梯度結(jié)構(gòu)混凝土的體積穩(wěn)定性研究與應(yīng)用.pdf

1、隨著城市化進(jìn)程的加快，土地資源短缺的問(wèn)題日益突出，對(duì)地下空間的大規(guī)模開發(fā)已成必然趨勢(shì)。由于地下混凝土結(jié)構(gòu)工程所服役環(huán)境更為惡劣、服役年限更長(zhǎng)，要求其具有高耐久性。而混凝土體積穩(wěn)定性是其耐久性研究中的首要內(nèi)容。針對(duì)當(dāng)前對(duì)梯度結(jié)構(gòu)混凝土體積穩(wěn)定的研究甚少，本論文依托武漢長(zhǎng)江隧道工程和國(guó)家“863”課題《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》，開展基于體積穩(wěn)定性的梯度結(jié)構(gòu)混凝土的設(shè)計(jì)、研究與應(yīng)用。主要工作和得到的結(jié)論如下：

2、 1、首次提出基于體積穩(wěn)定性的梯度結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)理念與方法依據(jù)毛細(xì)管張力學(xué)說(shuō)、結(jié)晶膨脹機(jī)理建立體積變形物理模型；并對(duì)混凝土體積變形破壞機(jī)理進(jìn)行分析，提出膨脹可調(diào)控技術(shù)、裂縫細(xì)微化與自愈合理論，并結(jié)合現(xiàn)有的補(bǔ)償收縮機(jī)理、熱穩(wěn)定性機(jī)理，為制備出高體積穩(wěn)定性混凝土提供理論依據(jù)；將梯度概念混凝土引入設(shè)計(jì)中，提出梯度功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及方法，實(shí)現(xiàn)保護(hù)層的防護(hù)功能，要求其具有高抗裂、自修復(fù)及致密性特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)層提供結(jié)構(gòu)支撐功能，要求其與養(yǎng)護(hù)制度相匹配，

3、從而建立梯度功能結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)體系。 2、以鈣硅鋁質(zhì)超細(xì)粉體材料、小分子聚醚類等作為變形抑制組分，以有機(jī)混雜纖維及就地反應(yīng)堵塞型修復(fù)材料作為抗裂自修復(fù)組分，通過(guò)單因素試驗(yàn)分析研制出一種新型的抗裂自愈合摻合料(簡(jiǎn)稱：ACSH)。 與等量的粉煤灰基準(zhǔn)樣(25％)進(jìn)行作用效應(yīng)對(duì)比分析，結(jié)果表明： ①力學(xué)性能在秋季自然養(yǎng)護(hù)下，可使12h脫模抗折強(qiáng)度提高144％，抗壓強(qiáng)度提高119％；28d抗折強(qiáng)度提高9 ％，抗壓強(qiáng)度提高

4、7.5％； ②體積變形 1d時(shí)收縮值下降67％，28d收縮降低31％及90d降低23％；在80℃沸煮箱養(yǎng)護(hù)14d下膨脹率下降25％； ③開裂敏感性開裂時(shí)間由96h延長(zhǎng)到121h，裂縫寬度降低50％； ④自修復(fù)能力強(qiáng)度回復(fù)率由0.72增大到0.92，提高了25％。 3、首次針對(duì)梯度結(jié)構(gòu)混凝土的保護(hù)層——無(wú)細(xì)觀界面過(guò)渡區(qū)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能、徐變性及收縮變形研究，并對(duì)其隨齡期的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析如下：

5、 ①?gòu)椥阅Ａ扛鶕?jù)Mosley模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸，其彈性模量隨齡期的發(fā)展規(guī)律為：E<,t>=E<,28>[0.40+0.19×10g(t)](t≤28)(R<'2>=0.96264)，E<,t>=1.019 E<,28>(t>28)； ②劈拉強(qiáng)度根據(jù)ACI C209對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸，其劈拉強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展規(guī)律為：f<,sp>=6.92t/(1.7+t) (R<'2>=0.98374，)； ③早期徐變性根據(jù)ACI(

6、1978)提出的雙曲線模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸，其早期徐變度隨齡期的發(fā)展規(guī)律為C<,t>=38.7t/(6.3+t)(R<'2>=0.98934)； ④收縮變形根據(jù)ACI(1978)提出的雙曲線模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸，其收縮變形隨齡期的發(fā)展規(guī)律為ε=560.2t/(8.2+t)(R<'2>=0.99561)。 4、針對(duì)隧道管片混凝土常采用的蒸氣養(yǎng)護(hù)，模擬出養(yǎng)護(hù)溫度與水化熱協(xié)同作用下混凝土內(nèi)部的溫度歷程；并系統(tǒng)研究在此溫度歷程

7、下材料組分對(duì)結(jié)構(gòu)層中AFt穩(wěn)定性的影響其結(jié)果表明： ①長(zhǎng)度變化在40℃的水環(huán)境下，早期按模擬的溫度歷程養(yǎng)護(hù)的純水泥體系及單摻UEA補(bǔ)償收縮體系在第一次快速膨脹變形穩(wěn)定后的約60d再次發(fā)生明顯的膨脹變形；但摻加礦物摻合料(如，礦粉)，可以明顯抑制后期的過(guò)度膨脹；例外， NS外加劑的摻入促進(jìn)早期膨脹，后期膨脹穩(wěn)定，有利于其體積穩(wěn)定性。 ②XRD分析早期按內(nèi)部溫度歷程養(yǎng)護(hù)的純水泥體系及單摻UEA補(bǔ)償收縮體系易發(fā)生鈣礬石和單硫型

8、水化硫鋁酸鈣晶形轉(zhuǎn)變；而密封后再按內(nèi)部溫度歷程養(yǎng)護(hù)后，早期高溫分解的鈣礬石在后期降溫階段不會(huì)再次形成。 摻入適量的NS外加劑可以增強(qiáng)鈣礬石的穩(wěn)定性及鈍化其晶形轉(zhuǎn)變的溫度效應(yīng)。 ③SEM分析摻加礦物摻合料(如，礦粉SL)，生成長(zhǎng)板狀的非膨脹性鈣礬石；而純水泥體系及單摻UEA補(bǔ)償收縮體系形成針棒狀的膨脹性鈣礬石。 在降溫階段后，密封養(yǎng)護(hù)的純水泥體系在孔隙中只發(fā)現(xiàn)卷葉狀的單硫型硫鋁酸鈣，而未發(fā)現(xiàn)針棒狀鈣礬石。

9、5、對(duì)制備出梯度結(jié)構(gòu)混凝土(GSC)，進(jìn)行體積變形評(píng)價(jià)和多因素作用下的抗裂性能評(píng)價(jià)，并應(yīng)用于武漢長(zhǎng)江隧道工程①首次對(duì)梯度結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層和結(jié)構(gòu)層體積變形的匹配性進(jìn)行研究，并采用界面力學(xué)的方法對(duì)梯度結(jié)構(gòu)混凝土體積變形一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的梯度結(jié)構(gòu)混凝土具有良好的體積變形協(xié)調(diào)性，不會(huì)出現(xiàn)非一致性破壞。 ②由于實(shí)際工程中混凝土絕大多數(shù)是單面暴露在環(huán)境中，因此本文采用單面干燥環(huán)境來(lái)評(píng)價(jià)高壓富水的地下工程混凝土失水后的收縮

10、變形，同時(shí)采用單面地下水環(huán)境評(píng)價(jià)地下工程混凝土在高壓富水后的膨脹變形。試驗(yàn)結(jié)果表明：與純水泥體系比較，GSC單面干燥收縮變形28、90d下降26％和30％，單面地下水環(huán)境引起的膨脹變形44周下降74％；與摻25％的礦粉復(fù)合水泥體系相比，GSC單面干燥收縮變形28、90d分別下降12％和17％，單面地下水環(huán)境引起的膨脹變形44周下降60％。這表明FGSC可明顯抑制混凝土長(zhǎng)期體積變形，有利于其體積穩(wěn)定性。③借鑒平板約束開裂法，進(jìn)行穩(wěn)定環(huán)境(

11、溫度30±1℃，相對(duì)濕度為50±％，風(fēng)速為2m/s)下單因素抗裂性能評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果表明：14d穩(wěn)態(tài)環(huán)境下FGSC未出現(xiàn)可見裂縫，而摻25％礦粉的復(fù)合水泥體系6h出現(xiàn)0.2mm的可見裂紋； ④成型尺寸比例為1：5的管片進(jìn)行地下水和溫度循環(huán)共同作用下的多因素抗裂性能評(píng)價(jià)，采用超聲波波速及電通量變化率來(lái)表征溫度循環(huán)和地下水作用帶來(lái)的微裂紋損傷度。結(jié)果表明，采用超聲波波速變化率評(píng)價(jià)時(shí)，GSC體系的平均損傷程度為0.18，而25％礦粉體系

12、混凝土為0.38；GSC體系的電通量由標(biāo)養(yǎng)時(shí)149庫(kù)侖略增加到252庫(kù)侖，其平均損傷度為0.70，而25％SL體系混凝土由標(biāo)養(yǎng)時(shí)的1267庫(kù)侖增加到2728庫(kù)侖，其平均損傷度為1.15。這表明GSC體系具有更好的抗裂性能。 ⑤采用梯度功能結(jié)構(gòu)混凝土制備出1：1管片應(yīng)用于武漢長(zhǎng)江隧道工程，其管片混凝土28d干縮率為1.95×10<'-4>，90d干縮率為2.45×10<'-4>。 6、對(duì)比和分析了國(guó)內(nèi)外水泥基材料體積變形測(cè)

13、定方法，研發(fā)了一種多環(huán)境下水泥基材料體積變形在線監(jiān)測(cè)儀及方法。 ①采用環(huán)境模擬技術(shù)來(lái)模擬所需的工程環(huán)境(溫度、濕度及氣體濃度，等)； ②采用激光和電渦流測(cè)微技術(shù)擴(kuò)大其使用范圍，如：高溫、高濕及塵埃環(huán)境； ③采用多通路設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制方法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，同時(shí)對(duì)多組試件進(jìn)行測(cè)試，降低了測(cè)試成本，提高使用效率； ④對(duì)模具進(jìn)行改進(jìn)，使測(cè)試過(guò)程可不需拆模，不需移動(dòng)試件，可消除或減緩?fù)饨绲母蓴_，同時(shí)避免試