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

1、隨著城市化進程的加快，土地資源短缺的問題日益突出，對地下空間的大規(guī)模開發(fā)已成必然趨勢。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，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。針對當前對梯度結(jié)構(gòu)混凝土體積穩(wěn)定的研究甚少，本論文依托武漢長江隧道工程和國家“863”課題《高抗?jié)B長壽命大管徑隧道管片材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程應(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、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)計理念與方法依據(jù)毛細管張力學(xué)說、結(jié)晶膨脹機理建立體積變形物理模型；并對混凝土體積變形破壞機理進行分析，提出膨脹可調(diào)控技術(shù)、裂縫細微化與自愈合理論，并結(jié)合現(xiàn)有的補償收縮機理、熱穩(wěn)定性機理，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)計中，提出梯度功能結(jié)構(gòu)設(shè)計原理及方法，實現(xiàn)保護層的防護功能，要求其具有高抗裂、自修復(fù)及致密性特點，結(jié)構(gòu)層提供結(jié)構(gòu)支撐功能，要求其與養(yǎng)護制度相匹配，

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)超細粉體材料、小分子聚醚類等作為變形抑制組分，以有機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，通過單因素試驗分析研制出一種新型的抗裂自愈合摻合料(簡稱：ACSH)。 與等量的粉煤灰基準樣(25％)進行作用效應(yīng)對比分析，結(jié)果表明： ①力學(xué)性能在秋季自然養(yǎng)護下，可使12h脫?？拐蹚姸忍岣?44％，抗壓強度提高119％；28d抗折強度提高9 ％，抗壓強度提高

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

5、 ①彈性模量根據(jù)Mosley模型對試驗結(jié)果進行回歸，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劈拉強度根據(jù)ACI C209對試驗結(jié)果進行回歸，其劈拉強度隨齡期的發(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結(jié)果進行回歸，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試驗結(jié)果進行回歸，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、針對隧道管片混凝土常采用的蒸氣養(yǎng)護，模擬出養(yǎng)護溫度與水化熱協(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、下材料組分對結(jié)構(gòu)層中AFt穩(wěn)定性的影響其結(jié)果表明： ①長度變化在40℃的水環(huán)境下，早期按模擬的溫度歷程養(yǎng)護的純水泥體系及單摻UEA補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度膨脹；例外， NS外加劑的摻入促進早期膨脹，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)護的純水泥體系及單摻UEA補償收縮體系易發(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)護后，早期高溫分解的鈣礬石在后期降溫階段不會再次形成。 摻入適量的NS外加劑可以增強鈣礬石的穩(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)，生成長板狀的非膨脹性鈣礬石；而純水泥體系及單摻UEA補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、對制備出梯度結(jié)構(gòu)混凝土(GSC)，進行體積變形評價和多因素作用下的抗裂性能評價，并應(yīng)用于武漢長江隧道工程①首次對梯度結(jié)構(gòu)混凝土保護層和結(jié)構(gòu)層體積變形的匹配性進行研究，并采用界面力學(xué)的方法對梯度結(jié)構(gòu)混凝土體積變形一致性進行評價，計算結(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，不會出現(xiàn)非一致性破壞。 ②由于實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)境來評價高壓富水的地下工程混凝土失水后的收縮

10、變形，同時采用單面地下水環(huán)境評價地下工程混凝土在高壓富水后的膨脹變形。試驗結(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，進行穩(wěn)定環(huán)境(

11、溫度30±1℃，相對濕度為50±％，風(fēng)速為2m/s)下單因素抗裂性能評價，試驗結(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的管片進行地下水和溫度循環(huán)共同作用下的多因素抗裂性能評價，采用超聲波波速及電通量變化率來表征溫度循環(huán)和地下水作用帶來的微裂紋損傷度。結(jié)果表明，采用超聲波波速變化率評價時，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體系的電通量由標養(yǎng)時149庫侖略增加到252庫侖，其平均損傷度為0.70，而25％SL體系混凝土由標養(yǎng)時的1267庫侖增加到2728庫侖，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、對比和分析了國內(nèi)外水泥基材料體積變形測

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)測儀及方法。 ①采用環(huán)境模擬技術(shù)來模擬所需的工程環(huán)境(溫度、濕度及氣體濃度，等)； ②采用激光和電渦流測微技術(shù)擴大其使用范圍，如：高溫、高濕及塵埃環(huán)境； ③采用多通路設(shè)計和自動控制方法實現(xiàn)在線監(jiān)測及數(shù)據(jù)的自動采集，同時對多組試件進行測試，降低了測試成本，提高使用效率； ④對模具進行改進，使測試過程可不需拆模，不需移動試件，可消除或減緩?fù)饨绲母蓴_，同時避免試