跨江海隧道功能梯度混凝土管片的收縮開裂研究

王信剛，盛明強，王 睿，邵鐵峰

跨江海隧道功能梯度混凝土管片的收縮開裂研究

王信剛a，盛明強a，王 睿b，邵鐵峰a

（南昌大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，南昌 330031）

引入梯度功能設(shè)計思路，進行功能梯度混凝土管片（functionally gradient concrete segment，簡稱FGCS）的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計。無細(xì)觀界面過渡區(qū)水泥基材料（meso-interfacial transition zone-free cement-based materials，簡稱 MIF）中由于摻入了能顯著改善收縮開裂趨勢的減縮組分和細(xì)微化裂紋的抗裂組分，降低了MIF的收縮值，提高了MIF的抗裂能力，有利于提高MIF的抗?jié)B性能，進而可以提高FGCS的抗?jié)B性能?；炷羶纱螡沧⒊尚蜁r，采用界面強化工藝——壓印工藝，可以提高混凝土功能層之間界面粘結(jié)強度10%～35%，產(chǎn)生界面強化效應(yīng)。采用ANSYS計算的FGCS中界面最大拉應(yīng)力的計算值遠(yuǎn)小于界面劈裂抗拉強度試驗測試值，F(xiàn)GCS中界面由于收縮引起的應(yīng)力不會引起FGCS產(chǎn)生相對的滑移而導(dǎo)致開裂。用于武漢長江隧道工程的FGCS的外弧面裂縫寬度＜0.1 mm，Cl－擴散系數(shù)為 4.9×10－13m2／s。

管片；收縮；抗裂；界面粘結(jié)強度；界面強化

鋼筋混凝土管片是跨江海盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)主體，管片保護層一旦開裂，Cl－，SO42－，Mg2＋，H2O等多種環(huán)境侵蝕性介質(zhì)就可以較快地直接作用于鋼筋，加快鋼筋的腐蝕，大大降低跨江海盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)耐久性［1，2］。因此，跨江海盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)耐久性與管片保護層的抗裂性能密切相關(guān)。提高管片保護層的抗裂性能，有利于提高管片的抗?jié)B性能，進而大幅提高跨江海盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)耐久性。

本文依托萬里長江第一隧——武漢長江隧道工程，進行功能梯度混凝土管片（functionally gradient concrete segment，簡稱 FGCS）的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計。采用試驗研究與有限元計算相結(jié)合的方法來分析FGCS的高抗?jié)B保護層材料——無細(xì)觀界面過渡區(qū)水泥基材料（meso-interfacial transition zone-free cement-based materials，簡稱 MIF）與高強結(jié)構(gòu)層混凝土——高性能混凝土（high performance concrete，簡稱HPC）的收縮匹配性能、抗裂性能、界面粘結(jié)強度，最后對生產(chǎn)的FGCS的裂縫進行綜合評價。

1 FGCS的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計

1.1 FGCS的結(jié)構(gòu)設(shè)計

FGCS的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指根據(jù)跨江海盾構(gòu)隧道對襯砌管片功能和性能要求，在鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入梯度功能設(shè)計思路，設(shè)計出外層高致密防水、保護層高抗?jié)B抗蝕、結(jié)構(gòu)層高強高性能和內(nèi)層防火抗爆的FGCS，以實現(xiàn)管片外層高防水抗?jié)B、中間層結(jié)構(gòu)高強、內(nèi)層高耐火的功能／結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，將材料的功能設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一起來［3］。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管片相比，采用功能／結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的FGCS可顯著提高管片的防水、抗?jié)B、抗蝕、抗裂性能以及耐火極限和抗沖擊能力。圖1是FGCS的功能／結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計圖。

圖1 FGCS的功能／結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計圖Fig.1 Diagram of functionally and structurally integrated design of FGCS

1.2 FGCS的材料設(shè)計

FGCS的高致密防水層采用高效滲透結(jié)晶型防水材料噴涂制備，可在管片生產(chǎn)過程中的水池養(yǎng)護工序完成后進行；FGCS的防火抗爆層采用隧道防火涂料噴涂制備，可在管片完成安裝工序后進行；FGCS的鋼筋混凝土保護層和高強結(jié)構(gòu)層可以采用同一種高性能混凝土，并且可以一次澆注而成。因此，F(xiàn)GCS的材料設(shè)計主要包括高抗?jié)B保護層材料和高強結(jié)構(gòu)層混凝土的設(shè)計。

高抗?jié)B保護層采用MIF制備而成。MIF是由膠凝材料（包括水泥和填充密實組分）、細(xì)顆粒骨架材料、性能調(diào)整組分（包括減縮組分、抗裂組分和憎水組分）、高效減水劑以及水5大組分組成。MIF的集料與水泥石界面過渡區(qū)由傳統(tǒng)混凝土的60～100 μm細(xì)化為30μm以下，有效阻斷了侵蝕性介質(zhì)的滲入通道，大幅提高了FGCS的抗?jié)B性能，尤其是其抗離子滲透性能［4］。

高強結(jié)構(gòu)層由強度等級≥C50的HPC制備而成。HPC的水膠比為0.28～0.32，水泥用量為350～420 kg／m3，每方摻入70～150 kg礦物細(xì)摻料。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 原材料與配合比

2.1.1 MIF的原材料

①水泥：采用武漢亞東水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥；②填充密實組分：武漢陽邏電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰和武漢森太冶金有限責(zé)任公司的微硅粉；③細(xì)顆粒骨架材料：由粒徑為0.18～0.27 mm和0.27～0.70 mm的石英砂按質(zhì)量比 1∶1配制而成，細(xì)度模數(shù)為1.50，屬特細(xì)砂；④減縮組分：小分子聚醚類減縮劑；⑤抗裂組分：由長度為3 mm和10 mm的聚丙烯纖維按質(zhì)量比1∶1配制而成；⑥憎水組分：高效滲透結(jié)晶型防水材料；⑦高效減水劑：武漢浩源化學(xué)建材有限公司生產(chǎn)的FDN高濃型萘系高效減水劑。MIF的配合比及其強度見表1。

2.1.2 HPC的原材料

①水泥：采用武漢亞東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥；②粉煤灰：采用武漢陽邏電廠的Ⅱ級粉煤灰；③河砂：采用細(xì)度模數(shù)為2.5的巴河河砂，屬中砂；④石子：采用粒徑為4.75～9.5 mm的瓜米石和粒徑為4.75～26.5 mm的小分口石，均為碎石；⑤高效減水劑：上?；ㄍ趸瘜W(xué)有限公司生產(chǎn)的Mighty－150高濃型萘系高效減水劑。HPC的配合比及其強度見表2。

2.2 收縮性能

借鑒國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂干縮試驗方法》（JC／T 603- 2004），采用25 mm×25 mm×280 mm的棱柱體試件，測試MIF收縮值；借鑒國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》（GBJ 82- 85），采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，測試HPC收縮值。

圖2是MIF和HPC在干燥環(huán)境下的收縮值。從圖中可以看出，MIF和HPC的收縮值都是隨著齡期的增長而有不同程度增長，且MIF的收縮值要比相應(yīng)齡期下HPC的大。HPC在28 d和90 d的收縮值分別為242×10－6和387×10－6，而 MIF在 28 d和90d的收縮值分別為374×10－6和482×10－6，HPC和MIF的收縮值從28 d到90 d之間分別增長59.9%和28.9%，28 d和90 d的收縮值分別相差132×10－6和105×10－6。

圖2 MIF和HPC的收縮值Fig.2 Shrinkage of MIF and HPC

表1 MIF的配合比及其強度Table 1 Mix proportion and strength of MIF

表2 HPC的配合比及其強度Table 2 Mix proportion and strength of HPC

分析其中原因，HPC中摻有20%的Ⅱ級粉煤灰，在28 d內(nèi)的收縮主要是來自于水泥的水化，28 d后Ⅱ級粉煤灰發(fā)生二次水化反應(yīng)導(dǎo)致混凝土收縮大幅增加。MIF中由于取消了具有限制收縮作用的粗集料，可能導(dǎo)致其收縮明顯增大，但由于MIF中摻入了具有減小收縮變形作用的減縮組分，顯著改善了MIF的收縮開裂趨勢；另外，MIF中也摻有填充密實組分，在一定程度上也能抑制MIF的收縮，使得MIF的收縮值與HPC的收縮值相差不大，最大相差（100～135）×10－6。所以，MIF與 HPC的收縮性能匹配良好，不會導(dǎo)致FGCS中MIF與HPC在收縮變形上的非一致性。

2.3 抗裂性能

圖3是MIF的平板抗裂試驗照片。試驗結(jié)果表明：MIF的平板表面經(jīng)連續(xù)吹風(fēng)14 d，仍未出現(xiàn)肉眼可見裂縫。根據(jù)中國土木工程學(xué)會CCES 01-2004標(biāo)準(zhǔn)，MIF的抗裂性達到Ⅰ級。MIF的高抗裂性能，有利于提高MIF的抗?jié)B性能，進而可以提高FGCS的抗?jié)B性能。

參照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》中推薦混凝土平板抗裂性試驗［5］，采用600 mm×600 mm×63 mm的平板試件，測試MIF的抗裂性能。試驗時氣溫35℃，相對濕度70%，平板試件成型2 h后，用電風(fēng)扇吹平板表面，加速其開裂，記錄試件開始出現(xiàn)裂縫的時間、裂縫數(shù)量、長度、寬度等以及隨時間的變化。

圖3 MIF的平板抗裂試驗照片F(xiàn)ig.3 Test of slab anti-cracking of MIF

分析其中原因，主要是由于MIF中摻入了減縮組分和抗裂組分，減縮組分能顯著降低其收縮值，抗裂組分能細(xì)微化裂紋，減縮組分和抗裂組分的摻入顯著改善了MIF的收縮開裂趨勢，提高其抗裂能力。另外，MIF中也摻有大量的、在一定程度上也能抑制MIF收縮的填充密實組分。上述原因使得MIF具有優(yōu)異的抗裂性能。

2.4 界面粘結(jié)強度

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50081- 2002），采用 150 mm×150 mm×150 mm立方體試件的界面劈裂抗拉強度來表示界面粘結(jié)強度。同時，擬采用壓印工藝來增大MIF-HPC界面接觸面積，提高其界面粘結(jié)強度，達到界面強化的效果。圖4是壓印模具示意圖。表3是MIF-HPC界面劈裂抗拉強度及界面強化效應(yīng)。

圖4 壓印模具示意圖Fig.4 Schematic of imprinting mould

表3 MIF-HPC界面劈裂抗拉強度及界面強化效應(yīng)Table 3 Interface splitting tensile strength and interface strengthening effect

從表中可以看出，混凝土兩次澆注成型時，采用壓印工藝進行界面強化處理的JM2試樣在相應(yīng)齡期下的界面劈裂抗拉強度高于未采用壓印工藝進行界面強化處理的JM1試樣，且JM2試樣在12 h，7 d，28 d的界面劈裂抗拉強度分別比JM1試樣提高了9.2%，16.8%，38.0%。如在 28 d齡期時，未采用壓印工藝進行界面強化處理的JM1試樣的MIFHPC界面劈裂抗拉強度只有4.71 MPa，而采用壓印工藝進行界面強化處理的JM2試樣的界面劈裂抗拉強度增大為6.54 MPa。

分析其中原因，主要是采用壓印工藝進行界面強化處理后，顯著增加了MIF-HPC界面的接觸面積。通過理論計算，采用壓印工藝進行界面強化處理后的MIF-HPC界面接觸面積，比未經(jīng)處理時增大了22.8%，提高了 MIF-HPC界面過渡的延續(xù)性，有利于提高界面粘結(jié)強度。同時，在MIF-HPC界面設(shè)置凹凸式臺階，還可以防止混凝土結(jié)構(gòu)功能層之間的相對滑移，確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

2.5 有限元計算

依托萬里長江第一隧——武漢長江隧道工程，采用有限元軟件ANSYS 9.0分析FGCS的界面收縮應(yīng)力。FGCS的內(nèi)徑為10.0 m，外徑為11.0 m，環(huán)片厚度為0.5 m（外側(cè)保護層50 mm，包括20 mm高抗?jié)B保護層和30 mm鋼筋混凝土保護層，高強結(jié)構(gòu)層450 mm），寬度為2.0 m。

ANSYS計算結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的方法有直接法和間接法2種：直接法采用特殊的單元，可同時模擬溫度場和應(yīng)力場；間接法首先計算結(jié)構(gòu)的溫度場，然后轉(zhuǎn)換單元性質(zhì)，讀入溫度場計算結(jié)果，作為溫度荷載，計算應(yīng)力場［6－8］。

本文采用直接法計算，通過在MIF與HPC的接觸面上設(shè)置薄層單元（厚度為1.0 cm，處于C2一側(cè)），以計算FGCS的界面收縮應(yīng)力。采用SOLID 45單元建立三維有限元模型，添加材料屬性，劃分網(wǎng)格，共2 250個單元，2 816個節(jié)點。表4是MIF與HPC的材料屬性的參數(shù)，圖5是FGCS網(wǎng)格劃分圖。模型兩端施加法向位移約束。施加荷載時，采用等效溫差（Equivalent Temperature Difference，簡稱ETD）荷載，即把材料的自由收縮等效為溫度收縮，并根據(jù)材料的熱膨脹系數(shù)α，把材料自由收縮值ε換算成溫降值 Δt。例如，MIF的28 d收縮值為328×10－6，其熱膨脹系數(shù)為 1.0×10－5／℃，則其溫降值為

表4 MIF與HPC材料屬性的參數(shù)Table 4 Material parameters of sample of MIF and HPC

圖5 網(wǎng)格劃分Fig.5 Meshing

圖6 薄壁單元的第一主應(yīng)力Fig.6 The 1st principal stress of thin-walled finite element

圖6 是28 d時薄壁單元的第一主應(yīng)力。從圖中可以看出，薄壁單元即MIF-HPC界面的最大拉應(yīng)力的計算值為3.21MPa，且大部分區(qū)域在2.86～3.0 MPa之間。由前述的表3可知，未采用壓印工藝進行界面強化處理的JM1試樣的MIF-HPC界面劈裂抗拉強度試驗測試值為4.71 MPa。也就是說，F(xiàn)GCS中MIF-HPC界面最大拉應(yīng)力的計算值遠(yuǎn)小于MIF-HPC界面劈裂抗拉強度試驗測試值。因此，F(xiàn)GCS中MIF-HPC界面由于收縮引起的應(yīng)力不會引起FGCS產(chǎn)生相對的滑移而導(dǎo)致開裂，用MIF制備的高抗?jié)B保護層不會發(fā)生脫落現(xiàn)象，F(xiàn)GCS中MIF與HPC的收縮性能匹配良好［9］。

3 FGCS的裂縫評價

根據(jù)武漢長江隧道工程對襯砌管片尺寸設(shè)計要求，進行了FGCS的生產(chǎn)。圖7是FGCS照片，從照片中可以看出，圖7（a）表面無肉眼可見裂紋；圖7（b）是FGCS外弧面照片，從照片中可以看出，外弧面的纖維分布均勻；圖7（c）是采用裂縫測寬儀觀測外弧面裂縫寬度的圖片，從圖中可以看出，裂縫寬度在0.02～0.08 mm之間。

圖7 FGCS的裂縫評價Fig.7 Crack evaluation of FGCS

同時，在28 d齡期時，對生產(chǎn)的FGCS進行抽樣鉆芯，在FGCS外弧面上進行鉆芯取樣，然后送樣至國家建筑材料工業(yè)房建材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心檢測其Cl－擴散系數(shù)，Cl－擴散系數(shù)試驗按照中國土木工程學(xué)會CCES 01- 2004標(biāo)準(zhǔn)推薦的快速Cl－擴散測試法（NEL法）［11］進行。檢測結(jié)果表明：FGCS的 Cl－擴散系數(shù)為4.9×10－13m2／s，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片的 Cl－擴散系數(shù)（10～20）×10－13m2／s［12］，根據(jù) Cl－擴散系數(shù)評價混凝土滲透性可知，F(xiàn)GCS的Cl－滲透性能為“很低”。

實際上，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)混凝土保護層達到25 mm以上時，即使處于Cl－侵蝕最為惡劣的浪濺區(qū)或化冰鹽環(huán)境下，寬度≤0.1 mm的裂縫在銹蝕初期1～2年內(nèi)，對銹蝕發(fā)展只有很小的影響，后期則無影響，即寬度≤0.1 mm的裂縫對鋼筋銹蝕速率可以忽略；對于寬度≥0.2 mm的裂縫，其初期對銹蝕發(fā)展的影響非常明顯，直到10年后影響才變得很小。因此，F(xiàn)GCS裂縫寬度＜0.1 mm是可以接受的［10］。

4 結(jié) 論

（1）無細(xì)觀界面過渡區(qū)水泥基材料（簡稱MIF）的收縮值與高性能混凝土（簡稱HPC）的相差不大，最大相差（100～135）×10－6。MIF的高抗裂性能，有利于提高MIF的抗?jié)B性能，進而可以提高功能梯度混凝土管片（簡稱FGCS）的抗?jié)B性能。

（2）混凝土兩次澆注成型時，采用界面強化工藝——壓印工藝，可以提高混凝土功能層之間界面粘結(jié)強度10%～35%，產(chǎn)生界面強化效應(yīng)。同時，在功能層界面處設(shè)置凹凸式臺階，還可以防止混凝土結(jié)構(gòu)功能層之間的相對滑移，確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

（3）采用ANSYS計算的FGCS中界面最大拉應(yīng)力的計算值遠(yuǎn)小于界面劈裂抗拉強度試驗測試值。因此，F(xiàn)GCS中界面由于收縮引起的應(yīng)力不會引起FGCS產(chǎn)生相對的滑移而導(dǎo)致開裂，用MIF制備的高抗?jié)B保護層不會發(fā)生脫落現(xiàn)象，F(xiàn)GCS中MIF與HPC的收縮性能匹配良好。

（4）實際生產(chǎn)的 FGCS的外弧面裂縫寬度＜0.1 mm，裂紋已經(jīng)被細(xì)微化。同時，F(xiàn)GCS的Cl－擴散系數(shù)為4.9×10－13m2／s，Cl－滲透性能為“很低”。

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Shrinkage Cracking of Functionally Gradient Concrete Segment Used in River-crossing or Sea-crossing Tunnels

WANG Xin-gang1，SHENG Ming-qiang1，WANG Rui2，SHAO Tie-feng1
（1.School of Civil Engineering and Architecture，Nanchang University，Nanchang 330031，China；2.Arts and Design College，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

Gradient function design thought is introduced in structure and material design of functionally gradient concrete segment（FGCS）.Owing to blending a shrinkage reducing ingredient that can decrease shrinkage，and an anti-cracking ingredient that can fine cracks in meso-interfacial transition zone-free cement-based materials（MIF），the shrinkage of MIF is decreased，and the ability to anti-cracking is improved.Because of the above mentioned cause，the impermeability of MIF and FGCS can be improved.When the concrete is cast twice，interface bond strength between two functional layers is increased by 10%to 35%by means of imprinting process as compared to the control without imprinting process.Imprinting process can result in the effect of interface strengthening.The maximum interface tensile stress due to shrinkage in interface is calculated by ANSYSsoftware（finite element analysis tool），whose value is less than the test value of interface splitting tensile strength.Interface tensile stress due to shrinkage in interface doesn’t result in cracking of FGCS，and the sliding deformation of interface layers would not generate.FGCShas been used in Wuhan Yangtze River Tunnel Engineering，whose width of crack is less than 0.1 mm on the outside arc surface，and whose chloride diffusion coefficient is 4.9×10－13m2／s.

segment；shrinkage；anti-cracking；interface bond strength；interface strengthening

U451

A

1001－5485（2010）02－0054－06

2009-02-19；

2009-03-27

國家“863”計劃課題（2005AA332010）資助項目；江西省教育廳青年科學(xué)基金項目（GJJ09428）

王信剛（1977-），男，江西萬載人，博士，主要從事隧道工程建養(yǎng)技術(shù)及高性能混凝土技術(shù)研究，（電話）13517093858（電子信箱）wxglab＠126.com。

（編輯：周曉雁）