跨江海隧道功能梯度混凝土管片的收缩开裂研究

王信刚，盛明强，王 睿，邵铁峰

跨江海隧道功能梯度混凝土管片的收缩开裂研究

王信刚a，盛明强a，王 睿b，邵铁峰a

（南昌大学 a.建筑工程学院；b.艺术与设计学院，南昌 330031）

引入梯度功能设计思路，进行功能梯度混凝土管片（functionally gradient concrete segment，简称FGCS）的结构与材料设计。无细观界面过渡区水泥基材料（meso-interfacial transition zone-free cement-based materials，简称 MIF）中由于掺入了能显著改善收缩开裂趋势的减缩组分和细微化裂纹的抗裂组分，降低了MIF的收缩值，提高了MIF的抗裂能力，有利于提高MIF的抗渗性能，进而可以提高FGCS的抗渗性能。混凝土两次浇注成型时，采用界面强化工艺——压印工艺，可以提高混凝土功能层之间界面粘结强度10%～35%，产生界面强化效应。采用ANSYS计算的FGCS中界面最大拉应力的计算值远小于界面劈裂抗拉强度试验测试值，FGCS中界面由于收缩引起的应力不会引起FGCS产生相对的滑移而导致开裂。用于武汉长江隧道工程的FGCS的外弧面裂缝宽度＜0.1 mm，Cl－扩散系数为 4.9×10－13m2／s。

管片；收缩；抗裂；界面粘结强度；界面强化

钢筋混凝土管片是跨江海盾构隧道的结构主体，管片保护层一旦开裂，Cl－，SO42－，Mg2＋，H2O等多种环境侵蚀性介质就可以较快地直接作用于钢筋，加快钢筋的腐蚀，大大降低跨江海盾构隧道的结构耐久性［1，2］。因此，跨江海盾构隧道的结构耐久性与管片保护层的抗裂性能密切相关。提高管片保护层的抗裂性能，有利于提高管片的抗渗性能，进而大幅提高跨江海盾构隧道的结构耐久性。

本文依托万里长江第一隧——武汉长江隧道工程，进行功能梯度混凝土管片（functionally gradient concrete segment，简称 FGCS）的结构与材料设计。采用试验研究与有限元计算相结合的方法来分析FGCS的高抗渗保护层材料——无细观界面过渡区水泥基材料（meso-interfacial transition zone-free cement-based materials，简称 MIF）与高强结构层混凝土——高性能混凝土（high performance concrete，简称HPC）的收缩匹配性能、抗裂性能、界面粘结强度，最后对生产的FGCS的裂缝进行综合评价。

1 FGCS的结构与材料设计

1.1 FGCS的结构设计

FGCS的结构设计是指根据跨江海盾构隧道对衬砌管片功能和性能要求，在钢筋混凝土管片结构设计中引入梯度功能设计思路，设计出外层高致密防水、保护层高抗渗抗蚀、结构层高强高性能和内层防火抗爆的FGCS，以实现管片外层高防水抗渗、中间层结构高强、内层高耐火的功能／结构一体化设计，将材料的功能设计与结构设计统一起来［3］。与传统的钢筋混凝土管片相比，采用功能／结构一体化设计的FGCS可显著提高管片的防水、抗渗、抗蚀、抗裂性能以及耐火极限和抗冲击能力。图1是FGCS的功能／结构一体化设计图。

图1 FGCS的功能／结构一体化设计图Fig.1 Diagram of functionally and structurally integrated design of FGCS

1.2 FGCS的材料设计

FGCS的高致密防水层采用高效渗透结晶型防水材料喷涂制备，可在管片生产过程中的水池养护工序完成后进行；FGCS的防火抗爆层采用隧道防火涂料喷涂制备，可在管片完成安装工序后进行；FGCS的钢筋混凝土保护层和高强结构层可以采用同一种高性能混凝土，并且可以一次浇注而成。因此，FGCS的材料设计主要包括高抗渗保护层材料和高强结构层混凝土的设计。

高抗渗保护层采用MIF制备而成。MIF是由胶凝材料（包括水泥和填充密实组分）、细颗粒骨架材料、性能调整组分（包括减缩组分、抗裂组分和憎水组分）、高效减水剂以及水5大组分组成。MIF的集料与水泥石界面过渡区由传统混凝土的60～100 μm细化为30μm以下，有效阻断了侵蚀性介质的渗入通道，大幅提高了FGCS的抗渗性能，尤其是其抗离子渗透性能［4］。

高强结构层由强度等级≥C50的HPC制备而成。HPC的水胶比为0.28～0.32，水泥用量为350～420 kg／m3，每方掺入70～150 kg矿物细掺料。

2 试验结果与分析

2.1 原材料与配合比

2.1.1 MIF的原材料

①水泥：采用武汉亚东水泥有限公司生产的P·Ⅱ52.5水泥；②填充密实组分：武汉阳逻电厂生产的Ⅱ级粉煤灰和武汉森太冶金有限责任公司的微硅粉；③细颗粒骨架材料：由粒径为0.18～0.27 mm和0.27～0.70 mm的石英砂按质量比 1∶1配制而成，细度模数为1.50，属特细砂；④减缩组分：小分子聚醚类减缩剂；⑤抗裂组分：由长度为3 mm和10 mm的聚丙烯纤维按质量比1∶1配制而成；⑥憎水组分：高效渗透结晶型防水材料；⑦高效减水剂：武汉浩源化学建材有限公司生产的FDN高浓型萘系高效减水剂。MIF的配合比及其强度见表1。

2.1.2 HPC的原材料

①水泥：采用武汉亚东水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥；②粉煤灰：采用武汉阳逻电厂的Ⅱ级粉煤灰；③河砂：采用细度模数为2.5的巴河河砂，属中砂；④石子：采用粒径为4.75～9.5 mm的瓜米石和粒径为4.75～26.5 mm的小分口石，均为碎石；⑤高效减水剂：上海花王化学有限公司生产的Mighty－150高浓型萘系高效减水剂。HPC的配合比及其强度见表2。

2.2 收缩性能

借鉴国家标准《水泥胶砂干缩试验方法》（JC／T 603- 2004），采用25 mm×25 mm×280 mm的棱柱体试件，测试MIF收缩值；借鉴国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》（GBJ 82- 85），采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，测试HPC收缩值。

图2是MIF和HPC在干燥环境下的收缩值。从图中可以看出，MIF和HPC的收缩值都是随着龄期的增长而有不同程度增长，且MIF的收缩值要比相应龄期下HPC的大。HPC在28 d和90 d的收缩值分别为242×10－6和387×10－6，而 MIF在 28 d和90d的收缩值分别为374×10－6和482×10－6，HPC和MIF的收缩值从28 d到90 d之间分别增长59.9%和28.9%，28 d和90 d的收缩值分别相差132×10－6和105×10－6。

图2 MIF和HPC的收缩值Fig.2 Shrinkage of MIF and HPC

表1 MIF的配合比及其强度Table 1 Mix proportion and strength of MIF

表2 HPC的配合比及其强度Table 2 Mix proportion and strength of HPC

分析其中原因，HPC中掺有20%的Ⅱ级粉煤灰，在28 d内的收缩主要是来自于水泥的水化，28 d后Ⅱ级粉煤灰发生二次水化反应导致混凝土收缩大幅增加。MIF中由于取消了具有限制收缩作用的粗集料，可能导致其收缩明显增大，但由于MIF中掺入了具有减小收缩变形作用的减缩组分，显著改善了MIF的收缩开裂趋势；另外，MIF中也掺有填充密实组分，在一定程度上也能抑制MIF的收缩，使得MIF的收缩值与HPC的收缩值相差不大，最大相差（100～135）×10－6。所以，MIF与 HPC的收缩性能匹配良好，不会导致FGCS中MIF与HPC在收缩变形上的非一致性。

2.3 抗裂性能

图3是MIF的平板抗裂试验照片。试验结果表明：MIF的平板表面经连续吹风14 d，仍未出现肉眼可见裂缝。根据中国土木工程学会CCES 01-2004标准，MIF的抗裂性达到Ⅰ级。MIF的高抗裂性能，有利于提高MIF的抗渗性能，进而可以提高FGCS的抗渗性能。

参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中推荐混凝土平板抗裂性试验［5］，采用600 mm×600 mm×63 mm的平板试件，测试MIF的抗裂性能。试验时气温35℃，相对湿度70%，平板试件成型2 h后，用电风扇吹平板表面，加速其开裂，记录试件开始出现裂缝的时间、裂缝数量、长度、宽度等以及随时间的变化。

图3 MIF的平板抗裂试验照片Fig.3 Test of slab anti-cracking of MIF

分析其中原因，主要是由于MIF中掺入了减缩组分和抗裂组分，减缩组分能显著降低其收缩值，抗裂组分能细微化裂纹，减缩组分和抗裂组分的掺入显著改善了MIF的收缩开裂趋势，提高其抗裂能力。另外，MIF中也掺有大量的、在一定程度上也能抑制MIF收缩的填充密实组分。上述原因使得MIF具有优异的抗裂性能。

2.4 界面粘结强度

根据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T 50081- 2002），采用 150 mm×150 mm×150 mm立方体试件的界面劈裂抗拉强度来表示界面粘结强度。同时，拟采用压印工艺来增大MIF-HPC界面接触面积，提高其界面粘结强度，达到界面强化的效果。图4是压印模具示意图。表3是MIF-HPC界面劈裂抗拉强度及界面强化效应。

图4 压印模具示意图Fig.4 Schematic of imprinting mould

表3 MIF-HPC界面劈裂抗拉强度及界面强化效应Table 3 Interface splitting tensile strength and interface strengthening effect

从表中可以看出，混凝土两次浇注成型时，采用压印工艺进行界面强化处理的JM2试样在相应龄期下的界面劈裂抗拉强度高于未采用压印工艺进行界面强化处理的JM1试样，且JM2试样在12 h，7 d，28 d的界面劈裂抗拉强度分别比JM1试样提高了9.2%，16.8%，38.0%。如在 28 d龄期时，未采用压印工艺进行界面强化处理的JM1试样的MIFHPC界面劈裂抗拉强度只有4.71 MPa，而采用压印工艺进行界面强化处理的JM2试样的界面劈裂抗拉强度增大为6.54 MPa。

分析其中原因，主要是采用压印工艺进行界面强化处理后，显著增加了MIF-HPC界面的接触面积。通过理论计算，采用压印工艺进行界面强化处理后的MIF-HPC界面接触面积，比未经处理时增大了22.8%，提高了 MIF-HPC界面过渡的延续性，有利于提高界面粘结强度。同时，在MIF-HPC界面设置凹凸式台阶，还可以防止混凝土结构功能层之间的相对滑移，确保结构的整体稳定性。

2.5 有限元计算

依托万里长江第一隧——武汉长江隧道工程，采用有限元软件ANSYS 9.0分析FGCS的界面收缩应力。FGCS的内径为10.0 m，外径为11.0 m，环片厚度为0.5 m（外侧保护层50 mm，包括20 mm高抗渗保护层和30 mm钢筋混凝土保护层，高强结构层450 mm），宽度为2.0 m。

ANSYS计算结构温度应力的方法有直接法和间接法2种：直接法采用特殊的单元，可同时模拟温度场和应力场；间接法首先计算结构的温度场，然后转换单元性质，读入温度场计算结果，作为温度荷载，计算应力场［6－8］。

本文采用直接法计算，通过在MIF与HPC的接触面上设置薄层单元（厚度为1.0 cm，处于C2一侧），以计算FGCS的界面收缩应力。采用SOLID 45单元建立三维有限元模型，添加材料属性，划分网格，共2 250个单元，2 816个节点。表4是MIF与HPC的材料属性的参数，图5是FGCS网格划分图。模型两端施加法向位移约束。施加荷载时，采用等效温差（Equivalent Temperature Difference，简称ETD）荷载，即把材料的自由收缩等效为温度收缩，并根据材料的热膨胀系数α，把材料自由收缩值ε换算成温降值 Δt。例如，MIF的28 d收缩值为328×10－6，其热膨胀系数为 1.0×10－5／℃，则其温降值为

表4 MIF与HPC材料属性的参数Table 4 Material parameters of sample of MIF and HPC

图5 网格划分Fig.5 Meshing

图6 薄壁单元的第一主应力Fig.6 The 1st principal stress of thin-walled finite element

图6 是28 d时薄壁单元的第一主应力。从图中可以看出，薄壁单元即MIF-HPC界面的最大拉应力的计算值为3.21MPa，且大部分区域在2.86～3.0 MPa之间。由前述的表3可知，未采用压印工艺进行界面强化处理的JM1试样的MIF-HPC界面劈裂抗拉强度试验测试值为4.71 MPa。也就是说，FGCS中MIF-HPC界面最大拉应力的计算值远小于MIF-HPC界面劈裂抗拉强度试验测试值。因此，FGCS中MIF-HPC界面由于收缩引起的应力不会引起FGCS产生相对的滑移而导致开裂，用MIF制备的高抗渗保护层不会发生脱落现象，FGCS中MIF与HPC的收缩性能匹配良好［9］。

3 FGCS的裂缝评价

根据武汉长江隧道工程对衬砌管片尺寸设计要求，进行了FGCS的生产。图7是FGCS照片，从照片中可以看出，图7（a）表面无肉眼可见裂纹；图7（b）是FGCS外弧面照片，从照片中可以看出，外弧面的纤维分布均匀；图7（c）是采用裂缝测宽仪观测外弧面裂缝宽度的图片，从图中可以看出，裂缝宽度在0.02～0.08 mm之间。

图7 FGCS的裂缝评价Fig.7 Crack evaluation of FGCS

同时，在28 d龄期时，对生产的FGCS进行抽样钻芯，在FGCS外弧面上进行钻芯取样，然后送样至国家建筑材料工业房建材料质量监督检验测试中心检测其Cl－扩散系数，Cl－扩散系数试验按照中国土木工程学会CCES 01- 2004标准推荐的快速Cl－扩散测试法（NEL法）［11］进行。检测结果表明：FGCS的 Cl－扩散系数为4.9×10－13m2／s，远低于传统钢筋混凝土管片的 Cl－扩散系数（10～20）×10－13m2／s［12］，根据 Cl－扩散系数评价混凝土渗透性可知，FGCS的Cl－渗透性能为“很低”。

实际上，对于钢筋混凝土结构而言，当混凝土保护层达到25 mm以上时，即使处于Cl－侵蚀最为恶劣的浪溅区或化冰盐环境下，宽度≤0.1 mm的裂缝在锈蚀初期1～2年内，对锈蚀发展只有很小的影响，后期则无影响，即宽度≤0.1 mm的裂缝对钢筋锈蚀速率可以忽略；对于宽度≥0.2 mm的裂缝，其初期对锈蚀发展的影响非常明显，直到10年后影响才变得很小。因此，FGCS裂缝宽度＜0.1 mm是可以接受的［10］。

4 结 论

（1）无细观界面过渡区水泥基材料（简称MIF）的收缩值与高性能混凝土（简称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的抗渗性能，进而可以提高功能梯度混凝土管片（简称FGCS）的抗渗性能。

（2）混凝土两次浇注成型时，采用界面强化工艺——压印工艺，可以提高混凝土功能层之间界面粘结强度10%～35%，产生界面强化效应。同时，在功能层界面处设置凹凸式台阶，还可以防止混凝土结构功能层之间的相对滑移，确保结构的整体稳定性。

（3）采用ANSYS计算的FGCS中界面最大拉应力的计算值远小于界面劈裂抗拉强度试验测试值。因此，FGCS中界面由于收缩引起的应力不会引起FGCS产生相对的滑移而导致开裂，用MIF制备的高抗渗保护层不会发生脱落现象，FGCS中MIF与HPC的收缩性能匹配良好。

（4）实际生产的 FGCS的外弧面裂缝宽度＜0.1 mm，裂纹已经被细微化。同时，FGCS的Cl－扩散系数为4.9×10－13m2／s，Cl－渗透性能为“很低”。

［1］ 卫 军，吴兴昊.对岩土工程中混凝土结构的耐久性问题的探讨［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（1）：

140－142.（WEI Jun，WU Xing-hao.Concrete structure durability in geotechnical engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（1）：140－142.（in Chinese））

［2］ 马亚丽，张爱林.基于规定可靠指标的混凝土结构氯离子侵蚀耐久寿命预测［J］.土木工程学报，2006，39（2）：36－41.（MA Ya-li，ZHANG Ai-lin.Durability life prediction of concrete structure based on the regulated reliability index under chloride environment［J］.China Civil Engineering Journal，2006，39（2）：36－41.（in Chinese））

［3］ 马保国，王信刚，王 凯，等.一种功能梯度盾构管片及其制备方法［P］.中国：CN 1888393A，2007－01－03.（MA Bao-guo，WANG Xin-gang，WANG Kai，et al.A kind of functionally gradient shield segment and its preparation method［P］.CN 1888393A，2007.1.3.（in Chinese））

［4］ 马保国，高英力，王信刚，等.无细观界面过渡区水泥基材料的设计及性能［J］.硅酸盐学报，2007，35（7）：886－892.（MA Bao-guo，GAO Ying-li，WANG Xingang，et al.Design and properties of meso-defect interfacial transition zone free cement based material［J］.Journal of The Chinese Ceramic Society，2007，35（7）：886－892.（in Chinese））

［5］ 中国工程院土木水利与建筑学部工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组.混凝土结构耐久性设计与施工指南［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.（The Project Group of Study and Advisory，Engineering Structure Safety and Durability，Division of Civil，Hydraulic and Architecture Engineering，Chinese Academy of Engineering.Concrete Structure Durability Design and Construction Guide［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，2004.（in Chinese））

［6］ SUJATA K，XI Y，JENNINGS H M.Interfacial shrinkage in mortars［C］∥In：Chong K P ed.Materials for the New Millennium.Proceeding of 4th Materials Engineering Conference.New York：American Society of Civil Engineering，1996：1669－1676.

［7］ 郝文化.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.（HAO Wen-hua.Application Examples of ANSYSin Civil Engineering［M］.Beijing：China WaterPower Press，2005.（in Chinese））

［8］ 张松涛，李 民.ANSYS在分析混凝土结构温度场及温度应力中的应用［J］.中国水运（理论版），2006，4（5）：54－56.（ZHANG Song-tao，LI Min.Application of ANSYSin analyzing concrete structure temperature field and stress［J］.China Water Transport（Theory Edition），2006，4（5）：54－56.（in Chinese））

［9］ DAVID G G，SHIGEN（Eric）Li，GREGORY C F，et al.Splitting prism test method to evaluate concrete-to-concrete bond strength［J］.ACI Materials Journal，1999，96（3）：359－366.

［10］周新刚.混凝土结构耐久性与损伤防治［M］.北京：中国建材工业出版社，1999.（ZHOU Xin-gang.Concrete Structure Durability and Damage Prevention［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，1999.（in Chinese））

［11］ LU Xin-ying.Application of the nernst-einstein equation to concrete［J］.Cement and Concrete Research，1997，27（2）：293～302.

［12］朱祖熹.当今国内外盾构隧道防水技术比较谈［J］.地下工程与隧道，2002，（1）：14－20.（ZHU Zu-xi.Comparison between domestic and oversea waterproof technologies in shield tunnel［J］.Underground Engineering and Tunnels，2002，（1）：14－20.（in Chinese） ）

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

国家“863”计划课题（2005AA332010）资助项目；江西省教育厅青年科学基金项目（GJJ09428）

王信刚（1977-），男，江西万载人，博士，主要从事隧道工程建养技术及高性能混凝土技术研究，（电话）13517093858（电子信箱）wxglab＠126.com。

（编辑：周晓雁）