1.4　研究成果與創(chuàng)新

1.4.1　主要研究成果

（1）通過混凝土水膠比、水泥品種、外加劑、摻和料配合比對(duì)混凝土工作性、力學(xué)性能、變形性能、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕、抗碳化耐久性影響試驗(yàn)研究，明確降低混凝土水膠比有利于提高混凝土耐久性，但不利于混凝土工作性和抗裂性。礦渣摻量的增加，有利于提高混凝土耐久性；單摻礦渣，混凝土工作性降低，混凝土干縮增大，抗裂性降低。為滿足鋼筋混凝土100年耐久性，膠凝材料中礦渣摻量不應(yīng)小于30%。粉煤灰摻量的增加，有利于提高混凝土工作性和抗裂性，但降低混凝土早期強(qiáng)度。為保證混凝土抗碳化100年耐久性，粉煤灰摻量不宜超過25%。引氣混凝土有利于提高混凝土工作性和耐久性。

（2）采用BML混凝土流變儀檢測(cè)分析泵送混凝土工作性。根據(jù)混凝土流變儀檢測(cè)，相同混凝土坍落度條件下，混凝土水膠比降低，混凝土塑性黏度明顯增加；單摻礦渣，混凝土塑性黏度大；提高膠凝材料中粉煤灰摻量，有利于降低混凝土塑性黏度；引氣混凝土較非引氣混凝土塑性黏度明顯降低。

（3）采用溫度-應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)法綜合評(píng)價(jià)混凝土抗裂性。隨著水膠比的增大，混凝土的開裂溫降有增大的趨勢(shì)，開裂風(fēng)險(xiǎn)降低；增大摻和料摻量，優(yōu)化摻和料組合，雙摻礦渣和粉煤灰較單摻礦渣有利于減小混凝土的開裂溫度，提高混凝土的抗裂性；摻引氣劑改善了混凝土的抗裂性能；改變外加劑品種，對(duì)混凝土的抗裂性影響不明顯。

（4）根據(jù)配合比優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)規(guī)范，推薦了不同腐蝕環(huán)境下的混凝土參考配合比和混凝土性能控制指標(biāo)參數(shù)。根據(jù)混凝土性能試驗(yàn)，嚴(yán)重和非常嚴(yán)重腐蝕環(huán)境作用等級(jí)的工段混凝土優(yōu)先推薦水膠比0.38且摻加15%～25%粉煤灰和30%～40%礦渣的引氣混凝土，混凝土含氣量4%～5%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于4×10-12m2/s，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d混凝土抗硫酸鹽等級(jí)不小于KS150，滿足鋼筋混凝土100年耐久性要求。

（5）通過毛細(xì)滲透和0.3MPa滲透壓力試驗(yàn)研究表明，在深圳地鐵11號(hào)線最嚴(yán)酷腐蝕介質(zhì)濃度有壓滲透下，氯鹽腐蝕危害深度遠(yuǎn)未達(dá)到混凝土側(cè)墻外層鋼筋保護(hù)層厚度，更加影響不到側(cè)墻內(nèi)層鋼筋，因此不存在薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)干濕交替破壞環(huán)境。氯離子的存在限制了硫酸鹽的滲透，硫酸鹽的滲透深度不可能超過氯離子滲透深度，因此也不存在硫酸鹽薄壁結(jié)構(gòu)干濕交替結(jié)晶腐蝕破壞環(huán)境。該項(xiàng)研究成果對(duì)明確規(guī)范中的“薄壁結(jié)構(gòu)”和“干濕交替”具有重要借鑒意義。

（6）混凝土抗?jié)B試件預(yù)留小于0.2mm寬度裂縫，在0.3MPa滲透壓力下，通過不同濃度腐蝕介質(zhì)循環(huán)滲透試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：①在低濃度氯鹽-硫酸鹽溶液中，鋼筋半電池電位絕對(duì)值先升高再降低，最終趨于平緩的狀態(tài)。在試驗(yàn)初期腐蝕液滲出，后期硫酸鹽與水泥凝膠反應(yīng)，形成石膏等膨脹性的水化產(chǎn)物和鈣礬石形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與膠凝材料二次水化產(chǎn)物結(jié)合堵塞預(yù)留裂縫，裂縫自愈合，使得鋼筋重新與腐蝕溶液分離，表面的鈍化膜重新形成，從而使鋼筋不再銹蝕。②在高濃度氯鹽-硫酸鎂溶液中，鋼筋半電池電位絕對(duì)值很快升高，然后進(jìn)入平緩的狀態(tài)，鋼筋腐蝕嚴(yán)重，一直有腐蝕液滲出。鎂離子的存在保證了氯離子以及硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物的反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，一方面弱化了試件內(nèi)部的堿度，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，無法重新形成鈍化膜；另一方面破壞了混凝土內(nèi)部的C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)，使得在高濃度氯鹽-硫酸鎂溶液中循環(huán)的試件無法像在低濃度氯鹽-硫酸鈣溶液的試件那樣通過二次水化產(chǎn)物填補(bǔ)預(yù)留裂縫，使得試件內(nèi)部長期循環(huán)浸沒在腐蝕溶液中，直至完全破壞。③在高濃度氯鹽-硫酸鎂-碳酸溶液中，鋼筋半電池電位絕對(duì)值升高最快，鋼筋腐蝕嚴(yán)重，一直有腐蝕液滲出。硫酸鎂腐蝕破壞和碳酸腐蝕破壞共同作用下，混凝土中的C-S-H凝膠會(huì)轉(zhuǎn)變成質(zhì)地松散不具有膠凝性的碳硫硅鈣石，這種多重因素的循環(huán)侵蝕導(dǎo)致混凝土試件完全破壞。

（7）拉應(yīng)力-氯離子-CO2多重環(huán)境作用下鋼筋混凝土劣化規(guī)律試驗(yàn)研究表明，在氯離子濃度為7000mg/L和15000mg/L鹽溶液中浸泡的試件，在碳化環(huán)境干濕循環(huán)作用下，強(qiáng)度均出現(xiàn)先增加后下降的規(guī)律；非碳化環(huán)境下的試件浸烘循環(huán)12次和24次后，混凝土試件抗壓強(qiáng)度值均低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的同齡期試件值。在氯鹽-碳化循環(huán)條件下，隨著循環(huán)次數(shù)增加，混凝土各層氯離子濃度逐漸增加，施加40%的極限拉應(yīng)力后，加速了氯離子的滲透速度，而混凝土表層的碳化明顯阻礙了氯離子的滲透；同時(shí)考慮碳化和拉應(yīng)力作用，拉應(yīng)力和碳化兩者對(duì)氯離子滲透的促進(jìn)和阻礙作用互相制約。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土碳化深度不斷增加，拉應(yīng)力和鹽溶液濃度均增加混凝土碳化深度；比較而言，浸泡溶液中氯離子濃度對(duì)混凝土碳化的影響大于40%的極限拉應(yīng)力作用。

（8）拉應(yīng)力-氯離子-硫酸鎂多重環(huán)境作用下鋼筋混凝土劣化規(guī)律試驗(yàn)研究表明，當(dāng)混凝土構(gòu)件所承受拉應(yīng)力為混凝土極限拉應(yīng)力的40%時(shí)，在拉應(yīng)力-氯離子-硫酸鎂多重環(huán)境作用下的混凝土腐蝕程度與混凝土不承受拉應(yīng)力時(shí)的腐蝕程度基本相同。但當(dāng)混凝土構(gòu)件所承受的拉應(yīng)力為混凝土所承受的極限拉應(yīng)力的60%時(shí)，在拉應(yīng)力-氯離子-硫酸鎂多重環(huán)境作用下的混凝土腐蝕程度較不承受拉應(yīng)力時(shí)的腐蝕程度嚴(yán)重。

（9）雜散電流-氯離子-硫酸鎂多重環(huán)境作用試驗(yàn)研究表明，氯鹽溶液極大地增強(qiáng)雜散電流對(duì)建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕，對(duì)深圳地鐵而言，存在含氯鹽環(huán)境下的雜散電流腐蝕，采用摻加20%粉煤灰和40%礦渣的耐腐蝕混凝土，與普通混凝土相比，耐久年限相對(duì)可延長15倍。在氯鹽-硫酸鹽-雜散電流腐蝕條件下，隨著雜散電流的增加和侵蝕齡期的增長，混凝土中氯離子的濃度也隨之增加。雜散電流增加了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)，特別是對(duì)普通混凝土而言，這種趨勢(shì)更加明顯。而耐腐蝕混凝土在試驗(yàn)齡期內(nèi)，氯離子主要集中在混凝土的表層，擴(kuò)散至內(nèi)部的氯離子較少。在含鹽以及凍融的環(huán)境下，當(dāng)存在雜散電流時(shí)，會(huì)加速鹽離子向混凝土內(nèi)擴(kuò)散的速度以及濃度，并且在凍融的條件下會(huì)加速混凝土的凍融破壞。長齡期雜散電流-氯鹽-硫酸鹽腐蝕會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)分析推斷，在雜散電流-氯鹽-凍融腐蝕環(huán)境中，鋼筋混凝土試件中的鋼筋通過雜散電流，電磁感應(yīng)促使混凝土孔隙液中的離子流動(dòng)，加速了氯鹽向混凝土試件內(nèi)滲透。混凝土內(nèi)部毛細(xì)管吸水飽水度和吸水速度增加，結(jié)冰壓力增大，混凝土破壞加速。而且，在混凝土內(nèi)部毛細(xì)管溶液冰凍過程中，阻擋了電磁感應(yīng)促使混凝土孔隙液中的離子流動(dòng)，由此產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力與結(jié)冰膨脹應(yīng)力共同作用，加速了混凝土的損傷破壞。

（10）混凝土耐久壽命的綜合評(píng)估表明，在氯鹽腐蝕非常嚴(yán)重環(huán)境作用等級(jí)下，推薦的最大水膠比0.38高耐腐蝕鋼筋混凝土預(yù)測(cè)壽命為156年。隨著混凝土構(gòu)件受拉應(yīng)力增加，鋼筋混凝土預(yù)測(cè)壽命降低，40%極限拉應(yīng)力和60%極限拉應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件的鋼筋銹蝕起始年限由115年分別降低至109年和96年。在氯鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)條件下，隨著混凝土內(nèi)鋼筋中雜散電流密度的增加，水膠比0.38的普通混凝土中鋼筋銹蝕起始年限由6年降低至3年；而推薦的最大水膠比0.38高耐腐蝕混凝土中鋼筋銹蝕起始年限由74年降低至59年。即高耐腐蝕混凝土中鋼筋銹蝕起始年限較同水膠比普通混凝土提高近20倍。

（11）開展了混凝土結(jié)構(gòu)施工期溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真計(jì)算。通過結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析和工程實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，車站隧道混凝土表面的最大主拉應(yīng)力位于底板兩端倒角的上表面。由于未考慮保溫措施，導(dǎo)致最大主拉應(yīng)力超過了相應(yīng)齡期的軸拉強(qiáng)度。底板兩端倒角處、底板施工縫處應(yīng)加強(qiáng)早期保溫養(yǎng)護(hù)措施。底板分層施工有利于降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

（12）試驗(yàn)研究表明，在硫酸鹽和氯鹽共同作用環(huán)境下，低水膠比大摻量礦物摻和料混凝土已能滿足樁基混凝土的防腐要求，摻阻銹劑混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力、抗氯離子侵蝕能力和抗鋼筋銹蝕能力未見改善。混凝土的工作性因摻加阻銹劑后，會(huì)出現(xiàn)坍落度損失較快、不利于施工的情況。綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能，可以不再摻加鋼筋混凝土防腐阻銹劑。但混凝土若采用經(jīng)淡水沖洗海砂，且殘余氯離子含量超過本研究中的氯離子含量范圍，可考慮摻加鋼筋混凝土防腐阻銹劑。鋼筋阻銹劑摻量應(yīng)根據(jù)混凝土中氯離子含量，通過試驗(yàn)確定。

（13）為了減少混凝土收縮裂縫，開發(fā)了混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑。試驗(yàn)研究結(jié)果可見，在混凝土中摻加膠凝材料總量10%內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑，開裂溫降明顯增加，開裂溫度明顯降低，開裂時(shí)間明顯延長，混凝土抗裂性明顯提高。混凝土干燥收縮降低約20%。氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低10%～25%。

（14）采用透水模板襯墊工藝技術(shù)，在不改變混凝土配合比的前提下，可有效降低混凝土表層水膠比，減少混凝土表面氣泡和孔隙，提高混凝土密實(shí)性，大大改善混凝土外觀質(zhì)量。采用透水模板襯墊可消除混凝土塑性裂縫，并提高混凝土抗裂性。采用透水模板襯墊可使混凝土滲水高度降低15%，碳化深度降低25%，混凝土表層氯離子濃度降低明顯。建議在底板兩端倒角和頂板兩端倒角混凝土澆筑時(shí)采用透水模板襯墊。

（15）為解決地鐵鋼筋混凝土通道產(chǎn)生收縮裂縫后封閉阻滲問題，研制開發(fā)了水泥基彈性防護(hù)砂漿。與普通水泥砂漿相比，彈性砂漿具有非常優(yōu)異的彈性，能夠適應(yīng)混凝土裂縫的伸縮變形。且彈性砂漿具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度和更好的抗?jié)B防腐耐久性。彈性砂漿極限拉伸值達(dá)400×10-6以上。彎曲韌性試驗(yàn)中，彈性砂漿在未出現(xiàn)裂縫時(shí)的最大撓度在0.40mm以上，體現(xiàn)了彈性砂漿具有較好的彈性變形能力。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)貫穿裂縫時(shí)，推薦采用彈性防護(hù)砂漿在混凝土裂縫外表面防護(hù)修補(bǔ)。

（16）以研究成果為基礎(chǔ)，編制了《深圳地鐵11號(hào)線工程高耐久性混凝土施工技術(shù)導(dǎo)則》和《深圳地鐵11號(hào)線地下結(jié)構(gòu)在使用期間的結(jié)構(gòu)維護(hù)和檢測(cè)措施規(guī)范性文件》。

（17）滿足100年耐久性設(shè)計(jì)要求的高耐久性混凝土在深圳地鐵11號(hào)線車公廟站、南山站、后海站、前海灣站、寶安站、碧海灣站、機(jī)場(chǎng)北站、福永站、后亭站和碧頭站等站點(diǎn)得以成功應(yīng)用。深圳地鐵11號(hào)線結(jié)構(gòu)工程共澆筑混凝土197.6萬m3，其中滿足各種腐蝕環(huán)境等級(jí)100年耐久性的高耐久性混凝土澆筑55.7萬m3。

在各種腐蝕環(huán)境等級(jí)條件下能滿足100年設(shè)計(jì)使用年限的高耐久性混凝土中采用粉煤灰和礦渣粉部分取代水泥，既確保鋼筋混凝土耐久性，又降低混凝土原材料成本，而且循環(huán)利用工業(yè)廢渣資源，降低CO2排放，降低環(huán)境污染。深圳地鐵11號(hào)線結(jié)構(gòu)工程共節(jié)約水泥10.8萬t，利用粉煤灰3.94萬t，礦渣粉6.9萬t。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)1t水泥大約排放1t CO2進(jìn)入大氣層，而CO2排放是溫室效應(yīng)和全球性氣候變暖的主要原因所在。節(jié)約水泥10.8萬t，相當(dāng)于減少10.8萬t的CO2排放，社會(huì)效益明顯。按水泥400元/t、粉煤灰120元/t、礦渣粉250元/t計(jì)，采用粉煤灰和礦渣粉部分取代水泥，深圳地鐵11號(hào)線結(jié)構(gòu)工程共計(jì)降低原材料成本2138.7萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1.4.2　創(chuàng)新點(diǎn)

（1）提出了以耐久性為核心，提高抗裂性，保障工作性的地鐵工程混凝土配合比設(shè)計(jì)理念。采用先進(jìn)、合理的綜合評(píng)定方法，評(píng)價(jià)混凝土的抗裂性和工作性。確定了性能優(yōu)異的高抗裂、高耐久混凝土配合比，并為滿足地鐵工程地下結(jié)構(gòu)100年設(shè)計(jì)要求提供了技術(shù)保障。

（2）揭示了混凝土裂縫寬度和腐蝕環(huán)境等級(jí)對(duì)鋼筋混凝土腐蝕破壞的影響機(jī)理。在地鐵工程滲透壓力下，當(dāng)混凝土貫穿裂縫寬度小于0.2mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)低濃度氯鹽-硫酸鹽腐蝕環(huán)境下的高耐久性混凝土裂縫具有自愈合特性；高濃度氯鹽-硫酸鎂腐蝕環(huán)境下和高濃度氯鹽-硫酸鎂-碳酸腐蝕環(huán)境下的混凝土無自愈合特性。

（3）首次開展拉應(yīng)力與氯鹽和硫酸鹽多種腐蝕介質(zhì)共同作用下構(gòu)件的腐蝕劣化進(jìn)程研究，探明了構(gòu)件在不同極限拉應(yīng)力狀態(tài)下腐蝕速率的變化規(guī)律。率先開展了拉應(yīng)力與氯鹽侵蝕和碳化腐蝕共同作用下混凝土構(gòu)件的腐蝕劣化進(jìn)程研究，構(gòu)建了碳化、氯離子濃度、拉應(yīng)力三因素相互影響的關(guān)系。

（4）研究發(fā)現(xiàn)了混凝土內(nèi)鋼筋存在雜散電流時(shí)，將加劇處于氯鹽和硫酸鹽腐蝕環(huán)境中的混凝土凍融腐蝕破壞。長期雜散電流-氯鹽-硫酸鹽腐蝕將降低混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)。

（5）研究開發(fā)的混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑對(duì)減少混凝土干燥收縮效果顯著，混凝土抗裂性明顯提高；研究開發(fā)的水泥基彈性防護(hù)砂漿具有優(yōu)良的抗變形能力和抗腐蝕耐久性，是性能優(yōu)異的混凝土裂縫修補(bǔ)材料，已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)；研究開發(fā)的納米級(jí)噴射混凝土改性摻和料、用于大摻量粒化高爐礦渣砂漿或混凝土的早期強(qiáng)度激發(fā)劑和熱敏性材料改性混凝土已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。

（6）采用混凝土模板襯墊可有效提高地鐵工程現(xiàn)澆混凝土外觀質(zhì)量、抗裂性和耐久性。研究開發(fā)的大體積混凝土真空脫水襯墊及工法已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。