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步入大規(guī)模建設時期，其中有不少是采用盾構工法修建的盾構隧道，而作為盾構隧道襯砌結構主體的管片，同時也是盾構隧道的防水抗?jié)B主體，管片的抗?jié)B性能對盾構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計原理角度出發(fā)，并應用于盾構管片材料設計。根據(jù)材料學原理和施工工藝，制備出具有較高早期強度和高抗?jié)B性能的材料。其技術核心

2、為：高抗?jié)B材料的設計與研究；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系及混凝土材料破壞的原理，對高抗?jié)B材料進行了三組份設計：密實填充組份、抗裂功能組份、界面強化組份。其中密實填充組份采用三元膠凝材料體系設計，依據(jù)不同膠凝材料的次第水化效應，滿足早期強度及長期耐久性的要求；抗裂功能組份采用有機混雜纖維

3、和化學減縮材料復合使用，正交試驗結果及單因素試驗結果均顯示，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不超過0.10％；界面強化組份主要采用優(yōu)化了顆粒級配及粒徑的集料，通過調整集料的體積分數(shù)及集料間距強化界面性能。 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散方法、自然擴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。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。滲透性測試結果顯示，GSC材料中結構層與高抗?jié)B層材料抗?jié)B性大小依次為：無細觀界面過渡區(qū)水泥基復合

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)>結構層材料。NEL測試結果顯示，MIF材料的氯離子擴散系數(shù)僅為0.5×10<'-13>m<'2>/s左右，比結構層材料的氯離子擴散系數(shù)提高了兩個數(shù)量級；與之對應的LPC材料的氯離子擴散系數(shù)約為3.0×10<'-13

6、>m<'2>/s。MIF材料表觀氯離子擴散系數(shù)不到結構層材料的1/5，90d的氯離子(氯離子濃度為4mol/L)滲透深度僅為8mm；而LPC及結構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，介質在多孔材料中的滲透與結構的長程連通性相關。對于水泥基材料毛細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；結構層材料的孔均大于10nm，說明以上多孔材料的連通性依次為：MIF>LPC>結構層材料。顯微硬度測試和掃描電鏡觀察結果顯示，結構層材料界面區(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