性。尽管多数学者主要测量液体（尤其是水）和离子（如氯离子、硫酸根离子）通过混凝土的难易程度，而本研究主要测量气体（如空气、氧气）通过混凝土的难易程度，但两者均与混凝土的孔隙率和微裂缝有关[24],[25],[26]。混凝土内部连通且足够大的毛细孔、裂缝和缺陷越少，其微观结构越致密。致密的微观结构可以有效减少CAES系统运行过程中的气体泄漏量，从而确保系统的整体经济效益。大量研究已证实，ECC在不同应力水平下产生的裂缝宽度非常小，一般观测值小于100 μm[27],[28],[29],[30],[31],[32],[33]。Wu等人发现，波纹和轧制钢纤维与基体具有较大的接触面积[34]。此外，钢纤维可以限制水泥孔隙的连通性[35],[36]，从而提高纤维增强混凝土的防渗性能。Rapoport等人[37]表明，钢纤维可以有效抑制裂缝扩展并显著提高混凝土的防渗性能。巴西劈裂试验验证了掺入钢纤维后，即使产生较大的初始裂缝，其闭合后的渗透性也显著降低。Charron等人[38]表明，超高性能纤维增强混凝土中的纤维可以有效控制裂缝扩展，使其在高达1.3‰的残余应变下仍能维持极低的渗透性，显著提高了混凝土的防渗性能。Li等人[43]基于渗流理论，制备了不同纤维掺量的聚烯烃纤维增强混凝土，结果表明增加纤维含量会增大迁移系数并增强渗透性，而渗透性指数与迁移系数呈负相关。现有的大多数研究仅限于探索纤维改性对混凝土渗透性的改善效果，而很少关注ECC对气体的防渗性能。因此，有必要系统研究ECC在高压条件下对气体的防渗性能。

本研究建立了系统优化框架，开发了用于CAES洞室密封衬砌的高性能ECC[39]。与以往主要关注ECC力学性能的研究不同，本工作考虑了高压气体储存条件下高强度、高韧性和高气密性的耦合要求。采用正交试验设计，研究了水泥用量、硅灰掺量、细骨料粒径和细骨料类型对ECC抗压强度、抗拉强度、抗折强度和气体本征渗透系数的影响。此外，结合极差分析、方差分析（ANOVA）和灰色关联分析（GRA）进行多目标优化，确定最优配合比并明确控制不同性能指标的主导因素。进一步采用X射线荧光光谱（XRF）、扫描电子显微镜（SEM）和核磁共振（NMR）技术，揭示材料组成、孔隙结构演化与气密性增强机理之间的关系。本研究为设计基于ECC的密封衬砌材料提供了新策略，并为提高地下CAES系统的长期密封可靠性和安全性提供了理论见解和实践指导。

材料

本研究制备ECC所用材料包括硅酸盐水泥（PO 42.5）、粉煤灰、硅灰、河砂、花岗岩机制砂、石英砂、水和减水剂等化学外加剂。水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，购自安徽海螺集团；粉煤灰为F级，购自河南百润铸造材料有限公司；硅灰来源于中国河北省灵寿县的一家选矿厂。

化学性能指标的方差分析

表6列出了各组试块的一轴抗压强度、一轴抗拉强度和四点弯曲强度。所有列出的数值均为三个试件测试结果的平均值。

结论

本研究采用正交试验设计优化了用于压缩空气储能（CAES）洞室密封衬砌的混杂纤维增强工程水泥基复合材料（ECC）的配合比。考虑了四个因素，包括水泥用量、硅灰掺量、细骨料粒径和细骨料类型。通过结合极差分析、方差分析（ANOVA）、灰色关联分析（GRA）和微观结构表征，研究了……

作者贡献声明

程瑞哲：撰写——初稿，调查研究，形式分析，概念化。吴文萱：撰写——初稿，调查研究。郝光强：验证，调查研究。陈孟军：监督，资源提供。刘仁泰：监督，资金获取。王猛：数据整理。高新怡：验证，调查研究。徐纪伟：验证。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到山东能源集团重大关键技术研究项目[资助编号SNKJ2023A07-R14]的资助。

程瑞哲|吴文萱|郝光强|陈孟军|刘仁泰|王猛|高新怡|徐纪伟

山东大学土木工程学校隧道工程国家重点实验室，中国济南，250061