功能梯度盾构管片混凝土抗裂设计与评价

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1、摘要盾构工法已成为我国修建越江、越海隧道和城市地铁的主要施工方法。预制钢筋混凝土管片作为盾构隧道衬砌结构的主体，对工程质量和服役寿命影响巨大。一旦管片由于体积稳定性不良而导致开裂，将使耐久性能急剧劣化，并产生高昂的修补和维护费用。因此，开展管片材料的抗裂设计与评价，对于盾构隧道工程质量和寿命的提高具有重大意义。本论文依托国家863计划项目《高抗渗长寿命大管径隧道管片材料结构设计与工程应用》(编号：2005AA332010)，以武汉长江隧道工程为背景，针对功能梯度盾构管片(FunctionallyG

2、radientSegment，简称FGS)的体积稳定性，对构成管片的各功能层及界面层体积变形进行了系统研究，并对抗裂性能进行了综合评价，主要成果如下：1．根据FGS设计理念，对管片混凝土材料进行分层设计。依据梯度结构设计原理及方法，突出实现保护层的防护功能和结构层的支撑功能，并采用压印工艺对界面薄弱区进行强化处理，较好地兼顾了材料的功能性与经济成本。2．系统研究了不同功能层的体积稳定性①矿粉掺量为25％时，可使结构层混凝土干燥收缩降低10％并延长初始开裂时间7h。随粉煤灰掺量的增大，干缩率降低，掺

3、量为20％时，初始开裂时间延长19h。NazS04掺量在1．5％时，初始开裂时间降低15h。．②矿粉与粉煤灰均可降低结构层混凝土的水化温升，矿粉掺量在20"-'25％时可使水化热峰值提前3h，粉煤灰掺量为25％时可推迟水化热峰值3h。Na2S04掺量为1％和3％时，水化热峰值分别提前0．6h和2h，且水化温升增大。⑧蒸养温度对保护层混凝土外加剂的减缩抗裂性能影响较大。蒸养温度从45。C升高到65。C，掺减水剂和UEA膨胀剂的试样开裂敏感性降低，减缩剂对蒸养温度变化不敏感。微观形貌分析表明，随蒸养温

4、度的升高，水化产物总量增加，块状Ca(OH)2结晶减少，结构趋于致密。④矿物质微膨胀剂掺量增加，干燥收缩和自生收缩最大可降低59％和33％。当掺量为25％时，初始开裂时间为82h；硅灰掺量为10％时，干燥收缩和自生收缩分别增大34％和32％，初始开裂时间降低23h，开裂敏感性增大。⑤聚羧酸减水剂掺量为O．8％可使干缩率降低27％；早强剂Na2S04会引起结晶膨胀，且掺量增加，膨胀期提前，三乙醇胺对干燥收缩影响不大；减缩剂掺量为2％时，干燥收缩降低44％，初始开裂时间延长至128h；化学转换型裂缝修

5、补材料掺量为2％时可使干缩率降低13％：聚合物改性剂可显著降低干燥收缩和裂缝发展速率，聚胶比P／B增大到O．3时，初始开裂时间达到172h，大大降低了开裂敏感性。⑥长短聚丙烯纤维按7：3比例混杂并与裂缝修复组分WP复掺时，裂缝自愈合效果最好。水养90d后强度回复率达到93％。可利用超声波的声参量对愈合能力进行检测，掺入混杂纤维和裂缝修复组分WP的试样开裂后养护90d，声速与频率比开裂后的数值有所回升，分别增加10．5％和3％，振幅呈递减趋势，但降低幅度由基准样的6．5％减小为2．5％。超声波可以作

6、为一种新的评价手段在白愈合效应的研究中加以应用。3．界面薄弱区的体积变形非一致性研究、抗裂性能评价及徐变分析与界面抗裂性能相关的各参数随龄期的发展规律如下：①以复合指数公式回归出保护层混凝土的弹性模量与龄期的关系为EO)=41．1×(1一e--O．442，I‘”)。②根据美国ACIC209规范回归出混凝土的劈裂抗拉强度f§p与龄期t的关系为Lo=6．92t／(1．7+f1。③以试验结果为基础计算出泊松比的平均值为0．202。④保护层及界面层约束应变随龄期的变化关系分别为占=f1．83—0．42t-

7、o∞)11．24和s=(9．30—6．65t-o’14)31。⑤保护层与界面层约束拉伸应变最大时约束度分别为0．107和0．536。⑥保护层混凝土的徐变值与龄期的拟合关系为s，，=181．8t0。2。oF根据收缩应力公式盯=K。．R．尝进行计算，保护层与界面层安全系数最‘1一Vc低值分别为6．56和2．97，均大于混凝土构件设计要求值，满足抗裂要求。粉煤灰由于早期反应程度较低，掺入后将增大徐变。高温蒸汽养护可大幅度降低徐变，360d蒸养结构层混凝土的徐变值与徐变度分别为502．3x10。6和32．

8、4x10‘6／MPa，比标养试样分别降低了45．1％和39．8％。徐变随加荷龄期的不同变化显著，加荷龄期越晚，徐变度越小，180d加荷，徐变度比3d加荷降低64％。关键词：功能梯度盾构管片；体积稳定性；抗裂性能；界面应力；约束拉伸应变；徐变；自愈合效应IIAbstractShieldconstructionmethodhasbeenmajortechnologyandsolutionforriver-crossingtunnel，sea-crossingtunnelandurban