功能梯度盾構(gòu)管片混凝土抗裂設(shè)計與評價

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1、摘要盾構(gòu)工法已成為我國修建越江、越海隧道和城市地鐵的主要施工方法。預(yù)制鋼筋混凝土管片作為盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主體，對工程質(zhì)量和服役壽命影響巨大。一旦管片由于體積穩(wěn)定性不良而導(dǎo)致開裂，將使耐久性能急劇劣化，并產(chǎn)生高昂的修補和維護費用。因此，開展管片材料的抗裂設(shè)計與評價，對于盾構(gòu)隧道工程質(zhì)量和壽命的提高具有重大意義。本論文依托國家863計劃項目《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》(編號：2005AA332010)，以武漢長江隧道工程為背景，針對功能梯度盾構(gòu)管片(FunctionallyG

2、radientSegment，簡稱FGS)的體積穩(wěn)定性，對構(gòu)成管片的各功能層及界面層體積變形進行了系統(tǒng)研究，并對抗裂性能進行了綜合評價，主要成果如下：1．根據(jù)FGS設(shè)計理念，對管片混凝土材料進行分層設(shè)計。依據(jù)梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計原理及方法，突出實現(xiàn)保護層的防護功能和結(jié)構(gòu)層的支撐功能，并采用壓印工藝對界面薄弱區(qū)進行強化處理，較好地兼顧了材料的功能性與經(jīng)濟成本。2．系統(tǒng)研究了不同功能層的體積穩(wěn)定性①礦粉摻量為25％時，可使結(jié)構(gòu)層混凝土干燥收縮降低10％并延長初始開裂時間7h。隨粉煤灰摻量的增大，干縮率降低，摻

3、量為20％時，初始開裂時間延長19h。NazS04摻量在1．5％時，初始開裂時間降低15h。．②礦粉與粉煤灰均可降低結(jié)構(gòu)層混凝土的水化溫升，礦粉摻量在20"-'25％時可使水化熱峰值提前3h，粉煤灰摻量為25％時可推遲水化熱峰值3h。Na2S04摻量為1％和3％時，水化熱峰值分別提前0．6h和2h，且水化溫升增大。⑧蒸養(yǎng)溫度對保護層混凝土外加劑的減縮抗裂性能影響較大。蒸養(yǎng)溫度從45。C升高到65。C，摻減水劑和UEA膨脹劑的試樣開裂敏感性降低，減縮劑對蒸養(yǎng)溫度變化不敏感。微觀形貌分析表明，隨蒸養(yǎng)溫

4、度的升高，水化產(chǎn)物總量增加，塊狀Ca(OH)2結(jié)晶減少，結(jié)構(gòu)趨于致密。④礦物質(zhì)微膨脹劑摻量增加，干燥收縮和自生收縮最大可降低59％和33％。當(dāng)摻量為25％時，初始開裂時間為82h；硅灰摻量為10％時，干燥收縮和自生收縮分別增大34％和32％，初始開裂時間降低23h，開裂敏感性增大。⑤聚羧酸減水劑摻量為O．8％可使干縮率降低27％；早強劑Na2S04會引起結(jié)晶膨脹，且摻量增加，膨脹期提前，三乙醇胺對干燥收縮影響不大；減縮劑摻量為2％時，干燥收縮降低44％，初始開裂時間延長至128h；化學(xué)轉(zhuǎn)換型裂縫修

5、補材料摻量為2％時可使干縮率降低13％：聚合物改性劑可顯著降低干燥收縮和裂縫發(fā)展速率，聚膠比P／B增大到O．3時，初始開裂時間達(dá)到172h，大大降低了開裂敏感性。⑥長短聚丙烯纖維按7：3比例混雜并與裂縫修復(fù)組分WP復(fù)摻時，裂縫自愈合效果最好。水養(yǎng)90d后強度回復(fù)率達(dá)到93％?？衫贸暡ǖ穆晠⒘繉τ夏芰M行檢測，摻入混雜纖維和裂縫修復(fù)組分WP的試樣開裂后養(yǎng)護90d，聲速與頻率比開裂后的數(shù)值有所回升，分別增加10．5％和3％，振幅呈遞減趨勢，但降低幅度由基準(zhǔn)樣的6．5％減小為2．5％。超聲波可以作

6、為一種新的評價手段在白愈合效應(yīng)的研究中加以應(yīng)用。3．界面薄弱區(qū)的體積變形非一致性研究、抗裂性能評價及徐變分析與界面抗裂性能相關(guān)的各參數(shù)隨齡期的發(fā)展規(guī)律如下：①以復(fù)合指數(shù)公式回歸出保護層混凝土的彈性模量與齡期的關(guān)系為EO)=41．1×(1一e--O．442，I‘”)。②根據(jù)美國ACIC209規(guī)范回歸出混凝土的劈裂抗拉強度f§p與齡期t的關(guān)系為Lo=6．92t／(1．7+f1。③以試驗結(jié)果為基礎(chǔ)計算出泊松比的平均值為0．202。④保護層及界面層約束應(yīng)變隨齡期的變化關(guān)系分別為占=f1．83—0．42t-

7、o∞)11．24和s=(9．30—6．65t-o’14)31。⑤保護層與界面層約束拉伸應(yīng)變最大時約束度分別為0．107和0．536。⑥保護層混凝土的徐變值與齡期的擬合關(guān)系為s，，=181．8t0。2。oF根據(jù)收縮應(yīng)力公式盯=K。．R．嘗進行計算，保護層與界面層安全系數(shù)最‘1一Vc低值分別為6．56和2．97，均大于混凝土構(gòu)件設(shè)計要求值，滿足抗裂要求。粉煤灰由于早期反應(yīng)程度較低，摻入后將增大徐變。高溫蒸汽養(yǎng)護可大幅度降低徐變，360d蒸養(yǎng)結(jié)構(gòu)層混凝土的徐變值與徐變度分別為502．3x10。6和32．

8、4x10‘6／MPa，比標(biāo)養(yǎng)試樣分別降低了45．1％和39．8％。徐變隨加荷齡期的不同變化顯著，加荷齡期越晚，徐變度越小，180d加荷，徐變度比3d加荷降低64％。關(guān)鍵詞：功能梯度盾構(gòu)管片；體積穩(wěn)定性；抗裂性能；界面應(yīng)力；約束拉伸應(yīng)變；徐變；自愈合效應(yīng)IIAbstractShieldconstructionmethodhasbeenmajortechnologyandsolutionforriver-crossingtunnel，sea-crossingtunnelandurban