（道路与铁道工程专业论文）铁路客运专线隧道混凝土耐久性研究与应用.pdf

中文摘要 摘要： 根据我国中长期铁路网规划，近十几年内将修建总长超过1 2 0 0 k m 的铁路客运 专线隧道，并提出隧道结构耐久性按1 0 0 年设计。隧道结构处于地下复杂受力状 态和多重恶劣环境因素作用下，结构施工困难，而且隧道运营环境恶劣且复杂多 变，使结构耐久性问题急需研究。高性能混凝土配合比设计方法及应用是目前混 凝土领域的重要课题。 本文依托在建温福铁路下白石隧道工程项目进行研究和试验，首先明确了混 凝土耐久性定义，阐述了混凝土耐久性问题的严重性以及混凝土耐久性研究的发 展水平与存在问题。然后分析了客运专线隧道混凝土耐久性的影响因素及其作用 机理。再对高性能混凝土配合比设计的理论方法进行分析比较，提出了配合比全 计算法。最后将配合比全计算法应用于实际工程，并对全计算法应用结果进行了 分析总结。通过研究得出以下结论： ( 1 ) 配合比全计算法经试验验证是可行的，是研制耐久性混凝土的行之有效的 方法。 ( 2 ) 利用地方材料砂、隧道洞碴生产的碎石，4 2 5 级普通硅酸盐水泥、粉 煤灰、高效减水剂等原材料，根据配合比全计算法能研制出满足耐久性要求的混 凝土。 ( 3 ) 适于温福铁路下白石隧道c 3 0 混凝土配合比的水胶比为0 4 3 ，设计配合比 为水泥：粉煤灰：水：砂：碎石：减水剂= 1 ：o 2 5 ：0 5 6 ：1 9 4 ：3 2 1 ：o 0 2 ，水泥用量为 3 3 5 k g m 3 。 ( 4 ) 氯离子和硫酸根离子的侵蚀作用、混凝土碳化作用、杂散电流腐蚀作用、 钢筋锈蚀、碱集料反应以及施工因素等是影响隧道混凝土耐久性的主要因素。 ( 5 ) 混凝土原材料的质量控制、配合比设计及施工以及混凝土所处的环境是影 响混凝土耐久性的内部和外部因素，是耐久性研究的重点。 关键词：铁路客运专线隧道工程混凝土耐久性全计算法试验研究 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ： o v e r12 0 0 k mt u n n e l so fd e d i c a t e d p a s s e n g e rr a i l w a yl i n e sa r eb u i l ti nr e c e n tm o r e t h a n10y e a r sa c c o r d i n gt ot h el o n g - t e r mr a i l w a yn e t w o r kp r o g r a m m i n gi no u rc o u n t r y , a n dt h et e a mo ft h ed e s i g no f d u r a b i l i t yw a sp u tf o r w a r dm o r e t h a n10 0y e a r si nt u n n e l s t r u c t u r e s a sw ea 1 1k n o w , t h et u n n e ls t r u c t u r e sw e r ei nc o m p l i c a t e ds t r e s sc o n d i t i o n s a n ds u b j e c tt ot h ee f f e c t so ft h es e v e r em u l t i p l ee n v i r o n m e n tf a c t o r si nu n d e r g r o u n d ， s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o nd i f f i c u l t y , f u r t h e r , t h et u n n e lo p e r a t i n ge n v i r o n m e n ti ss e v e r ea n d c o m p l i c a t e d ，n o wt h es t r u c t u r ed u r a b i l i t yi sr e s e a r c h e dn e c e s s a r i l y a tp r e s e n t ，t h e a p p l i c a t i o na n dt h em e t h o do ft h em i x e dr a t i od e s i g no ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e a r ei m p o r t a n tt o p i c si nt h ef i e l do fc o n c r e t e t h er e s e a r c ha n de x p e r i m e n ti nt h i sp a p e ra r eb a s e do nx i a b a i s h it u n n e le n g i n e e r i n g i np r o c e s so fw e n f ur a i l w a y f i r s t l y , t h ed e f i n i t i o na n di m p o r t a n c eo fc o n c r e t ed u r a b i l i t y i sd e s c r i b e de x p l i c i t l y , t h ed e v e l o p m e n ta n de x i s t i n gp r o b l e m so fc o n c r e t ed u r a b i l i t ya r e a l s od i s c u s s e di nt h i s p a p e r s e c o n d l y , t h e e f f e c tf a c t o r sa n dm e c h a n i s ma b o u t d e d i c a t e d p a s s e n g e rr a i l w a yl i n e st u n n e lc o n c r e t ed u r a b i l i t ya r ea n a l y z e d t h i r d l y , i ti s c o m p a r e dw i t ht h et h e o r i e so ft h em i x e dr a t i od e s i g no ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ， a n dt h em e t h o d ，o v e r a l lc a l c u l a t i o nm e t h o d ，i sp r o p o s e df i r s t l y f i n a l l y , m i x e dr a t i o o v e r a l lc a l c u l a t i o nm e t h o di sa p p l i e di nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a n dt h er e s u l t sa r e a n a l y z e d s os e v e r a lc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w na sf o l l o w e d ： ( 1 ) m i x e dr a t i oo v e r a l lc a l c u l a t i o nm e t h o di sp r o v e dv i a b l eb yt h ee x p e r i m e n t ，a n di t i sa ne f f e c t i v em e t h o dt od e v e l o pd u r a b i l i t yc o n c r e t e ( 2 ) m a k i n gu s eo ft h el o c a lm a t e r i a l s ( s a n d ，t u n n e lm u c k ，4 2 5g r a d eo p c ，f l ya s h ， h i g hr a n g ew a t e rr e d u c i n ga g e n ta sr a wm a t e r i a l ) c a nd e v e l o pt h ed u r a b i l i t yc o n c r e t e a c c o r d i n gt ot h em i x e dr a t i oo v e r a l lc a l c u l a t i o nm e t h o d ( 3 ) f o rx i a b a i s h it u n n e le n g i n e e f i n go fw e n f ur a i l w a y , c 3 0c o n c r e t em i x e dr a t i o ， w h i c hw a t e rb i n d e rr a t i oi s0 4 3a n dt h ec o n t e n to fc e m e n ti s3 3 5 k g m3 ，i sc e m e n t ：f l y a s h ：w a t e r ：s a n d ：a g g r e g a t e ：w a t e r - r e d u c e r = 1 ：o 2 5 ：0 5 6 ：1 9 4 ：3 21 ：o 0 2 ( 4 ) t h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h et u n n e lc o n c r e t ed u r a b i l i t ya r et h ee r o s i o n o fc h l o r i d ea n ds u l f a t ei o n ，c o n c r e t ec a r b o n i z a t i o n ，t h ec o r r o s i o no fs t r a yc u r r e n ta n d r e i n f o r c i n gs t e e lb a r , a l k a l i a g g r e g a t er e a c t i o na n dc o n s t r u c t i o nf a c t o r se t c ( 5 ) t h eq u a l i t yc o n t r o lo ft h er a wm a t e r i a l so fc o n c r e t e ，m i x e dr a t i od e s i g na n d j 竖塞交适厶堂童些亟堂位论塞垦曼卫坠盟 c o n s t r u c t i o n ，t h ee n v i r o n m e n to fc o n c r e t e ，w h i c ha r ei n t e m a la n de x t e r n a lf a c t o r so f i n f l u e n c i n gt h ec o n c r e t ed u r a b i l i t y , a r et h ei m p o r t a n c eo fr e s e a r c ho nd u r a b i l i t y k e y w o r d s ：d e d i c a t e d p a s s e n g e rr a i l w a yl i n e s ；t u n n e le n g i n e e r i n g ；d u r a b i l i t yo f c o n c r e t e ；o v e r a l lc a l c u l a t i o nm e t h o d ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月 日 签字r 期：年 月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 5 9 致谢 本论文的工作是在我的导师梁青槐教授的悉心指导下完成的，从选题、试验 到论文的撰写与修正过程中，梁教授倾注了大量的心血和精力，他严谨的治学态 度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此作者谨向导师致以深深的感 谢。 在试验过程中，得到了中铁隧道集团温福铁路下白石工区试验室的支持，他 们提供了试验室、原材料及现场试验等，感谢陈海勇等同志在试验过程中给予的 支持与帮助；在论文研究工作中，也得到了陈东霞、张向民等同学的帮助，在此 对他们深表感激。 感谢所有关心和帮助过我的老师、同学、同事和家人，你们的关心和厚爱， 将激励着我继续努力进取。 1 1 引言 1 绪论 1 1 1 混凝土耐久性问题的严重性 自1 9 世纪2 0 年代波特兰水泥问世以来，混凝土材料以其广泛的适用性和低廉 的造价成为土木建筑工程中不可缺少的材料、其用量越来越大，水泥和混凝土成为 世界上最大宗的建筑材料。2 0 0 6 年我国水泥产量突破1 2 亿吨，居世界第一位，而 全球混凝土的年消耗量大约为5 0 亿吨，因此在满足经济性的同时，进一步研究改善 混凝土的配制技术和提高混凝土的性能，是工程界永恒的研究热剧。 混凝土是由几种非常普通的材料如水泥、粗细骨料、水等基本组分，必要时可 加入混凝土的第五组分一一混凝土外加剂( 如减水剂、加气剂等) 和混凝土第六组 分一一掺和料( 如粉煤灰、磨细矿渣和硅粉等) ，经搅拌成型后、凝结硬化而形成的 人工石材仁】。混凝土具有抗压强度高、耐久性好、可塑性强等优点，因此广泛地用 于工业及民用建筑，如铁路、公路、水电站、居民住宅、机场、海港等。 水泥混凝土自问世以来，经历了低强度、中等强度、高强度乃至超高强度的发 展历程，似乎人们总是乐于追求强度的不断提高。但是近四五十年以来，混凝土结 构物因材质劣化造成过早失效以至破坏坍塌的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演 愈烈之势。这些混凝土工程的过早破坏，其原因不是由于强度不足，而是由于混凝 土耐久性不良。例如，目前美国混凝土工程总造价6 万亿美元，每年用于混凝土工程 维修和重建的费用约3 0 0 0 亿美元，2 0 0 1 年仅修复由于耐久性劣化而损坏的桥梁就 耗资9 1 0 亿美元；南非1 9 8 1 年用于拆换桥梁、挡土墙、墩柱、路面、路缘、蓄水坝、 系桩柱、防波堤、电杆基础等的经费就超过2 7 0 0 万英镑，这些结构物多是在建成后 3 1 0 年内就发现开裂破坏；英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用达2 0 0 亿英 镑；日本目前每年仅用于混凝土房屋维修的费用为4 0 0 亿日元，其引以自豪的“新 干线”使用不到l o 年就出现大面积混凝土丌裂、剥蚀现象1 3 j 。 我国基本建设比发达国家迟三十多年，但己建的一些工程也有类似令人堪忧的 状况。据统计【4 j ，我国现有建筑面积5 0 亿平方米，其中约2 3 亿平方米需分期分批 进行鉴定加固，近1 0 亿平方米急需维修加固爿能使用。如在水工建筑物方面，佛子 岭、梅山、响洪甸等大坝曾出现裂缝、渗水，其维修加固费用较大；北京天津等地 的钢筋混凝土立交桥，使用时间不长，结构就出现较严重的开裂和钢筋锈蚀：某机 场跑道由于碱骨料反应，使用一两年就报废；对我国几个铁路局所辖的隧道进行抽 样调查表明，漏水的占5 0 4 ，其中1 3 渗漏严重，并导致钢轨等配件锈蚀以及电 力牵引地段漏电，影响正常运行【5 】；根据我国中长期铁路网规划，近十几年内将修建 超过1 2 0 0k m 的客运专线隧道工程，相当于国外已通车运营的高速铁路隧道的总长 度，其中截至到2 0 0 4 年底国家已批复即将开工的客运专线的隧道就有6 6 3 k m t 6 1 ，为确 保这些工程的质量，使其有合理的耐久寿命，避免因非j 下常维修甚至重建而造成的 巨大浪费，就应未雨绸缪，采取必要的技术措施和质量监控措施，提高混凝土的耐 久性。 综上所述，由于外界因素和内部缺陷引起的混凝土耐久性( 材料、结构、构件 三方面) 劣化，进而导致其耐久性寿命降低，在国内外都是一个非常普遍的问题。 为了补强加固既有钢筋混凝土建筑物，使其基本恢复原设计功能，为了使新建的混 凝土建筑物有良好的耐久性，就必须深入研究和探讨钢筋混凝土的耐久性问题【7 】。 1 1 2 混凝土耐久性定义 1 、混凝土耐久性 混凝土的耐久性是指混凝土材料和结构，在j 下常使用过程中在外界环境因素 ( 水、空气、盐、碱、酸、电流、光、c 0 ，等) 和混凝土内部缺陷( 裂缝、孔隙等) 长期共同作用下，原设计功能不致显著降低的性质。或者说是在设计耐久寿命内抵 抗外界环境因素或混凝土内部缺陷所产生的侵蚀破坏作用的能力【8 】。混凝土的耐久 性研究一般分为环境、材料、构件和结构4 个层次【9 】。 环境层次的耐久性研究包括不同环境作用的影响研究与不同环境因素的影响研 究两个方面，坏境作用的影响可分为冻融、化学物质侵蚀、生物和机械物理作用等， 而环境因素包括气候条件、应力状态、环境中侵蚀介质在材料内部的渗透等。 材料层次包括钢筋锈蚀、冻融循环、碱集料反应、化学作用和配合比等的机理， 物理、化学和生化过程与环境侵蚀分析。 构件层次主要以结构中主要受力构件为研究对象，考虑的因素有钢筋直径、保 护层厚度、养护方式、钢筋锈蚀程度和速度等，研究内容包括锈蚀后构件各项力学 性能、考虑耐久性下降的承载力计算方法，构件锈蚀前后破坏形态的对比分析以及 锈蚀构件裂缝和变形的发展规律等。 结构层次的耐久性研究主要是在拟建混凝土结构的耐久性设计和在役混凝土结 构的耐久性评估与寿命预测三个方面展开的。 2 、高性能混凝土( h p c ) 高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ) 的提出，首先是在19 9 0 年美国国 家标准与技术研究院( n i s t ) 与美国混凝土协会( a c i ) 召开的第一届高性能混凝土 的讨论会上，将高性能混凝土定义为：靠传统的组分和普通的拌和、浇筑、养护方 2 法不可能制备出的具有所要求的性质和匀质性的混凝土。 自高性能混凝土( h p c ) 一词提出1 0 余年以来，至今对它没有权威的解释或定 义。法国的m a l i e r 认为：高性能混凝土的特点在于良好的工作性、高的强度和早期 强度、工程高经济性和高耐久性。以美国的e k m e h t a 和加拿大的e c a i t i c n 为代表 的学者认为高性能混凝土应该是高耐久性，而不仅仅是高强度，除了强度以外，高 耐久性还应该包括高体积稳定性、低渗透性和高工作性。 我国的吴中伟院士及清华大学廉慧珍教授也给出了高性能混凝土定义：高性能 混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上，采用 现代混凝土技术，采用优质原材料，在严格质量管理的条件下制成的，除了水泥、 水、骨料以外，必须掺加足够数量的掺和料与高效外加剂f 1 0 1 。中国土木工程学会标 准混凝土结构耐久性设计与施工指南将高性能混凝土定义为：以耐久性为基本 要求并满足工程其他特殊性能和匀质性要求、用常规材料和常规工艺制造的水泥基 混凝土；这种混凝土在配比上的特点是掺加合格的矿物掺和料和高效减水剂，取用 较低的水胶比和较少的水泥用量，并在制作上通过严格的质量控制，使其达到良好 的工作性、均匀性、密实性和体积稳定性】。按照这个定义，本文所研究的客运专 线隧道工程c 3 0 泵送混凝土应属于高性能混凝土( h p c ) 。 1 2 混凝土耐久性研究的发展水平与存在问题 1 2 1 混凝土环境和材料耐久性研究现状 对客运专线混凝土来说，由于其环境的特殊性，在混凝土的耐久寿命进程中， 当混凝土配合比确定后，对其耐久寿命影响最大的就是它所处的环境冈素( 如碳化、 氯离子渗透、杂散电流、碱集料反应、硫酸盐侵蚀等) 。目前单因素情况下混凝土材 料耐久性的研究成果较多，现分述如下： 1 、混凝土抗碳化的研究 ( 1 ) 混凝土碳化机理 水泥的主要矿物组成有c ，s 、c 3 a 、c 。彳f 等，加水拌和后生成的主要水化产 物有水化硅酸钙、水化铁酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙和c a ( o h ) ，等，在这些 水化产物中水化硅酸钙占6 0 左右。在水泥水化过程中，由于化学收缩、自由水蒸 发等多种原因，在混凝土内部形成了大量的毛细孔、孔隙和气泡等缺陷。 混凝土是一种碱性材料，其p h 值约为1 2 1 3 。在钢筋混凝土结构中，钢筋被 包裹于混凝土保护层内，混凝土的高碱性使其钢筋表面产生一层致密的钝化膜，从 而对钢筋起到保护作用。钢筋在这种环境下产生钝化膜不会锈蚀，但如果暴露在大 气中，空气中的c a 会不断地进入混凝土中尚未完全充水的毛细孔，如果在钢筋混 凝土结构使用环境中存在c q 和水等条件，则c q 就会与混凝土中的c a ( o h ) ，发生 中和反应，使混凝土的碱性下降至8 5 - - - 9 0 ，p h 值接近中性；当碳化深度到达钢筋 表面时，会破坏对钢筋起保护作用的钝化膜，致使钢筋发生锈蚀，生成红锈( f e ，0 3 ) 和黑锈( f e ，q ) ，而钢筋锈蚀后的生成物其体积会膨胀至原来的1 1 5 倍，巨大的 膨胀压力使铁锈周边的混凝土承受着拉应力，由于混凝土的抗拉强度仅有抗压强度 的1 1 0 - - 1 2 0 ，因此当混凝土受到的拉应力超过自身的极限抗拉强度时，混凝土就 会产生裂缝，当裂缝不断发展达到一定程度就会导致混凝土结构的破坏【1 2 。3 1 。 要产生碳化的必要条件是水和c 职的存在，碳化本身对素混凝土并无多大危害， 它可以提高混凝土的抗压强度和抗折强度等，而钢筋混凝土中的钢筋锈蚀使混凝土 开裂破坏的一个极其重要的原因就是混凝土碳化，由于碳化作用使钢筋混凝土的钝 化膜遭到破坏，钢筋锈蚀，从而产生顺筋裂缝。 ( 2 ) 混凝土碳化深度预测的研究 目前提出的碳化深度计算模型可以分为理论模型和试验模型两大类。前苏联学 者阿列克谢耶夫等人根据f i c k 等第一扩散定律及c a 在多孔介质中扩散和吸收的 特点给出理论数学模型1 1 4 1 ；希腊学者p a p a d a k i s 等人根据c d 及各可碳化物质 ( c a ( o h ) ，c s h ，c , s ，c 2 s ) 在碳化过程中的平衡条件建立偏微分方程组，经求 解简化给出另一种理论模型【”】，两者所用方法不同，但模型最后形式均表明碳化深 度与碳化时间的平方根成讵比。 由于理论模型中许多参数很难确定，不便于实际工程应用，因此出现了基于试 验和工程实测的经验模型，经验模型大多数都是在承认碳化深度与碳化时间的平方 根成正比的基础上，对碳化系数进行研究。 国内外提出的碳化公式很多，多数以水灰比和水泥用量为参数，各公式的差异 较大，对于国内使用的预测模型最好采用我国有关资料的表达式，国外有关试验资 料和预测模型仅供参考。试验研究得出，当空气湿度为5 0 - - 7 0 时，混凝土的碳 化过程发展最快。 综上所述，混凝土碳化深度预测的研究成果较多，但没有一个广泛适应的模型。 2 、混凝土抗氯离子渗透的研究 ( 1 ) 氯离子渗透破坏机理 混凝土氯离子渗透机理是外界的氯离子通过水溶液的形式大量分布于钢筋混凝 土的表面，当混凝土表面存在着裂缝、开口孔隙等不密实现象时，这些氯离子会渗 入其中并积聚在钢筋周围，当钢筋周围孔隙液中的氯离子浓度达到其临界氯离子浓 度值时，由于氯离子比其它阴离子更容易渗入钝化膜，与铁离子结合成易溶的二价 铁和氯化物的复合物( 绿锈) ，破坏了钢筋钝化膜，引起钢筋锈蚀，进而导致混凝土 结构破坏，因此氯离子是促使钢筋锈蚀、破坏钢筋混凝土耐久性的最危险物质。试 4 验表明，混凝土拌和物中氯离子含量若达到水泥含量的0 0 3 5 ，就足以使混凝土中 的钢筋局部去钝化，从而导致钢筋锈蚀【1 6 】。 ( 2 ) 混凝土抗氯离子渗透测试方法的研究现状 目前评价氯盐环境混凝土质量的较理想方法是通过测定混凝土中的氯离子扩散 系数来评价混凝土的渗透性。按照氯离子渗透规律计算钢筋处氯离子含量的关键是 合理确定氯离子在混凝土中的有效扩散系数k 。目前有关的资料较少，尚无成熟的 计算公式，为了计算基于氯离子渗透的混凝土耐久寿命，必须测出氯离子扩散系数， 而检测混凝土抗氯离子渗透性能的常用方法有自然扩散法和加速扩散法。 自然扩散法：是将混凝土试件长期浸泡在n a c l 溶液中，然后通过切片或钻 取的方法，借助于化学试剂滴定法，定期测定混凝土不同深度的氯离子含量，得到 氯离子浓度和扩散距离的关系，然后利用f i c k 第二定律计算出氯离子扩散系数，据 此来判断混凝土的抗氯离子性能。这种方法比较切合实际工程状况，但试验周期较 长、过程较复杂。其测试结果不仅可用于基于钢筋腐蚀的结构耐久寿命预测，而且 可用于快速评定混凝土的渗透性，尤其是对高性能混凝土渗透性的评价。但至今国 内外尚无自然扩散法的标准试验方法。 加速扩散法：是在混凝土外加一电场，比较在电场作用下氯离子透过混凝土 试件的速度，来判断混凝土的抗氯离子性能。按照a s t mc 1 2 0 2 或a a s h t ot 2 2 7 等快速试验方法和水运工程混凝土试验规程( j t j 2 7 0 9 8 ) 7 9 条的要求，通过施 加6 0 v 的直流电，加速氯离子在混凝土中的迁移，缩短了氯离子到达稳态传输过程 的时间，测出电通量，然后通过氯离子浓度、距离和时间的关系，利用n e r n s t e i n s t e i n 方程来确定氯离子扩散系数，它的优点是测试快捷，但计算复杂。 n e l 法是根据n e m s t e i n s t e i n 方程建立的，基于测量饱盐混凝土电导率，从而 计算混凝土中氯离子扩散系数来评价混凝土渗透性的新方法。它的优点是既适用于 普通混凝土，也适用于高性能混凝土，对于高达1 2 0 m p a 左右的混凝土，可在2 4 h 内得到测试结果。 n e l 法是将待测的混凝土切成一定厚度的试片，进行真空饱盐，饱盐之后测量 饱盐试样的电导率后，应用n e r n s t 。e i n s t e i n 方程计算出混凝土中的氯离子扩散系数。 经实际工程证明，对于高渗透性混凝土，n e l 法检测结果与渗透压法和a s t mc 1 2 0 2 法基本一致；对于中等渗透性混凝土，n e l 法与a s t mc 1 2 0 2 法一致；对于高抗渗 性混凝土，n e l 法相对准确。 3 、混凝土抗杂散电流的研究 ( 1 ) 杂散电流 在电气化铁路上，钢轨还起着牵引电流的回流线作用。它通过轨枕和道碴层在 电气上与大地相连。因此，有一部分牵引电流可能流入大地，这些在大地中的电流 称为杂散电流( d i s p e r s e dc u r r e n t ) 1 7 】。它可使铁路周围的埋地金属管线钢材或钢筋 5 混凝土中的钢筋发生电化学腐蚀而产生体积膨胀，从而导致混凝土结构破坏。它是 影响铁路隧道混凝土耐久寿命的重要因素。 杂散电流腐蚀一般具有以下特点：腐蚀剧烈；腐蚀较为集中于某些位置； 有防腐层存在时，腐蚀往往发生在防腐层的缺陷部位。 ( 2 ) 杂散电流的危害性 杂散电流可使列车周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及隧道主体工程中的 钢筋发生电化学腐蚀，由阳极反应产生的腐蚀产物铁锈等在钢筋或钢管表面沉积形 成锈层而产生膨胀，铁锈体积可达到原来的2 倍。铁锈体积的形成，使钢筋体积膨 胀，进而对周围的混凝土产生压力，使混凝土内部形成拉应力。由于混凝土的抗拉 强度很低，只相当于抗压强度的1 1 0 - - 1 2 0 ，当由铁锈产生的拉应力超过抗拉强度时 混凝土会沿钢筋开裂，从而导致钢筋混凝土结构破坏。因此，钢筋混凝土结构在杂 散电流腐蚀的作用下，会发生结构的破坏，严重影响铁路的运营安全。 杂散电流是铁路工程混凝土具有的耐久性影响因素，属于电化学腐蚀。它不仅 能缩短钢轨及其附件和金属管线的使用寿命，还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的 强度和耐久性，并可能酿成灾难性后果。 4 、混凝土的碱一集料反应 碱一集料反应( a l k a l i a g g r e g a t er e a c t i o n ) 是指混凝土中的碱与集料中具有碱活 性成分之间发生的破坏性膨胀反应，是影响混凝土耐久性的主要影响因素之一。该 反应会导致混凝土整体性的开裂破坏，目前尚没有有效的修补方法和完备的预防措 施，因而称为混凝土的“癌症”，在全世界造成了严重的损失。 促使该反应发生需要同时具备三个条件：在混凝土中存在碱活性矿物集料( 活性 二氧化硅、白云质类石灰岩或粘土类页岩等) 、过量的碱性溶液( k o h 和n a o h ) 和水。当k o h 和n a o h 浓度大于一定值时，可使二氧化硅颗粒结构松散，并能持 续形成碱硅胶。这种碱硅胶吸水后体积急剧膨胀，引起混凝土开裂，使混凝土结构 发生破坏l l 引。主要的反应式如下： 2 r o h + n s i 0 2jr 2 0 h n s i 0 2 h 2 0 c a c 0 3 。m g c 0 3 + 2 r o h m g ( o h ) 2 + c a c 0 3 + r 2 c 0 3 式中，r 代表n a 或k 。 1 2 2 混凝土结构和构件耐久性研究现状 1 、构件耐久性研究 构件耐久性的研究是结构耐久性的基础和前提，主要包括胀裂缝宽度、锈后钢 筋混凝土粘结锚固性能、锈后构件安全性和适用性评估及构件使用寿命的预测。 ( 1 ) 钢筋锈蚀量与混凝土胀裂及其裂缝宽度的关系 6 文献【i9 】采用设置不等厚温度环加载的方法，模拟一般大气环境条件下钢筋的不 均匀锈蚀，建立了一般大气环境条件下混凝土锈胀的有限元模型，并给出了一般边 和角区胀裂时钢筋锈蚀量的计算公式；文酬2 0 1 为得到混凝土保护层开裂时钢筋的锈 蚀量，用一个空心圆柱体的内径模拟钢筋直径，用壁厚模拟保护层厚度，通过给空 心圆柱体施加油压进行了锈蚀产物的膨胀压力试验，分析了钢筋直径、混凝土抗拉 强度及保护层厚度对混凝土破坏时最大压力的影响，得到混凝土保护层胀裂时的钢 筋锈蚀量计算公式；文献【2 1 】通过长期室内外暴露试验，得到几种不同直径钢筋在不 同混凝土强度和保护层情况下，混凝土保护层锈胀开裂时的钢筋锈蚀量。诸如此类 的研究成果国内外还有很多，不再赘述。 ( 2 ) 锈后钢筋混凝土粘结锚固性能 钢筋与混凝土之问的粘结是保证钢筋与混凝土两种材料共同工作的前提，建立 锈蚀构件的粘结性能退化规律，是分析锈蚀钢筋混凝土构件承载力的基础。目前研 究粘结性能退化规律的途径主要是进行粘结锚固试验，其试验方法主要有中心拔出 试验和梁式或半梁式拔出试验。 ( 3 ) 锈后钢筋混凝土构件承载力 锈后钢筋混凝土构件承载能力计算是既有房屋耐久性评估的主要内容，也是确 保现有结构安全使用的主要基础。为此，近年来国内外学者开展了大量的试验研究、 工程调查和理论分析工作。 2 、结构耐久性研究 对于结构层次上的耐久性，国内外研究较少。结构耐久性研究内容包含：结构 耐久性设计、结构耐久性寿命预测、结构耐久性评定三个方面。 ( 1 ) 结构耐久性设计 如何建立耐久性极限状态方程是同前耐久性设计研究的主要内容。文献【2 2 】通过 运用环境指数和结构耐久性指数建立了结构构件耐久性极限状态方程；文献【2 3 】指出 耐久性设计包括计算和构造部分。计算部分与我国现行混凝土结构设计方法协调， 仅在承载能力极限状态方程的右端项乘以耐久性设计系数，文中还给出了耐久性设 计系数的计算方法。 ( 2 ) 结构耐久性寿命预测 结构耐久性寿命预测常用的方法有：经验法、类比法、概率分析法、快速试验 法、网络法、动态分析法等，并取得了一定的成果。 ( 3 ) 结构耐久性的评定 目前提出的结构耐久性评定方法主要包括：基于构件耐久性损伤加权的耐久性 评定、基于模糊综合评判的耐久性评定和基于可靠度的耐久性评定、多层次灰色评 判等方法。 7 1 2 3 高性能混凝土配合比设计的研究现状 混凝土配合比优化设计早已成为国内外研究者关注的课题，为了设计性能可靠、 经济合理的配合比，材料研究专家进行了不懈的研究和探索，提出过正交设计、混 料设计和均匀设计等设计方法，并在混凝土设计中，引入最优化数学方法等，试图 改进以半经验、半定量的配合比设计方法。高性能混凝土由于组分多、影响因素较 多，相应地配合比设计亦更为复杂。高性能混凝土配合比设计目标是要同时兼顾耐 久性、强度、工作性、体积稳定性以及经济性等要求。 为此，国内外学者均提出了各自的有关高性能混凝土配合比优化设计方法。比 较著名的有t 美国m e h t a 和a i t c i n 推荐的方法，法国路桥中心建议的方法，日本阿 部道彦方法，以及基于最大密实度理论的方法：包括d o m o n eplj 的方法， c a r b o n a r ib t 的方法以及清华大学王怀德的方法( 颗粒堆积物密实度计算线性模型 的修正) 等。近年来h p c 配合比设计趋向于计算机化，典型的方法与软件有：法国 路桥中心的r e n e l c p ct m 软件，d u n s t a nmrh 的方法，澳大利亚d a ykw 的 c o n a d 配合比设计系统，以及我国陈肇元一王怀德h p c 配合比设计系统等。以上 方法基本上都是以经验为基础的半定量设计方法，各种方法( 包括c a d ) 通常体系 都比较庞杂，其中两个核心参数单位用水量和砂率仍多为经验取值。究其根源在于 没有能够掌握和揭示混凝土材料内在组分的关系。在各种设计方法中，美国m e h t a 和a i t c i n 推荐的方法有较多的可取性。 陈建奎、王栋民掣2 4 】对高性能混凝土配合比设计，提出一种全计算方法。该方法 首先建立普遍适用的混凝土体积模型，经数学推导求得用水量和砂率计算通式，并 以此为基础建立了混凝土定量配合比设计新方法。该方法设计的h p c 配合比与工程 中大量的实际试配结果一致性很好，在北京、厦门、珠海等地应用良好，大大降低 了试验工作量，提高了工作效率及可靠性，利于施工现场工程技术人员操作。该方 法也是本文要重点研究的内容。 1 3 本文所依托的工程背景 1 3 1 工程概况 温( 州) 福( 州) 铁路为新建双线电气化快速铁路线，客货共线，速度目标值 2 0 0 k m h ，预留2 5 0 k m h 提速条件。全线大中桥7 6 座，隧道6 5 座，占线路长度的 7 6 。其中下白石隧道位于福建宁德，起、迄里程为d k l 9 0 + 3 8 8 d k l 9 4 + 5 2 4 ，全 长4 1 3 6 m ，为单洞双线隧道，设进、出口两个施工面，采用人工风钻打眼、钻爆法 施工。 隧道进、出口段表层为粉质粘土夹碎石，下伏全风化晶屑凝灰熔岩；洞身为弱 微风化凝狄熔岩及晶屑凝灰岩，要穿越一处断层及高速公路高填方路基 ( d k l 9 2 + 9 5 5 - - d k l 9 3 + 0 8 ( 5 ) 、l 处节理密集带( d k l 9 4 + 0 8 9 d k l 9 4 + 1 7 ( 5 ) 。隧道 i 、1 l 、i i i 级围岩地段长3 4 8 8 m ，占全隧的8 4 4 ；、v 级围岩主要集中在出口 浅埋段。 地下水主要为基岩裂隙水，在节理密集带、断层及高速公路填方处地下水丰富， 渗透系数大，最大涌水量约6 0 0 0 m 3 d 。地下水对钢筋混凝土结构具弱溶出型侵蚀。 隧道采用复合式衬砌结构。初期支护和二次衬砌间拱墙背后设土工布和n b r ( i 型) 高分子防水卷材，土工布 ，3 0 0 k g m 2 ；地下水发育地段，采用内掺# j - 力n 剂 的高效耐腐蚀防水砼，砼抗渗等级不得小于p 8 。不同围岩的衬砌设计参数见表1 1 ， 隧道结构设计断面见图1 1 。 1 3 2 客运专线标准或规范要求 隧道防水等级应达到现行国家标准地下工程防水技术规范( g b 5 0 1 0 8 ) 规定 的一级防水等级标准，二次衬砌结构不允许渗水，二次衬砌结构表面无湿渍。衬砌 砼强度、耐久性、耐腐蚀性、抗渗性、抗冻性必须符合设计要求。 1 、原材料要求 ( 1 ) 水泥：采用品质稳定、强度等级术4 2 5 级的低碱硅酸盐或低碱普通硅酸盐 水泥，水泥熟料中c 3 a 含量牛8 ，在强腐蚀环境下牛5 ；矿物掺和料仅限于磨细 矿渣粉或粉煤灰。早强水泥不得使用。 表1 1不同嗣岩的隧道_ 二次衬砌设计参数 同岩 二次衬砌 类别拱墙底板仰拱填充 i 级3 0 c m 厚，c 3 0 素砼3 0 c m 厚，c 3 0 钢筋砼 1 i 级3 5 c m 厚，c 3 0 素砼 3 0 c m 厚。c 3 0 钢筋砼 i i i 级4 0 c m 厚，c 3 0 素砼 5 0 c m 厚，c 3 0 素砼 1 3 6 c m 5 5 c m 厚，c 3 0 钢筋厚， 级4 5 c m 厚，c 3 0 钢筋砼 砼 c 2 0 素 6 0 c m 厚，c 3 0 钢筋 砼 v 级5 0 c m 厚，c 3 0 钢筋砼 砼 9 图1 1 隧道复合式衬砌设计断面 ( 2 ) 细骨料：采用硬质洁净的天然河砂，细度模数为2 5 3 0 ，含泥量牛2 o 。 ( 3 ) 粗骨料：采用坚硬耐久的碎石，压碎指标z l - 1 0 ，含泥量：1 - 0 5 ，针片状 颗粒含量丰5 。 优先采用非活性骨料，不得采用具有碱硅酸盐反应的骨料。选用的骨料要在试 验生产前进行碱活性试验；所采用骨料的碱硅酸反应膨胀率在0 1 0 , - 一0 2 0 时， 混凝土中的总碱含量z l - 3 o k g m 3 。 ( 4 ) 采用的复合外加剂，需经铁道部鉴定或评审，并经质量检测中心检验合格 后才能使用。 ( 5 ) 混凝土矿物掺和料采用粉煤灰或磨细矿渣粉。粉煤灰的需水量比牛1 0 0 ， 磨细矿粉比表面积为3 5 0 5 0 0 m 2 k g 。 ( 6 ) 混凝土拌合物中各种原材料引人的氯离子含量牛胶凝材料总量的o 1 。 2 、砼施工工艺 衬砌砼必须采用强制式搅拌机搅拌，高频机械振捣，搅拌时间不应小于2 m i n ， 振捣时间宜为l o - - 3 0 s ；拌制砼时，原材料称量应采用自动计量装置，并采用运输 搅拌车运送；二次衬砌在初期支护变形稳定前施工的，拆模时的砼强度应达到设计 强度的1 0 0 ，在初期支护变形稳定后施工的，拆模时的砼强度应达到8 m p a ；砼洒 水养护时间不得少于1 4 d ，整个养护期内不得间断。 3 、混凝土耐久性要求 对混凝土的耐久性要求，一般是指混凝土的抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、 耐磨性以及抗碱骨料反应性等。 具体的混凝土耐久性指标要根据结构的设计使用年限，所处的环境类别以及作 用等级等来确定。 l o 1 4 本文研究的目的及意义 客运专线铁路以其运行速度高、线路要求平直、安全舒适、节约时间等特点， 比其他交通工具有更多的优越性。客运专线隧道工程具有占地少、环境污染小、结 构安全可靠、拆迁量和对城市干扰小等优点，从技术上具有空气动力学效应、可靠 性和结构耐久性要求高、对环境的影响更加明显、防灾救援要求高等主要特点【6 】。 客运专线隧道由于其运营速度比较高，对结构和各种运营设施所产生的作用影响也 就越大，对相应工程结构的可靠性和耐久性的要求也就越高。例如，客运专线隧道 对衬砌混凝土的裂缝要求就特别严格，因为客运专线隧道内空气压力在不断变化， 特别是洞内会车情况下，压力波动对结构的表层稳定是不利的。同样一条裂纹，对 普速铁路隧道来说在外荷载停止发展后，将不再继续变化，而客运专线隧道就不同 了，即使外荷载停止了发展，但在频繁变化的洞内空气压力波作用下，裂缝还将继 续发展，从而降低隧道衬砌耐久性和使用功能，甚至危及行车安全。 铁路客运专线要求混凝土路基沉降小、轨道平稳、混凝土变形小、抗裂性高， 对于长大隧道尤为重要。隧道混凝土因处于地下而与地面建筑的环境、施工工艺、 使用功能等不同，其耐久性研究也有其特殊性。因为隧道结构处于复杂受力状态和 多重恶劣环境因素作用条件下工作，又因地下环境的限制，结构施工困难，工程质 量高、难度大而不易保证，而且隧道运营环境恶劣且复杂多变，使结构耐久性问题 更加突出。 铁路客运专线要求隧道衬砌、轨枕、接触网支柱等结构均采用高性能混凝土材 料。高性能混凝土可以满足客运专线中这些特定的性能使用要求。由于混凝土耐久 性的提高，减少隧道的修补费用，延长隧道的使用寿命，在高速铁路隧道上应用高 性能混凝土具有较高的经济效益。另外，还可改善施工条件、列车运行的舒适性和 安全性，又具有良好的社会效益。因此，为了确保混凝土结构物达到正常的使用寿 命，最大限度地发挥高速铁路的经济社会效益，铁道部有关部门在广泛吸收国内外 重点建筑工程经验的基础上，提出了采用以耐久性为基本要素的高性能混凝土的技 术要求，并在相关规范中将混凝土电通量、抗裂性、抗碱骨料反应性能列为混凝土 耐久性一般指标，提出客运专线隧道结构的耐久性应按1 0 0 年设计。由此可见，高 性能混凝土在高速铁路隧道上的广泛应用是必然趋势。 为了在我国高速铁路隧道中广泛推广应用这一新技术和新材料，应立即开展对 混凝土耐久性的研究，积极参加混凝土耐久性相关标准、设计施工规范的制定。对 铁路隧道混凝土的原材料、配合比设计、施工工艺、质量控制开展研究，切实改善 混凝土结构的耐