跨江海隧道功能梯度混凝土管片的研究與應(yīng)用.pdf

1、21世紀(jì)是開(kāi)發(fā)利用地下空間的世紀(jì)，跨江海隧道和城市地鐵的修建已經(jīng)步入高速發(fā)展時(shí)期，其中有相當(dāng)多的交通隧道是采用盾構(gòu)工法來(lái)修建的盾構(gòu)隧道，而鋼筋混凝土管片是一種常見(jiàn)的應(yīng)用于盾構(gòu)隧道的混凝土預(yù)制構(gòu)件。在跨江海盾構(gòu)隧道中，管片是隧道的結(jié)構(gòu)主體和防水抗?jié)B主體，且長(zhǎng)期處于Cl<'->、SO<,4><'2->等有害介質(zhì)的侵蝕環(huán)境下，因此，對(duì)管片的性能要求特別是耐久性要求相當(dāng)高。 論文研究工作來(lái)源于國(guó)家“863”計(jì)劃課題(課題編號(hào)：2005A

2、A332010)——《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》，依托萬(wàn)里長(zhǎng)江第一隧——武漢長(zhǎng)江隧道工程，圍繞鋼筋混凝土管片耐久性技術(shù)難題進(jìn)行了功能梯度混凝土管片(Functionally Gradient Concrete Segment，簡(jiǎn)稱FGCS)的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耐久性能、收縮性能、界面性能、制備工藝以及微觀結(jié)構(gòu)的研究，揭示了功能梯度混凝土管片的材料-結(jié)構(gòu)-性能-工藝之間的相關(guān)規(guī)律，建立了功能梯度混凝土管片的材料與結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計(jì)、制備工藝、性能檢測(cè)、耐久性評(píng)估、工程應(yīng)用等方面的關(guān)鍵技術(shù)。主要工作及成果如下： 1、提出了功能梯度混凝土管片的設(shè)計(jì)理論體系。提出了功能梯度混凝土管片的全程性價(jià)比設(shè)計(jì)理念以及功能/結(jié)構(gòu)一體化、長(zhǎng)壽命化、界面增強(qiáng)等設(shè)計(jì)理論，建立了功能梯度混凝土管片的強(qiáng)度、耐久性、體積穩(wěn)定性、多功能性、制備工藝方面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及其設(shè)計(jì)方法，為地下工程混凝土的梯度功能設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。 2、完成了功能梯度混凝土管片的功能/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。

4、在鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入梯度功能設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行功能/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，提出兩種功能梯度混凝土管片設(shè)計(jì)方案——HPC高抗?jié)B保護(hù)層方案和MIF高抗?jié)B保護(hù)層方案，設(shè)計(jì)出外層高致密防水、保護(hù)層高抗?jié)B抗蝕、結(jié)構(gòu)層高強(qiáng)高性能和內(nèi)層防火抗爆的功能梯度混凝土管片，將材料的功能設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一起來(lái)。 3、開(kāi)發(fā)了無(wú)細(xì)觀界面過(guò)渡區(qū)水泥基復(fù)合材料(Meso-interfacial transition zone-freecement-based

5、materials，簡(jiǎn)稱MIF)。取消傳統(tǒng)水泥基復(fù)合材料中粗、細(xì)集料，引入特細(xì)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(diào)整組分，細(xì)化或消除集料-水泥石之間界面過(guò)渡區(qū)，將材料的微觀結(jié)構(gòu)的改善與宏觀性能的優(yōu)化統(tǒng)一起來(lái)，開(kāi)發(fā)適用于地下工程結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層的MIF。提出MIF的設(shè)計(jì)理論，研究其力學(xué)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(jìn)測(cè)試手段來(lái)研究

6、其微觀性能：①M(fèi)IF的集料與水泥石界面過(guò)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(dá)到了395MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)混凝土界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度為150～250MPa的范圍，且MIF界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)的主要水化產(chǎn)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(guò)渡區(qū)由傳統(tǒng)混凝土的60～100 μm細(xì)化為30 μm以下，’從而有效地阻斷了侵蝕性介質(zhì)的滲入通道。 ②MIF的主要技術(shù)指標(biāo)：

7、28d抗壓強(qiáng)度≥60MPa；Cl<'->擴(kuò)散系數(shù)≤0.8×10<'-13>m<'2>/s，6h導(dǎo)電量<300庫(kù)侖，抗?jié)B標(biāo)號(hào)≥S40。 4、系統(tǒng)研究了功能梯度混凝土的界面性能與微觀結(jié)構(gòu)。采用劈裂抗拉試驗(yàn)、自然擴(kuò)散和加速擴(kuò)散試驗(yàn)以及ANSYS模擬來(lái)分別研究功能梯度混凝土的界面力學(xué)性能、傳輸性能和收縮性能，同時(shí)，采用SEM-EDXA、MIP、顯微硬度等先進(jìn)測(cè)試方法來(lái)研究功能梯度混凝土功能層界面的水化產(chǎn)物及其分布、孔隙結(jié)構(gòu)特征以及界面結(jié)

8、合情況等界面微觀結(jié)構(gòu)，并建立其界面結(jié)構(gòu)模型： ①功能梯度混凝土進(jìn)行兩次澆注成型時(shí)，采用界面強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度10％～35％，產(chǎn)生界面增強(qiáng)效應(yīng)，能夠有效地解決功能梯度混凝土功能層界面粘結(jié)強(qiáng)度降低的問(wèn)題。 ②與單一的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)層混凝土相比，高抗?jié)B保護(hù)層與高強(qiáng)結(jié)構(gòu)層功能梯度混凝土的Cl<'->擴(kuò)散系數(shù)顯著下降，采用自然擴(kuò)散法測(cè)試的表觀Cl<'->擴(kuò)散系數(shù)D<,a>下降了25％～50％，

9、采用NEL法測(cè)試的Cl<'->擴(kuò)散系數(shù)D<,NEL>下降了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，采用電量法測(cè)試的6h導(dǎo)電量Q低于400庫(kù)侖，可見(jiàn)，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(hù)層方案的功能梯度混凝土管片為實(shí)例，采用ANSYS計(jì)算的功能梯度混凝土管片界面結(jié)合區(qū)的最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于其界面粘結(jié)強(qiáng)度，界面結(jié)合區(qū)由于收縮引起的應(yīng)力不會(huì)引起功能梯度混凝土管片的開(kāi)裂，高抗?jié)B保護(hù)層也不會(huì)脫落，高抗?jié)B保護(hù)層與高強(qiáng)結(jié)構(gòu)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(hù)層與高強(qiáng)結(jié)構(gòu)層功能梯度混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)均得到了顯著改善，與HPC高抗?jié)B保護(hù)層方案的功能梯度混凝土相比，MIF高抗?jié)B保護(hù)層方案的功能梯度混凝土界面結(jié)合區(qū)的顯微硬度更高，界面結(jié)合區(qū)中孔半徑≥25nm的孔更少，MIF高抗?jié)B保護(hù)層方案的功能梯度混凝土從界面結(jié)合區(qū)到水泥漿體本體有較多網(wǎng)絡(luò)狀的C-S-H凝膠，以及數(shù)量較少的CH晶體，且CH晶體的取向性差，MIF高抗?jié)B保護(hù)層方案界面結(jié)合區(qū)的結(jié)合情況要好于HP

11、C高抗?jié)B保護(hù)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(guò)渡，提出了功能梯度混凝土基于耐久性能變化的界面結(jié)構(gòu)模型和基于材料組分變化的界面結(jié)合區(qū)結(jié)構(gòu)模型；根據(jù)水泥基復(fù)合材料的集料和水泥石界面過(guò)渡區(qū)厚度和CH晶體的特點(diǎn)，提出了普通混凝土、MIF的集料和水泥石界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)模型。 5、建立了功能梯度混凝土管片生產(chǎn)與工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。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(zhì)量控制方面的關(guān)鍵制備技術(shù)以及性能