1、南京長(zhǎng)江隧道是目前中國(guó)長(zhǎng)江上長(zhǎng)度最長(zhǎng)、盾構(gòu)直徑最大、工程難度最高、挑戰(zhàn)性最多的公路隧道工程之一,而盾構(gòu)管片在整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)中起承載和防水等重要作用,是影響其建設(shè)質(zhì)量和耐久性能的重要部分。隧道管片性能演化過(guò)程均與管片混凝土本身的微觀結(jié)構(gòu)變化及隧道自身的環(huán)境條件息息相關(guān)。因此,如何優(yōu)化具有特定養(yǎng)護(hù)和服役條件的管片混凝土微觀結(jié)構(gòu),提高其宏觀抗中性化水平的研究意義重大。
　　 全文緊緊圍繞隧道管片混凝土微觀結(jié)構(gòu)演化及抗中性化這一中心問(wèn)題,

2、結(jié)合管片自身特點(diǎn)及其養(yǎng)護(hù)和服役條件,從微觀固相組成及毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的形成入手,分析了管片混凝土微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理,提出了基于膠凝材料水化動(dòng)力學(xué)方程的微觀固相組成及毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的演化方程;建立了考慮膠凝材料水化影響的管片混凝土濕含量非線性傳輸模型,采用Crank-Nicolson差分方法進(jìn)行了數(shù)值求解。在抗中性化方面,提出了考慮碳化反應(yīng)阻滯因子影響的基于微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的管片混凝土碳化模型,分別研究拉應(yīng)力水平及隧道復(fù)合酸性氣體對(duì)管片混凝土抗中性化的影

3、響規(guī)律及機(jī)理。重點(diǎn)研究了除CO2外的SO2及NO2氣體對(duì)混凝土的中性化侵蝕機(jī)理?；谝陨涎芯繉?duì)南京長(zhǎng)江隧道管片混凝土的長(zhǎng)期抗中性化性水平進(jìn)行了分析,總結(jié)提煉了適用于非侵蝕性水下公路隧道高耐久性管片混凝土的預(yù)測(cè)方法和制備要點(diǎn)。本論文所取得的主要研究結(jié)論和創(chuàng)新成果包括以下五個(gè)方面:
　　 (1)揭示了隧道管片混凝土微觀結(jié)構(gòu)特征的演化規(guī)律首先根據(jù)對(duì)管片混凝土的微觀特征研究,確定了50℃蒸養(yǎng)下管片混凝土的有效養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10h～14h,完

4、成14h蒸養(yǎng)后的有效水養(yǎng)時(shí)間為7d～14d。通過(guò)試驗(yàn)確定了滿足有效養(yǎng)護(hù)條件的管片混凝土膠凝材料的水化動(dòng)力學(xué)方程,提出了管片混凝土微觀固相組成和毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)隨水化時(shí)間的演化方程。微觀固相組成及毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析,表明所建立的演化方程可以很好對(duì)管片混凝土微觀固相組成及毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。
　　 然后,建立了考慮水化耗水、擴(kuò)散失水以及滲透作用的濕含量分布模型。通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)兩種方式,得到了濕擴(kuò)散系數(shù)與濕含量之間

5、的關(guān)系,并進(jìn)一步考慮溫度和Knudsen擴(kuò)散的影響,確定了管片混凝土濕含量的有效擴(kuò)散系數(shù)。建立了非線性濕傳輸模型——Crank-Nicolso有限差分方程。對(duì)其中非線性濕擴(kuò)散系數(shù)Deff(w)進(jìn)行線性化處理。避免了繁瑣的迭代式求解,大大簡(jiǎn)化了數(shù)值計(jì)算過(guò)程。濕含量的時(shí)空分布計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明,可以采用所建立的濕含量分布模型對(duì)管片混凝土內(nèi)部早期濕含量和后期濕含量的變化進(jìn)行較準(zhǔn)確的分析。
　　 (2)提出了考慮碳化反應(yīng)阻滯因

6、子影響的基于微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的碳化模型根據(jù)碳化反應(yīng)前后質(zhì)量守恒定律,確定了碳化反應(yīng)平衡常數(shù)對(duì)CO2擴(kuò)散系數(shù)的影響關(guān)系(1+K'CO2)。引入等效毛細(xì)孔隙率參數(shù),建立了基于毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括連通性、窄縮性、曲折率系數(shù))和濕含量參數(shù)的二氧化碳有效擴(kuò)散系數(shù)模型。采用有限差分的方法對(duì)管片混凝土CO2濃度的時(shí)空分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并結(jié)合所建立的混凝土孔隙溶液pH值的計(jì)算公式,確定了混凝土在不同碳化齡期的碳化程度?；炷良铀偬蓟囼?yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的

7、對(duì)比分析表明,所建立的基于微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的碳化模型可以很好對(duì)低水膠比混凝土的加速碳化深度進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)。
　　 (3)揭示了隧道內(nèi)部酸性氣體對(duì)管片混凝土抗中性化的影響及機(jī)理根據(jù)對(duì)南京運(yùn)行的公路隧道內(nèi)部二氧化碳?xì)怏w濃度的調(diào)查結(jié)果及所查閱的文獻(xiàn)數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)了南京長(zhǎng)江隧道運(yùn)行后最惡劣的復(fù)合酸性氣體濃度為:[CO2]=760ppm、[SO2]=150ug/m3、[NO2]=2000 ug/m3;研究了管片混凝土在以上惡劣復(fù)合酸性氣氛條件下的

8、加速中性化過(guò)程和不同濃度條件下單一酸性氣體對(duì)混凝土的中性化速度。結(jié)果表明,復(fù)合酸性氣體作用下的管片混凝土在中性化齡期內(nèi)的平均中性化深度比單獨(dú)CO2作用后的碳化深度高9.6％～12%;在相同濃度條件下單一SO2氣體的侵蝕速度最慢,而單一NO2與CO2的中性化速度相差不大。這主要是因?yàn)镾O2氣體在孔隙溶液中的溶解度最高。而NO2與CO2氣體的溶解度相當(dāng),并且要比SO2氣體的溶解度低3-4個(gè)水量級(jí)。通過(guò)XRD和TG-DSC及E-SEM進(jìn)一步分

9、析可知,SO2的中性化過(guò)程中形成了具有膨脹作用的CaSO4·H2O和CaSO4·xH2O晶體,阻礙了SO2的進(jìn)一步擴(kuò)散:NO2中性化產(chǎn)物為幾乎不具有膨脹作用的堿式硝酸鈣Ca(OH)2NO3·H2O,這進(jìn)一步解釋了這幾種酸性氣體中,SO2的中性化侵蝕速度比NO2的中性化侵蝕速度慢。
　　 (4)揭示了拉應(yīng)力水平對(duì)管片混凝土碳化速度的影響及機(jī)理通過(guò)拉應(yīng)力水平對(duì)材料層次和構(gòu)件層次管片混凝土的碳化速度的影響試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著拉應(yīng)力水平的增加

10、,材料層次和構(gòu)件層次的碳化速度均呈指數(shù)式升高的趨勢(shì)。拉應(yīng)力水平低于37.5%時(shí),低水膠比混凝土梁和試塊的碳化加速系數(shù)隨拉應(yīng)力水平增加而增大速度較慢,隨著拉應(yīng)力水平的進(jìn)一步增加,碳化加速系數(shù)增大明顯加速。而且材料層次的碳化速度要明顯高于構(gòu)件層次的碳化速度,隨著拉應(yīng)力水平的增加,這種差距就越明顯。這說(shuō)明配筋對(duì)混凝土碳化性能的影響非常明顯,因此采用混凝土試件的碳化性能來(lái)分析混凝土結(jié)構(gòu)碳化性能是可行的。
　　 (5)預(yù)測(cè)了南京長(zhǎng)江隧道管