胶州湾海底隧道衬砌混凝土服役寿命预测

胶州湾海底隧道是中国自行建造的第2条海底隧道,其设计服役寿命为100a。分析了海底隧道衬砌混凝土的服役环境,建立了综合考虑氯离子扩散、碳化和弯曲荷载影响的服役寿命预测模型。调查了海底隧道现行施工里程的混凝土耐久性关键参数,建立了海底隧道混凝土氯离子扩散系数与回弹强度间的函数关系,通过预测模型计算了混凝土中氯离子随时间的演化规律及衬砌混凝土服役寿命。结果表明：隧道衬砌混凝土的保护层厚度波动值-4（-6）～＋15mm,标准养护衬砌混凝土氯离子扩散系数均值为2．1（2．7）×10^-12m2／S,混凝土中初始氯离子浓度小于0．35kg／m3。隧道衬砌混凝土氯离子扩散系数与回弹强度呈线性函数关系,施工里程内氯离子扩散系数波动为1．5～3．5×10^-12m2／S。基于模型计算,胶州湾海底隧道左右线衬砌混凝土的服役寿命均超过100a。     

Durability of lining concrete of subsea tunnel under combined action of freeze-thaw cycle and carbonation

Through the fast freeze-thaw cycle test,accelerated carbonation test,and natural carbonation test,the durability performance of lining concrete under combined action of freeze-thaw cycle and carbonation were studied.The experimental results indicate that freeze-thaw cycle apparently accelerates the process of concrete carbonation and carbonation deteriorates the freeze resistance of concrete.Under the combined action of freeze-thaw cycle and carbonation,the durability of lining concrete decreases.The carbonation depth of lining concrete at tunnel openings under freeze-thaw cycles and tunnel condition was predicted.For the high performance concrete with proposed mix ratio,the lining concrete tends to be unsafe because predicted carbonation depth exceeds the thickness of reinforced concrete protective coating.Adopting other measurements simultaneously to improve the durability of lining concrete at the tunnel openings is essential.     

公路隧道钢筋混凝土衬砌碳化耐久性区划

为了构建公路隧道衬砌碳化耐久性的定量设计方法,对比各碳化深度计算模型与实测数据,选定衬砌碳化的最优模型;根据实测数据分析隧道环境温湿度与洞外大气关系,基于全国气象监测站的温湿度数据,建立公路隧道运营环境温湿度区划;考虑公路隧道CO₂的释放源项并参照实测数据,构建隧道运营环境CO₂体积分数的计算方法;以碳化劣化速率梯度相等为原则,对我国隧道碳化环境进行分区,结合分区推荐我国公路隧道衬砌碳化耐久性定量设计的具体方法. 研究发现：隧道环境湿度与大气湿度相当,隧道环境温度变化趋势与大气环境一致,两者均值接近. 公路隧道内部CO₂体积分数与CO体积分数呈线性关系. 云南、贵州区修建的隧道工程衬砌受环境影响较大,西藏、青海、内蒙古、黑龙江、吉林等地区的待建隧道在进行衬砌耐久性设计时可以忽略碳化影响,其余全国大面积区域隧道衬砌的碳化耐久性设计可以对应《混凝土结构耐久性设计标准》中环境作用等级中的“轻度”进行设计.     

再生混凝土碳化模型与结构耐久性设计

通过分析现有模型并结合各国试验结果,建立了再生混凝土碳化深度的计算模型。在此基础上提出了极限状态法和分项系数法2种再生混凝土结构耐久性的设计方法,并对再生混凝土梁使用寿命进行了可靠度分析。结果表明：增大再生混凝土强度等级和再生混凝土保护层厚度可以明显提高再生混凝土构件的耐久性;受力状态、钢筋位置对再生混凝土构件的耐久性有重要影响。综合考虑再生混凝土中钢筋开始锈蚀对结构使用功能的影响程度和再生混凝土的不同受力状态,提出了上海地区再生混凝土构件中钢筋的最小保护层厚度。     

冻融损伤喷射混凝土永久支护结构碳化耐久性分析

高纬度、高海拔地区长大公路隧道的喷射混凝土永久支护结构常年遭受冻融损伤及碳化双重作用,其结构耐久性能退化,增大了隧道的养护及运营成本。采用先气冻气融后快速碳化的方式,开展冻融损伤喷射混凝土永久支护结构碳化耐久性试验研究,以冻融损伤喷射混凝土碳化深度和相对抗压强度为指标,研究冻融损伤喷射混凝土碳化深度的变化规律及影响因素。结果表明,冻融损伤加速了喷射混凝土的碳化过程,且碳化速度随冻融损伤度快速增大。碳化的冻融损伤混凝土相对抗压强度随着碳化深度增大。冻融损伤度大于10%时,碳化对冻融损伤喷射混凝土相对抗压强度增长不明显。采用IBM SPSS统计软件对试验数据分析,建立了考虑冻融损伤、喷射混凝土配合比参数及成型方式的喷射混凝土碳化深度预测模型。经验证,预测值与试验值总体误差小于20%,标准误差为0.16,模型适用性较好。     

弯曲应力作用下喷射混凝土抗碳化性能研究-研究生论坛

为了研究隧道喷射混凝土衬砌的碳化规律,采用快速碳化试验方法,研究了不同弯曲应力(0、0.25、0.5及0.75)作用下喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土抗碳化性能,在考虑弯曲应力、钢纤维掺量、施工方式基础上对普通混凝土碳化深度预测模型进行修正。结果表明：混凝土碳化深度服从Fick第一定律,扩散系数随应力水平的增加而增加;喷射混凝土碳化深度明显小于普通混凝土,而钢纤维的加入进一步提高喷射混凝土抗碳化性能。通过对碳化后喷射混凝碳化后力学性能及微观结构进行分析,得出喷射混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度随着碳化深度增大而增大,且喷射混凝土中原始微气孔及裂缝中钙矾石、氢氧化钙等晶体为CaCO3晶体的成核和生长提供有利条件,碳化产物持续生成并阻塞毛细孔,使其密实度增加,力学性能增大。     

受力状态下混凝土材料劣化模型与可靠性分析

通过分析试验数据,修正和改进了现有混凝土碳化深度预测模型中的应力影响系数和水灰比影响系数,并给出了基于可靠性分析的混凝土结构材料劣化寿命准则。分析表明：拉、压应力状态下,混凝土碳化速率分别得到促进和抑制,特别是随着拉应力水平的增加,碳化速率越来越快;通过可靠性分析可得,混凝土材料劣化概率与可靠度存在一一对应的关系,同时混凝土保护层厚度和应力水平对混凝土结构的寿命影响显著,在具有相同可靠度保障时,随着拉应力水平的提高或保护层厚度的减小,混凝土材料的劣化时间将缩短。     

崇明长江隧道盾构管片衬砌结构的耐久性设计

为了研究盾构法隧道管片衬砌结构强度的历时老化和衰减及其服务寿命的预测问题,提出了对其进行耐久性设计的一种基本方法。主要讨论的内容有：钢筋混凝土管片结构的腐蚀机理;影响隧道混凝土结构耐久性的主要因素;管片接头螺栓和防水材料的耐久性;钢筋混凝土管片结构耐久性设计方法;隧道结构服务寿命预测,以及提高隧道管片衬砌耐久性的工程措施——综合防治。该研究成果已在崇明长江隧道工程中得到了初步应用。     

基于可靠度的混凝土结构耐久性环境区划

以混凝土结构设计区划为研究对象,根据环境对混凝土结构寿命的影响程度,对影响混凝土结构耐久性的环境因素进行区域等级划分,并提出给定分区耐久性设计指标规定的基本方法.综合国内外研究成果,给出与耐久性有关的标准内部参照条件的确定原则及相应参数的基准参考值.针对碳化作用,结合环境温度、湿度和混凝土强度对混凝土碳化深度影响的试验研究,建立适合于区划的结构耐久性极限状态和耐久可靠指标及相应的预测模型,确定了结构耐久性寿命预测的概率方法.以预测的耐久寿命为主导标志,根据损伤梯度等分原则确定区域划分边界值,建立了全国版图范围内碳化侵蚀作用下的混凝土结构耐久性环境区域划分,给出了与现行规范相结合的利用区划进行混凝土结构耐久性设计的具体方法.     

冲击荷载下的新浇混凝土损伤特性及强度试验研究

以新浇混凝土养护过程会受到各类工程振动的作用与影响为工程背景,结合静载试验与冲击动载试验,得出冲击荷载影响下新浇混凝土的强度随龄期的变化规律。通过基于Weibull分布的统计损伤模型得出混凝土关于龄期的动态损伤本构模型。采用SHPB压杆装置进行混凝土试件破坏试验,得出在混凝土不同龄期的冲击动载下,混凝土抗压强度与静载下抗压强度的比值均为2:1左右;随着龄期的增长,混凝土试件受冲击破坏的破碎程度越来越小。采用SHPB压杆装置对不同龄期的混凝土做加载损伤试验,得出了冲击荷载下混凝土最薄弱龄期区段及其强度降低率达到峰值的龄期。     

尾矿砂钢纤维喷射混凝土在铁矿巷道中的应用

为了解决铁矿巷道开采过程中采用尾矿砂钢纤维喷射混凝土作为巷道单层衬砌的应用问题,以尾矿砂取代天然河砂作为细骨料配制钢纤维喷射混凝土,并对不同钢纤维掺量的喷射混凝土进行了抗压、抗折、劈拉等力学性能试验,得到了喷射混凝土的最优配比及钢纤维掺量对混凝土的影响.采用ANSYS对铁矿软弱岩层进行数值模拟分析,探讨了最佳衬砌厚度下巷道开挖后的计算结果,通过分析获得了尾矿砂钢纤维喷射混凝土的合理喷层厚度.结果表明,混凝土中钢纤维的掺入量为40 kg/m3时混凝土的力学性能达到最佳,并且混凝土的密实性、耐久性和质量稳定性亦有所加强,但抗压强度的提高不十分明显.     

隧道衬砌碳化可靠度分析和维修方案比选

基于混凝土碳化随机模型和钢筋锈蚀模型,利用蒙特卡洛随机有限元的方法计算了既有隧道衬砌可靠度和基准期内的失效概率;结合维修需求预测模型,通过维修成本效益的评估,对隧道衬砌维修方案进行了比选;通过一连拱隧道应用,计算其衬砌碳化可靠度,提出了经济合理的维修方案,验证该方法的可行性。     

Research on Stress and Strength of High Strength Reinforced Concrete Drilling Shaft Lining in Thick Top Soils

High strength reinforced concrete drilling shaft linings have been adopted to solve the difficult problem of supporting coal drilling shafts penetrating through thick top soils. Through model experiments the stress and strength of such shaft linings are studied. The test results indicate that the load beating capacity of the shaft lining is very high and that the main factors affecting the load bearing capacity are the concrete strength, the ratio of lining thickness to inner radius and the reinforcement ratio. Based on the limit equilibrium conditions and the strength theory of concrete under multi-axial compressive stressed state, a formula for calculating the load-beating capacity of a high strength reinforced concrete shaft lining was obtained. Because the concrete in a shaft lining is in a multi-axial compressive stress state the compressive strength increases to a great extent compared to uni-axial loading. Based on experiment a formula for the gain factor in compressive strength was obtained： it can be used in the structural design of the shaft lining. These results have provided a basis for sound engineering practice when designing this kind of shaft lining structure.     

材料耐久性退化数学模型的比较研究

材料耐久性退化数学模型主要集中在混凝土碳化、氯离子侵蚀和钢筋锈蚀.目前,对这三个方面退化数学模型的归纳和总结多以横向研究为主.为了实现混凝土桥梁耐久性全过程分析的目标,从纵向的研究角度出发,首先给出混凝土桥梁耐久性全过程分析的两条退化主线：混凝土碳化-钢筋锈蚀-结构整体性能退化、氯离子侵蚀-钢筋锈蚀-结构整体性能退化;然后针对第一条退化主线详细介绍了现有的两种较完备的退化模型,并对其进行了比较分析.结果表明：评定标准中的退化模型概念清晰,参数相对较少,更适合用于混凝土桥梁耐久性全过程分析.     

桥梁清水混凝土的耐久性研究

根据桥梁工程特点与服役环境条件,提出桥梁清水混凝土耐久性设计思路与技术途径,制备出满足设计要求的高性能清水混凝土,试验研究其微观孔结构特征、体积变形行为,以及抗氯离子渗透、抗碳化、抗冻与抗硫酸盐侵蚀等耐久性指标。结果表明:制备的桥梁清水混凝土含气量低,结构密实;28 d自收缩率小于3.5×10-4,干燥收缩率小于4.0×10-4,体积稳定性好;C40与C50混凝土56 d电通量分别为819 C与779 C,碳化深度分别为2.3 mm和1.8 mm;300次冻融循环后,质量损失率小于1%,相对动弹模大于95%;150次干湿循环时,抗压强度耐蚀系数在85%以上,耐久性能优越。       

氯盐与弯曲荷载对碳化混凝土的抗冻性的影响

在未加载与加载条件下,采用快冻法研究了快速碳化28 d后的普通混凝土(Ordinary Portland Cement Con-crete,OPC)、大掺量矿物掺合料混凝土(Concrete with High Content Mineral Admixture,HCMC)以及同时掺加混杂纤维、膨胀剂、引气剂和大量矿物掺合料的绿色高耐久性混凝土(Green High Durable Concrete,GHDC)在水和10%NaCl溶液中的抗冻性。结果表明,碳化作用降低了OPC和HCMC在NaCl溶液中的抗冻性,但能够改善GHDC在NaCl溶液中的抗冻性。在NaCl溶液的化学腐蚀及其与弯曲荷载的耦合作用下,碳化OPC与碳化HCMC很快发生冻融破坏,其破坏特征并非表面剥落,而是内部微裂纹的扩展。GHDC即使发生了严重的碳化作用,在NaCl溶液、弯曲荷载与冻融循环及其耦合作用下仍然具有非常高的耐久性能。     

地质雷达在胶州湾海底隧道F4-5含水断层超前预报中的应用

青岛胶州湾海底隧道地质条件复杂,隧址区含有多组高陡倾角断层,因此隧道在通过海域段涌水断层时的安全便成了工程建设过程中的关键问题.以此为背景,根据在胶州湾海底隧道左线隧道F_4-5含水断层利用地质雷达对破碎围岩和裂隙水进行超前预报中的应用,针对信号采集和数据处理解析过程中各影响因素,采取相应的处理措施,最大限度地去除干扰,最后得出清晰准确的测线伪彩色成果图及测线波形图等成果,并从成果图中统计了探测范围内的结构面和裂隙发育的具体位置和规模、裂隙水发育位置等参数,为超前预注浆加固提供了参数.对开挖后的地质情况进行地质编录,验证了本次地质雷达预报的准确性与有效性.所采用的方法措施对于海底隧道地质雷达超前地质预报具有一定的借鉴意义.     

钢纤维混凝土冻融和碳化后力学性能试验研究

通过对混凝土试件进行室内快速冻融和碳化试验,测试并分析了混凝土试件在冻融循环和碳化作用后的基本力学指标,探讨了钢纤维体积率、混凝土强度等级、冻融循环次数及碳化龄期对混凝土基本力学性能的影响.试验结果表明:冻融循环损伤了混凝土的力学性能,强度较低混凝土力学性能的损伤较强度较高为严重;碳化对混凝土的密实性有加强作用,并会提高其相对抗压、劈拉强度.适量的钢纤维掺量和较小的水灰比改善了混凝土微观结构,抑制了混凝土的冻融速度,提高了混凝土的抗裂性能和抗碳化性能.     

低胶凝材料自密实混凝土的耐久性研究初探

通过对比分别用萘系减水剂和Glenium〇R 6000 SDC系列聚羧酸减水剂配制的自密实混凝土的电通量和碳化深度,探讨两种减水剂对混凝土耐久性影响的差异。结果表明,采用Gle-nium〇R 6000SDC系列聚羧酸减水剂时,混凝土的抗氯离子渗透性和抗碳化性能比掺萘系减水剂时更优良;且当Glenium〇R 6000 SDC系列聚羧酸减水剂掺量增加,混凝土达到自密实状态时,早期强度虽略有降低,但抗碳化性能大幅提升。     

Influence of Freeze-thaw Cycles on Properties of Integral Water Repellent Concrete

Service life of reinforced concrete structures usually was designed on the basis of one selected deteriorating mechanism as for instance carbonation,chloride penetration,and frost action.It could be shown in the meantime by numerous authors,however,that combined actions such as chloride penetration under mechanical load or chloride penetration in combination with freeze-thaw cycles may shorten the service life of reinforced concrete structures more than individual processes acting alone.We have found that chloride penetration is accelerated significantly by freeze-thaw cycles.Frost damage not only reduces mechanical strength and elastic modulus but migration of chloride is facilitated in the damaged pore structure.Chloride penetration can be retarded by the addition of silane emulsion to the fresh concrete.In this way Integral Water Repellent Concrete(IWRC) can be produced.Migration of water and ions dissolved in water can not be prevented by integral water repellent treatment but it is slowed down.The combination of damage mechanisms and the protective measures by integral water repellent treatment have to be taken into consideration in realistic service life prediction and design.