梯度混凝土材料滲透性能的研究.pdf

1、目前，我國地下交通隧道工程已經(jīng)步入大規(guī)模建設(shè)時期，其中有不少是采用盾構(gòu)工法修建的盾構(gòu)隧道，而作為盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)主體的管片，同時也是盾構(gòu)隧道的防水抗?jié)B主體，管片的抗?jié)B性能對盾構(gòu)隧道的耐久性和服役壽命具有決定性的影響，因此，開展管片材料的設(shè)計與性能研究，對提高管片的抗?jié)B性能具有重要的意義。 本論文從功能梯度材料設(shè)計原理角度出發(fā)，并應(yīng)用于盾構(gòu)管片材料設(shè)計。根據(jù)材料學(xué)原理和施工工藝，制備出具有較高早期強(qiáng)度和高抗?jié)B性能的材料。其技術(shù)核心

2、為：高抗?jié)B材料的設(shè)計與研究；梯度混凝土(Gradient StructuralConcrete，以下簡稱為GSC)材料滲透性能及其評價方法的研究。主要工作及研究成果如下： 根據(jù)混凝土耐久性與滲透性的關(guān)系及混凝土材料破壞的原理，對高抗?jié)B材料進(jìn)行了三組份設(shè)計：密實(shí)填充組份、抗裂功能組份、界面強(qiáng)化組份。其中密實(shí)填充組份采用三元膠凝材料體系設(shè)計，依據(jù)不同膠凝材料的次第水化效應(yīng)，滿足早期強(qiáng)度及長期耐久性的要求；抗裂功能組份采用有機(jī)混雜纖維

3、和化學(xué)減縮材料復(fù)合使用，正交試驗結(jié)果及單因素試驗結(jié)果均顯示，聚丙烯纖維加入硅灰混凝土中，對混凝土滲透性能無顯著影響，大體積摻量的聚丙烯纖維可能會增加硅灰混凝土的滲透性。對于硅灰混凝土，聚丙烯纖維的體積摻量應(yīng)不超過0.10％；界面強(qiáng)化組份主要采用優(yōu)化了顆粒級配及粒徑的集料，通過調(diào)整集料的體積分?jǐn)?shù)及集料間距強(qiáng)化界面性能。 本論文對GSC材料滲透性能的評價方法為：氯離子在電場作用下的加速擴(kuò)散方法、自然擴(kuò)散方法和水壓滲透方法。其中通過快

4、速試驗方法(NEL法)對材料參數(shù)進(jìn)行選擇優(yōu)化；采用6h電通量方法(ASTM C1202)研究GSC材料隨齡期增長氯離子滲透性能的變化規(guī)律：通過自然擴(kuò)散法和水壓滲透法研究材料在模擬服役環(huán)境條件下的滲透性能。 GSC材料的滲透性能與高抗?jié)B層材料密切相關(guān)。對采用不同高抗?jié)B層材料的GSC材料，高抗?jié)B層材料滲透性越低，則GSC材料滲透性能越低。滲透性測試結(jié)果顯示，GSC材料中結(jié)構(gòu)層與高抗?jié)B層材料抗?jié)B性大小依次為：無細(xì)觀界面過渡區(qū)水泥基復(fù)合

5、材料(Meso Interfacial Transition Zone Free Cement-basedMaterial，以下簡稱MIF)>低滲透混凝土(LOW Permeability Concrete，以下簡稱LPC)>結(jié)構(gòu)層材料。NEL測試結(jié)果顯示，MIF材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為0.5×10<'-13>m<'2>/s左右，比結(jié)構(gòu)層材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)提高了兩個數(shù)量級；與之對應(yīng)的LPC材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)約為3.0×10<'-13

6、>m<'2>/s。MIF材料表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)不到結(jié)構(gòu)層材料的1/5，90d的氯離子(氯離子濃度為4mol/L)滲透深度僅為8mm；而LPC及結(jié)構(gòu)層材料的氯離子滲透深度均在15mm左右且最表層氯離子濃度約為MIF材料的2倍。根據(jù)逾滲理論，介質(zhì)在多孔材料中的滲透與結(jié)構(gòu)的長程連通性相關(guān)。對于水泥基材料毛細(xì)孔孔隙率和界面過渡區(qū)厚度是影響材料長程連通性的重要參數(shù)。試樣壓汞法測試結(jié)果顯示，MIF材料水泥石中大于10nm的孔僅為總孔隙的60％；LP

7、C材料中大于10nm的孔為總孔隙的77％左右；結(jié)構(gòu)層材料的孔均大于10nm，說明以上多孔材料的連通性依次為：MIF>LPC>結(jié)構(gòu)層材料。顯微硬度測試和掃描電鏡觀察結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)層材料界面區(qū)厚度在40μm以上，界面處疏松且有定向排列的Ca(OH)<,2>，界面處與水泥石本體顯微硬度的差值在40％左右；而LPC材料的界面區(qū)厚度有所降低，差值也減至30％左右；MIF材料的界面區(qū)差值小于25％，且從界面處至水泥石本體，顯微硬度值是漸變地，說明M