長江隧道管片混凝土高溫特性研究.pdf

1、本文依托國家高新技術研究發(fā)展計劃(國家“863”計劃2005AA332010)“高抗?jié)B長壽命大管徑隧道管片材料結構設計與工程應用”，研究了長江隧道盾構管片混凝土的高溫特性。具體研究內容包括四個部分：混凝土高溫性能測試方法，混凝土高溫性能，超聲波檢測技術在混凝土高溫損傷中的應用，混凝土高溫性能劣化機理。主要的工作與成果包括： 1．混凝土高溫性能測試方法 根據(jù)混凝土高溫性能劣化的特征，分析了耐火極限的設計原則，提出了一種混凝

2、土高溫性能測試方法：在800℃時，以所設計的混凝土鋼筋保護層厚度處(50mm)溫度達到250℃的時間確定為耐火極限。然后以該耐火極限為基準，根據(jù)混凝土試件內部溫度場的變化、高溫后的物理力學性能、混凝土試件的超聲波檢測、爆裂程度，測試不同混凝土達到耐火極限時其性能的劣化程度。 2．混凝土高溫性能 (1)摻加25％礦粉制備混凝土(J2)高溫綜合性能優(yōu)于摻加20％Ⅱ級粉煤灰混凝土(J3)和純水泥混凝土(J0)。 J2與

3、J3的耐火極限分別比J0提高了26.7％與13.3％，J2爆裂程度明顯低于J0和J3，其質量損失率為5.87％，爆裂試件數(shù)為1件，爆裂形式為表面局部，平均最大爆裂面積為7.06cm<'2>，最大爆裂深度小于1mm。 (2)隧道防火涂料可有效改善混凝土高溫性能。 抹涂隧道防火涂料的混凝土，其耐火極限得到了大幅度提高，所有混凝土試件均未發(fā)生爆裂。抹涂隧道防火涂料的混凝土高溫后抗壓強度與彈性模量均高于未抹涂隧道防火涂料的。

4、 3．超聲波檢測技術在混凝土高溫損傷中的應用 (1)混凝土經(jīng)歷高溫作用后的超聲波聲參量發(fā)生了明顯衰減，混凝土內部結構嚴重破壞。 J0，J2和J3經(jīng)歷高溫作用前的聲速值約5.5km/s，而高溫作用后聲速值減小到2.5km/s左右?；炷猎嚰_到耐火極限后取出冷卻4h和36h的超聲波頻率損失率表明，J2和J3的損傷程度隨著冷卻時間的增加而產(chǎn)生進一步的損傷。高溫作用后混凝土的超聲波首波產(chǎn)生畸變，波形變寬，聲時增加，波形整體

5、由規(guī)則有序狀態(tài)變?yōu)榛靵y無序狀態(tài)。 (2)混凝土試件達到耐火極限后取出冷卻36h，損傷層厚度達到56～100mm。 4．混凝土高溫性能劣化機理 (1)水泥石的劣化表現(xiàn)為水化產(chǎn)物的分解與高溫膨脹收縮。 不同摻合料制備水泥石的DSC曲線吸熱峰峰值主要集中于三個溫度范圍：70～110℃，自由水、鈣礬石與石膏脫水；430～450℃，Ca(OH)<,2>脫水； 650～690℃，CaCO<,3>分解。加入礦物摻合料的

6、水泥石中Ca(OH)<,2>分解熱焓值低于純水泥的，而且礦物摻合料的活性越高，其分解的熱焓值越低。 Ca(OH)<,2>的XRD特征峰(d=2.6292)強度隨著溫度增加而逐步減少。從25℃至800℃，Ca(OH)<,2>的XRD特征峰由獨立峰寬化變?yōu)榉蔷B(tài)隆起包。 經(jīng)歷高溫作用時，水泥石的一維尺寸表現(xiàn)為先膨脹，后收縮的特點。適量的摻合料有助于改善水泥石的高溫變形，增強水泥石的高溫體積穩(wěn)定性。此外，純水泥(Sampie0

7、)，摻20％礦粉水泥石(Sample 2)和摻入10％硅灰與20％粉煤灰水泥石．(Sample 4)的熱膨脹收縮曲線變化特點可將其熱膨脹收縮分為四個階段：20℃～130℃，微膨脹階段：130℃～420℃，急劇收縮階段，Sample 0和Sample 4線膨脹率高于Sampie 2；420℃～500℃，繼續(xù)收縮，線膨脹率Sample 0>Sample 4>Sample 2：500℃～1000℃，收縮變緩，Sample 0>Sampie 2

8、>Sample 4。 (2)不同摻合料制備試件在不同溫度下的爆裂存在差異；聚丙烯纖維的長徑比、摻量和混雜對試件爆裂性能有明顯影響。 不同摻合料制備試件在100℃與300℃時，未發(fā)生爆裂；600℃時，所有試件粉碎性爆裂。100℃時，隨著礦物摻合料的活性增加，試件的抗壓強度損失系數(shù)逐漸縮小。300℃時，試件抗壓強度與與抗折強度都明顯比100℃時的強度高。 高長徑比纖維改善試件抗爆裂性能的效果比低長徑比纖維優(yōu)異。在纖維

9、長徑比一定的條件下，高長徑比纖維改善試件抗爆裂性能的臨界摻量少于低長徑比纖維的。300℃時，摻入聚丙烯纖維的試件經(jīng)歷高溫作用后，抗壓強度與抗折強度將不同程度地得到增加。600℃時，高纖維摻量試件的抗壓強度與抗折強度比低摻量試件降低幅度大。此外，混雜纖維(不同長徑比纖維復合)可有效改善試件的爆裂性。 (3)考慮混凝土內部因素，從材料學的角度出發(fā)，分析了水泥石結構，水泥石+細集料結構，水泥石+細集料十粗集料結構的爆裂機理，提出綜合考