長(zhǎng)江隧道管片混凝土高溫特性研究.pdf

1、本文依托國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(國家“863”計(jì)劃2005AA332010)“高抗?jié)B長(zhǎng)壽命大管徑隧道管片材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用”，研究了長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)管片混凝土的高溫特性。具體研究?jī)?nèi)容包括四個(gè)部分：混凝土高溫性能測(cè)試方法，混凝土高溫性能，超聲波檢測(cè)技術(shù)在混凝土高溫?fù)p傷中的應(yīng)用，混凝土高溫性能劣化機(jī)理。主要的工作與成果包括： 1．混凝土高溫性能測(cè)試方法 根據(jù)混凝土高溫性能劣化的特征，分析了耐火極限的設(shè)計(jì)原則，提出了一種混凝

2、土高溫性能測(cè)試方法：在800℃時(shí)，以所設(shè)計(jì)的混凝土鋼筋保護(hù)層厚度處(50mm)溫度達(dá)到250℃的時(shí)間確定為耐火極限。然后以該耐火極限為基準(zhǔn)，根據(jù)混凝土試件內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化、高溫后的物理力學(xué)性能、混凝土試件的超聲波檢測(cè)、爆裂程度，測(cè)試不同混凝土達(dá)到耐火極限時(shí)其性能的劣化程度。 2．混凝土高溫性能 (1)摻加25％礦粉制備混凝土(J2)高溫綜合性能優(yōu)于摻加20％Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土(J3)和純水泥混凝土(J0)。 J2與

3、J3的耐火極限分別比J0提高了26.7％與13.3％，J2爆裂程度明顯低于J0和J3，其質(zhì)量損失率為5.87％，爆裂試件數(shù)為1件，爆裂形式為表面局部，平均最大爆裂面積為7.06cm<'2>，最大爆裂深度小于1mm。 (2)隧道防火涂料可有效改善混凝土高溫性能。 抹涂隧道防火涂料的混凝土，其耐火極限得到了大幅度提高，所有混凝土試件均未發(fā)生爆裂。抹涂隧道防火涂料的混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度與彈性模量均高于未抹涂隧道防火涂料的。

4、 3．超聲波檢測(cè)技術(shù)在混凝土高溫?fù)p傷中的應(yīng)用 (1)混凝土經(jīng)歷高溫作用后的超聲波聲參量發(fā)生了明顯衰減，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。 J0，J2和J3經(jīng)歷高溫作用前的聲速值約5.5km/s，而高溫作用后聲速值減小到2.5km/s左右?；炷猎嚰_(dá)到耐火極限后取出冷卻4h和36h的超聲波頻率損失率表明，J2和J3的損傷程度隨著冷卻時(shí)間的增加而產(chǎn)生進(jìn)一步的損傷。高溫作用后混凝土的超聲波首波產(chǎn)生畸變，波形變寬，聲時(shí)增加，波形整體

5、由規(guī)則有序狀態(tài)變?yōu)榛靵y無序狀態(tài)。 (2)混凝土試件達(dá)到耐火極限后取出冷卻36h，損傷層厚度達(dá)到56～100mm。 4．混凝土高溫性能劣化機(jī)理 (1)水泥石的劣化表現(xiàn)為水化產(chǎn)物的分解與高溫膨脹收縮。 不同摻合料制備水泥石的DSC曲線吸熱峰峰值主要集中于三個(gè)溫度范圍：70～110℃，自由水、鈣礬石與石膏脫水；430～450℃，Ca(OH)<,2>脫水； 650～690℃，CaCO<,3>分解。加入礦物摻合料的

6、水泥石中Ca(OH)<,2>分解熱焓值低于純水泥的，而且礦物摻合料的活性越高，其分解的熱焓值越低。 Ca(OH)<,2>的XRD特征峰(d=2.6292)強(qiáng)度隨著溫度增加而逐步減少。從25℃至800℃，Ca(OH)<,2>的XRD特征峰由獨(dú)立峰寬化變?yōu)榉蔷B(tài)隆起包。 經(jīng)歷高溫作用時(shí)，水泥石的一維尺寸表現(xiàn)為先膨脹，后收縮的特點(diǎn)。適量的摻合料有助于改善水泥石的高溫變形，增強(qiáng)水泥石的高溫體積穩(wěn)定性。此外，純水泥(Sampie0

7、)，摻20％礦粉水泥石(Sample 2)和摻入10％硅灰與20％粉煤灰水泥石．(Sample 4)的熱膨脹收縮曲線變化特點(diǎn)可將其熱膨脹收縮分為四個(gè)階段：20℃～130℃，微膨脹階段：130℃～420℃，急劇收縮階段，Sample 0和Sample 4線膨脹率高于Sampie 2；420℃～500℃，繼續(xù)收縮，線膨脹率Sample 0>Sample 4>Sample 2：500℃～1000℃，收縮變緩，Sample 0>Sampie 2

8、>Sample 4。 (2)不同摻合料制備試件在不同溫度下的爆裂存在差異；聚丙烯纖維的長(zhǎng)徑比、摻量和混雜對(duì)試件爆裂性能有明顯影響。 不同摻合料制備試件在100℃與300℃時(shí)，未發(fā)生爆裂；600℃時(shí)，所有試件粉碎性爆裂。100℃時(shí)，隨著礦物摻合料的活性增加，試件的抗壓強(qiáng)度損失系數(shù)逐漸縮小。300℃時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度與與抗折強(qiáng)度都明顯比100℃時(shí)的強(qiáng)度高。 高長(zhǎng)徑比纖維改善試件抗爆裂性能的效果比低長(zhǎng)徑比纖維優(yōu)異。在纖維

9、長(zhǎng)徑比一定的條件下，高長(zhǎng)徑比纖維改善試件抗爆裂性能的臨界摻量少于低長(zhǎng)徑比纖維的。300℃時(shí)，摻入聚丙烯纖維的試件經(jīng)歷高溫作用后，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度將不同程度地得到增加。600℃時(shí)，高纖維摻量試件的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度比低摻量試件降低幅度大。此外，混雜纖維(不同長(zhǎng)徑比纖維復(fù)合)可有效改善試件的爆裂性。 (3)考慮混凝土內(nèi)部因素，從材料學(xué)的角度出發(fā)，分析了水泥石結(jié)構(gòu)，水泥石+細(xì)集料結(jié)構(gòu)，水泥石+細(xì)集料十粗集料結(jié)構(gòu)的爆裂機(jī)理，提出綜合考