跨江海隧道功能梯度混凝土管片的研究與應用.pdf

1、21世紀是開發(fā)利用地下空間的世紀，跨江海隧道和城市地鐵的修建已經步入高速發(fā)展時期，其中有相當多的交通隧道是采用盾構工法來修建的盾構隧道，而鋼筋混凝土管片是一種常見的應用于盾構隧道的混凝土預制構件。在跨江海盾構隧道中，管片是隧道的結構主體和防水抗?jié)B主體，且長期處于Cl<'->、SO<,4><'2->等有害介質的侵蝕環(huán)境下，因此，對管片的性能要求特別是耐久性要求相當高。 論文研究工作來源于國家“863”計劃課題(課題編號：2005A

2、A332010)——《高抗?jié)B長壽命大管徑隧道管片材料結構設計與工程應用》，依托萬里長江第一隧——武漢長江隧道工程，圍繞鋼筋混凝土管片耐久性技術難題進行了功能梯度混凝土管片(Functionally Gradient Concrete Segment，簡稱FGCS)的材料與結構設計、耐久性能、收縮性能、界面性能、制備工藝以及微觀結構的研究，揭示了功能梯度混凝土管片的材料-結構-性能-工藝之間的相關規(guī)律，建立了功能梯度混凝土管片的材料與結構

3、設計、制備工藝、性能檢測、耐久性評估、工程應用等方面的關鍵技術。主要工作及成果如下： 1、提出了功能梯度混凝土管片的設計理論體系。提出了功能梯度混凝土管片的全程性價比設計理念以及功能/結構一體化、長壽命化、界面增強等設計理論，建立了功能梯度混凝土管片的強度、耐久性、體積穩(wěn)定性、多功能性、制備工藝方面的設計準則及其設計方法，為地下工程混凝土的梯度功能設計奠定了理論基礎。 2、完成了功能梯度混凝土管片的功能/結構一體化設計。

4、在鋼筋混凝土管片結構設計中引入梯度功能設計思路，進行功能/結構一體化設計，提出兩種功能梯度混凝土管片設計方案——HPC高抗?jié)B保護層方案和MIF高抗?jié)B保護層方案，設計出外層高致密防水、保護層高抗?jié)B抗蝕、結構層高強高性能和內層防火抗爆的功能梯度混凝土管片，將材料的功能設計與結構設計統(tǒng)一起來。 3、開發(fā)了無細觀界面過渡區(qū)水泥基復合材料(Meso-interfacial transition zone-freecement-based

5、materials，簡稱MIF)。取消傳統(tǒng)水泥基復合材料中粗、細集料，引入特細砂和高活性輔助膠凝材料，并摻入減縮組分、抗裂組分、憎水組分等性能調整組分，細化或消除集料-水泥石之間界面過渡區(qū)，將材料的微觀結構的改善與宏觀性能的優(yōu)化統(tǒng)一起來，開發(fā)適用于地下工程結構混凝土保護層的MIF。提出MIF的設計理論，研究其力學性能、抗?jié)B性能、抗硫酸鹽侵蝕性能和收縮性能，并采用SEM-EDXA、XRD、TG-DTG、MIP、顯微硬度等先進測試手段來研究

6、其微觀性能：①MIF的集料與水泥石界面過渡區(qū)顯微硬度在距離集料表面10～30 μm處顯著增大，最低達到了395MPa，遠遠超出傳統(tǒng)混凝土界面過渡區(qū)顯微硬度為150～250MPa的范圍，且MIF界面過渡區(qū)內的主要水化產物為C-S-H凝膠，CH晶體較少，CH晶體的取向性很不明顯，因此，MIF的集料與水泥石界面過渡區(qū)由傳統(tǒng)混凝土的60～100 μm細化為30 μm以下，’從而有效地阻斷了侵蝕性介質的滲入通道。 ②MIF的主要技術指標：

7、28d抗壓強度≥60MPa；Cl<'->擴散系數≤0.8×10<'-13>m<'2>/s，6h導電量<300庫侖，抗?jié)B標號≥S40。 4、系統(tǒng)研究了功能梯度混凝土的界面性能與微觀結構。采用劈裂抗拉試驗、自然擴散和加速擴散試驗以及ANSYS模擬來分別研究功能梯度混凝土的界面力學性能、傳輸性能和收縮性能，同時，采用SEM-EDXA、MIP、顯微硬度等先進測試方法來研究功能梯度混凝土功能層界面的水化產物及其分布、孔隙結構特征以及界面結

8、合情況等界面微觀結構，并建立其界面結構模型： ①功能梯度混凝土進行兩次澆注成型時，采用界面強化工藝——壓印工藝可以提高功能梯度混凝土功能層的界面粘結強度10％～35％，產生界面增強效應，能夠有效地解決功能梯度混凝土功能層界面粘結強度降低的問題。 ②與單一的高強結構層混凝土相比，高抗?jié)B保護層與高強結構層功能梯度混凝土的Cl<'->擴散系數顯著下降，采用自然擴散法測試的表觀Cl<'->擴散系數D<,a>下降了25％～50％，

9、采用NEL法測試的Cl<'->擴散系數D<,NEL>下降了1～2個數量級，采用電量法測試的6h導電量Q低于400庫侖，可見，功能梯度混凝土的抗?jié)B性明顯提高，特別是其抗離子滲透性。μ③以MIF高抗?jié)B保護層方案的功能梯度混凝土管片為實例，采用ANSYS計算的功能梯度混凝土管片界面結合區(qū)的最大拉應力遠小于其界面粘結強度，界面結合區(qū)由于收縮引起的應力不會引起功能梯度混凝土管片的開裂，高抗?jié)B保護層也不會脫落，高抗?jié)B保護層與高強結構層功能梯度混凝土

10、界面收縮性能匹配良好。μ④高抗?jié)B保護層與高強結構層功能梯度混凝土的微觀結構和孔結構均得到了顯著改善，與HPC高抗?jié)B保護層方案的功能梯度混凝土相比，MIF高抗?jié)B保護層方案的功能梯度混凝土界面結合區(qū)的顯微硬度更高，界面結合區(qū)中孔半徑≥25nm的孔更少，MIF高抗?jié)B保護層方案的功能梯度混凝土從界面結合區(qū)到水泥漿體本體有較多網絡狀的C-S-H凝膠，以及數量較少的CH晶體，且CH晶體的取向性差，MIF高抗?jié)B保護層方案界面結合區(qū)的結合情況要好于HP

11、C高抗?jié)B保護層方案的。⑤鑒于功能梯度混凝土的耐久性能和材料組分的漸變過渡，提出了功能梯度混凝土基于耐久性能變化的界面結構模型和基于材料組分變化的界面結合區(qū)結構模型；根據水泥基復合材料的集料和水泥石界面過渡區(qū)厚度和CH晶體的特點，提出了普通混凝土、MIF的集料和水泥石界面過渡區(qū)結構模型。 5、建立了功能梯度混凝土管片生產與工程應用的關鍵技術。建立了功能梯度混凝土管片的制備工藝、壓印蓋板、蒸養(yǎng)制度、質量控制方面的關鍵制備技術以及性能