随着城市生活快节奏的发展，人们对交通便捷的要求越来越高，海底隧道的数量逐年增多。厦门翔安海底隧道是我国建设的第一条海底公路隧道^[1]，是连接厦门市本岛和翔安区陆地的重要通道。连接海峡两岸的通道工程也已经由两岸专家多次研讨，天堑变通途指日可待^[2]。

由于隧道属于特殊狭长封闭结构，通风条件差，使得火灾成为隧道最严重的灾害之一。大量的火灾实例表明，一旦发生火灾，大火除了对隧道内的人员造成巨大伤害外，还会由于高温导致混凝土裂爆和力学性能的劣化，对衬砌结构产生不同程度的损坏，大大降低结构的承载力和安全性，甚至可能导致衬砌结构的坍塌。如英吉利海底隧道1996年大火造成约500 m范围的衬砌管片受到中度损伤，约280 m范围的衬砌管片受到严重破坏^[3]。

此外火灾后的损伤评估、修复加固以及正常使用功能的恢复都会耗费相当数量的人力、物力和财力，有时甚至存在由于结构被破坏而导致隧道无法修复的可能。因此衬砌混凝土除了必须满足常温下的工作性能指标外，还必须考虑高温作用下的性能变化。1925年美国中央标准局就进行了混凝土柱的高温测试项目，并从20世纪50年代开始大量研究，成立了许多抗火研究组织，法国、德国、英国等国相继成立了相应的研究机构，并建造了进行结构抗火性能试验研究的大型试验装置^[4]。

近年来随着工程建设的蓬勃发展，国内学者对普通混凝土及其构件在高温、常温下的各种性能进行了比较系统和详尽的研究，取得了大量卓有成效的研究成果，在此基础上建立和不断完善了我国混凝土材料和结构抗高温(火)设计规范^[5-11]。贾福萍等(2011)试验得出静置时间、冷却方式对受高温后混凝土残余抗压强度存在不同程度影响^[12]。林志等(2012)^[13]针对国内公路隧道C20-C35常用混凝土标号区间的混凝土试件进行烧蚀试验，得出各种工况下的损伤规律和表观特征，但是所有的高温试件均采用自然冷却处理。闫倩倩等(2015)指出含湿量和纤维含量对隧道二衬混凝土高温性能存在重要影响^[14]。但是，上述研究主要针对普通混凝土，针对海底隧道衬砌结构高性能海工混凝土耐火性能的研究鲜有报道。

对于海底隧道，由于海洋环境复杂，衬砌混凝土性能与普通混凝土相比，存在明显差异。厦门翔安海底隧道混凝土结构处于湿热的海洋大气和渗透海水的侵蚀介质环境中。翔安海底隧道投资高达32.8亿，是重要工程，设计服役寿命为100 a，而衬砌混凝土的耐久性及寿命决定了隧道的服役寿命。此外，公路山岭隧道二衬混凝土常见标号为C25。翔安海底隧道也是采用复合式衬砌，二衬混凝土强度等级为C30-C45。因此与普通混凝土相比，海底隧道衬砌混凝土具有高抗海水侵蚀、高性能特性。

下文将参照厦门翔安海底隧道衬砌用混凝土配合比，针对海洋环境条件下隧道衬砌结构混凝土的高温物理力学性能进行试验研究，以便分析高温燃烧对海底隧道衬砌结构混凝土影响。

试验过程如下：

参照厦门翔安海底隧道衬砌混凝土配合比^[15]，配制C30强度等级的混凝土，配合比为：水+水泥+粉煤灰+矿渣粉+砂+石(kg·m^-3)=164+251+68+137+700+1 049。试验采用的外加剂为厦门市某公司生产的NF-ⅡH₀萘系高减水剂。试件制作及养护参照《水运工程混凝土施工规范》(JTS202—2011)要求。抗压强度试验试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，制作了12组(每组3个试件)共计36个抗压试件。抗渗混凝土试件尺寸为上口直径175 mm，下口直径185 mm，高150 mm的锥台，制作了12组(每组6个试件)共计72个试件。试件成型后，放入标准养护室养护28 d以上。

试验所采用的主要仪器设备包括XL高温箱式电炉、WES-100B万能试验机配备静态应变测试系统(见图 1)、HDSS-Ⅱ抗渗仪等。其中XL高温箱式电炉工作温度最高可达1 300 ℃，炉温均匀性为±5 ℃，控温精度±1.0%。

图 1 万能试验机配备静态应变测试系统 Fig. 1 Universal testing machine equipped with static strain testing system

为模拟隧道火灾后衬砌混凝土性能，将养护好的混凝土试件放置在高温电炉加热灼烧。试验发现混凝土温度超过1 200 ℃时，试块已经严重损伤，因此灼烧温度分别取200, 300, 400, 600, 800, 1 000 ℃共6个温度等级，达到预定温度后恒温处理6 h，使试件内外温度保持一致。

目前隧道常用的灭火方式包括水灭火系统和泡沫灭火系统^[16]。翔安隧道消防系统包括泡沫—水喷雾联用灭火系统、消火栓系统及火灾报警系统。为了模拟救灾方式对高温后混凝土性能的影响，分别采用自然冷却(简称自冷)和水喷淋冷却(简称浇冷)两种方式降温处理。采用水喷淋冷却方式模拟现场灭火过程，结果与自然冷却方式进行对比。

试验内容包括热膨胀试验、力学性能试验和抗渗性能试验3部分。

(1) 热膨胀试验：通过XL高温箱式电炉燃烧处理，测量高温前、后在两种冷却方式下的试件尺寸，计算高温前、后尺寸变化和热膨胀系数，绘制热膨胀系数与温度的关系曲线。

(2) 力学性能试验：采用压力试验机进行抗压试验，并对试验过程中应力应变数据进行连续采集，通过对试验数据的整理分析，得出混凝土高温后的应变特性、抗压强度、弹性模量，绘制应变特性、抗压强度、弹性模量与温度的关系曲线。

(3) 抗渗性能试验：通过HDSS-Ⅱ抗渗仪进行抗渗试验，获得高温后混凝土抗渗等级，绘制抗渗性能等参数与温度的关系曲线。

为减少试件个体差异对结果的影响，以下分析采用的数据均为各组试验结果平均值，其中抗压试验一组3个试件，抗渗试验一组6个试件。

热膨胀特性可采用热膨胀系数来表示，即物体温度升高一度，单位长度的伸长量。混凝土的热膨胀系数不仅和试件尺寸有关，而且与混凝土骨料类型、混凝土湿度、混凝土材料性能、加热速度等有关，不同试验获得的热膨胀系数具有一定的离散性^[17]。欧洲规范根据硅质骨料和钙质骨料混凝土分别给出了热膨胀系数随温度的表达式^[18]。

图 2为本次试验获得的热膨胀系数与温度的关系。试验结果表明：当温度低于300 ℃时，高温后混凝土热膨胀系数随温度升高基本无变化；当温度高于400 ℃时，高温后混凝土热膨胀系数随温度升高而呈加速上升。受冷却方式影响，与自然冷却方式相比，在水喷淋冷却方式下混凝土高温后热膨胀系数更大。当灼烧温度高于600 ℃，经水喷淋冷却的试件产生不同程度的裂缝(见图 3)。

图 2 热膨胀系数-温度曲线 Fig. 2 Curves of coefficient of thermal expansion vs. temperature

图 3 高温灼烧喷淋冷却后的试件 Fig. 3 Specimens after high temperature and spray cooling

混凝土在升温产生热膨胀的主要原因是：当温度低于300 ℃时，混凝土的固相物质和空隙间气体受热膨胀；当温度高于400 ℃时，由于水泥水化脱水、未水化的水泥颗粒和粗骨料中的石英成分形成晶体而产生巨大膨胀。

普通混凝土极限压应变随着温度的升高而上升，在相同的荷载作用下产生比常温更大的压应变，并随着温度的不断升高而更为显著^[5]。

对海底隧道衬砌结构混凝土进行试验，得出了不同高温后混凝土极限应变与200 ℃高温后极限应变比值，试验结果如图 4所示。结果表明：高温后混凝土极限应变随温度升高而上升。受高温后冷却方式影响，与自然冷却方式相比，采用水喷淋冷却方式混凝土极限应变比随温度变化幅度变小。

图 4 极限应变比-温度曲线 Fig. 4 Curves of limit strain ratio vs. temperature

前面针对极限压应变与温度关系进行了分析，但是横向应变特性对于研究高温后混凝土的变形特性也至关重要。由于隧道衬砌结构为长条筒状，沿着隧道走向主要承受温度变化引起的变形荷载，环向主要承受来自外部围岩及自重引起的挤压或拉伸荷载，然而，隧道衬砌结构内壁处于临空状态，为自由面无约束，其变形主要与环向所受荷载有关，其变形特性与单轴抗压试验中横向变形特性具有相似性。为此，下面对混凝土试件的横向应变随温度变化的规律进行分析。

试验结果如图 5所示，为不同温度条件下混凝土横向应变-轴向应变关系曲线。试验结果表明：(1)横向应变随轴向应变增大而增大，达到峰值强度后，曲线出现转折，转折点之后，随轴向应变增大，横向应变增长缓慢，最后基本无增长或呈现下降趋势；(2)受温度影响，横向应变-轴向应变曲线转折点随温度的升高向后推移，且转折点越来越缓，直至不明显；(3)在轴向应变相等的条件下，当温度低于600 ℃时，温度越高，横向应变越大，当温度高于600 ℃后，温度越高，横向应变越小；(4)当温度达到1 000 ℃时，由于混凝土试件烧损严重，基本丧失了承载能力，试件瞬间破坏。

图 5 不同温度条件下横向应变-轴向应变曲线 Fig. 5 Curves of transverse strain vs. axial strain curves under different temperature conditions

对地面建筑物结构混凝土高温后的抗压强度性能，国内外已经进行了大量试验研究。研究结果表明，混凝土强度随温度的升高而降低，由于混凝土材料差异、试验条件不同等(如混凝土配合比强度、骨料、水灰比、含水率、恒温时间、升温速度、冷却方式等)，混凝土强度随温度的变化规律也存在差异^[4-11]。

海底隧道衬砌结构混凝土的抗压试验结果, 如图 6所示，结果表明：(1)混凝土高温后抗压强度虽然受试验条件等的影响，但其强度随温度的变化规律基本一致：在200~300 ℃以内强度变化不明显，波动幅度小；当温度高于300 ℃后，其强度开始降低，温度达到1 000 ℃后混凝土的抗压强度几乎消失。(2)在自然冷却条件下，温度从300 ℃增加至1 000 ℃时，混凝土抗压强度随温度升高而降低，基本成线性降低；水喷淋冷却条件下，温度从300 ℃增加至1 000 ℃时，混凝土抗压强度随温度升高而降低，且受水喷淋冷却方式的影响，温度从300 ℃增加至600 ℃时，混凝土抗压强度明显比自然冷却条件下混凝土抗压强度低。

图 6 抗压强度-温度曲线 Fig. 6 Curves of compressive strength vs. temperature

陆洲导^[5]得到了高温下混凝土抗压强度与温度线性关系式，这个规律与自然冷却方式下得到的试验结果相吻合，但在水喷淋冷却方式下，混凝土抗压强度与温度为非线性关系，其抗压强度与温度的关系见图 7。

图 7 抗压强度-温度曲线 Fig. 7 Curves of compressive strength vs. temperature

为了研究海底隧道衬砌结构混凝土弹性模量的变化规律，通过试验，从实测的应力-应变曲线上取σ=0.4f_cT的割线模量作为混凝土的初始弹性模量，由于200, 300 ℃温度条件下，混凝土弹性模量受温度影响很小，与常温下混凝土弹性模量相当，将各温度条件下混凝土弹性模量与300 ℃温度时混凝土弹性模量进行比值，得到混凝土弹性模量比(E_cT/E_c)，弹性模量比随温度的关系如图 8所示。

图 8 弹性模量比-温度曲线 Fig. 8 Curves of ratio of elastic modulus vs. temperature

试验分析表明：(1)两种冷却方式条件下，混凝土的弹性模量随温度的升高而降低，弹性模量比与温度呈指数关系，当温度达到1 000 ℃时，混凝土弹性模量几乎为零；(2)混凝土的弹性模量受冷却方式的影响，与自然冷却方式相比，水喷淋冷却条件下混凝土弹性模量更大。自然冷却方式对混凝土弹性模量影响更大。

陆洲导^[5]、李卫^[6]、欧洲规范^[18]等得出了混凝土弹性模量与温度的关系为线性关系。与此不同，海底隧道衬砌结构混凝土弹性模量随温度变化为非线性关系，变化幅度先急后缓，在300 ℃增加至600 ℃范围幅度较大，在600 ℃增加至1 000 ℃范围幅度变缓。上述对比说明，由于受高温燃烧的影响，混凝土内部发生了物理化学变化，使得混凝土的物理力学特性发生了变化。

现有研究主要针对地上建筑物混凝土，对衬砌结构混凝土高温后的抗渗性能研究较少，然而海底隧道由于其空间结构上的特殊性，对其的抗渗性能研究不可忽略。由于1 000 ℃高温后，该混凝土开始融化，无法进行抗渗性能试验，最后进行了200, 300, 400, 600, 800 ℃共5个温度等级的抗渗性能试验，试验结果如图 9所示。试验结果表明：(1)混凝土抗渗等级随温度的升高而降低，通过曲线拟合，混凝土的抗渗等级随温度的变化为指数关系；(2)与自然冷却方式相比，在水喷淋冷却方式下，混凝土抗渗等级略高, 即自然冷却方式对混凝土抗渗等级影响更大。

图 9 抗渗等级-温度曲线 Fig. 9 Curves of impermeability vs. temperature

(1) 混凝土受热温度低于300 ℃时，热膨胀系数随温度升高基本无变化；当温度高于400 ℃时，热膨胀系数随温度升高而呈加速上升。与自然冷却方式相比，在水喷淋冷却方式下混凝土高温后热膨胀系数更大。

(2) 在轴向应变相等的条件下，当温度低于600 ℃时，横向应变随温度升高而增大；当温度高于600 ℃后，随着温度增高，横向应变变小。

(3) 当温度低于300 ℃时，混凝土抗压强度变化很小。当温度高300 ℃后，混凝土抗压强度随温度升高单调降低。随着温度升高，自然冷却条件下混凝土抗压强度与温度呈线性关系；而水喷淋冷却条件下，二者为非线性关系。

(4) 混凝土的弹性模量、抗渗等级均随温度的升高而降低，相比水喷淋冷却方式，自然冷却方式对二者影响更大。