地下工程混凝土的梯度功能设计与性能研究.pdf

第3 7 卷第3 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．3 2 0 0 8 年5 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y M a y2 0 0 8 地下工程混凝土的梯度功能设计与性能研究 王信刚1 ，马保国2 ， 1 ．南昌大学建筑工程学院，江西南昌3 3 0 0 3 1 ； 2 ．武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 7 0 摘要为了解决地下工程混凝土的耐久性技术难题，在地下工程混凝土的结构设计中引入梯度 功能设计思路．采用C l 一离子扩散法检测功能梯度混凝土的抗渗性能，采用收缩试验评价其收缩 变形一致性，采用显微硬度计、S E M 测试其微观性能．结果表明，与单一的高性能混凝土相比，功 能梯度混凝土的抗渗性能明显提高，特别是其抗离子渗透性，C l 一扩散系数D N E L 下降了1 ～2 个 数量级，表观C l - 扩散系数D 。下降了5 0 ％左右；功能梯度混凝土的收缩变形匹配良好；适用于 地下工程结构混凝土保护层的无细观界面过渡区水泥基材料的集料与水泥石界面过渡区由传统 混凝土的6 0 ～1 0 0p m 细化为3 0b t m 以下，从而有效地阻断了侵蚀性介质的渗入通道． 关键词梯度功能设计；抗渗性；耐久性；收缩；界面过渡区 中图分类号T U5 2 8文献标志码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 3 一0 3 5 4 一0 6 S t u d yo fP e r f o r m a n c ea n dF u n c t i o n a l l yG r a d i e n tD e s i g n o fC o n c r e t eU s e di nU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g W A N GX i n - g a n 9 1 ，M AB a o g u 0 2 1 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，N a n c h a n gU n i v e r s i t y ，N a n e h a n g ，J i a n g x i3 3 0 0 3 1 ，C h i n a ； 2 ．K e yL a b o r a t o r yo fS i l i c a t eM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n go fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ， W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n ，H u b e i4 3 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed e s i g nt h o u g h to fg r a d i e n tf u n c t i o ni si n t r o d u c e dt ot h es t r u c t u r ed e s i g no fc o n c r e t eu s e di nu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gt or e s o l v ei t sd u r a b i l i t y ．T h ei m p e r m e a b i l i t yo ff u n c t i o n a l l yg r a d i e n tc o n c r e t ew a ss t u d i e db yc h l o r i d ei o nd if f u s i o nm e t h o d ，t h es h r i n k a g ed e f o r m a t i o n c o n s i s t e n c yo ft h a tw a so b t a i n e db ys h r i n k a g et e s t ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h a tw a si n v e s t i g a t e db yM i c r o h a r d n e s sa n dS E M ．T h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dt ot h eh i g hp e r f o r m a n c e c o n c r e t et h ei m p e r m e a b i l i t yo ff u n c t i o n a l l yg r a d i e n tc o n c r e t ei so b v i o u s l yi m p r o v e d ，e s p e c i a l l y t h ea b i l i t yt or e s i s tc h l o r i d ei o np e n e t r a t i o n ．T h ec h l o r i d ei o nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti sd e c r e a s e d b yo n et ot w oo r d e r so fm a g n i t u d ea n dt h ea p p a r e n tc h l o r i d ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e db y 5 0 ％．T h es h r i n k a g ed e f o r m a t i o no ff u n c t i o n a l l yg r a d i e n tc o n c r e t e si sg o o d ．Am e s o i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e - f r e ec e m e n t b a s e dm a t e r i a l M I F f o rc o n c r e t ec o v e r i n go fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sw a sd e v e l o p e d ．I nc o m p a r i s o nt oo r d i n a r yc o n c r e t e ，w h e r et h et h i c k n e s so f t h ei n t e r f a c i a lt r a n s i t i o nz o n ei s6 0t o10 0 肛m ，t h et h i c k n e s so fi n t e r f a c i a lt r a n s i t i o nz o n eo f M I Fi sl e s st h a n3 0 ／x m ，w h i c he f f e c t i v e l yi n h i b i t st h ep e n e t r a t i o no fc o r r o s i v em e d i ai nM I F ． K e yw o r d s f u n c t i o n a l l yg r a d i e n td e s i g n ；i m p e r m e a b i l i t y ；d u r a b i l i t y ；s h r i n k a g e ；i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o nz o n e 收稿日期2 0 0 7 一0 9 2 8 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 项目 2 0 0 5 A A 3 3 2 0 1 0 作者简介王信刚 1 9 7 7 一 ，男，江两省万载县人，工学博士，从事多功能建筑材料的开发与应用、混凝土材料与结构耐久性方面的研究． E - m a i l w x g l a b 1 2 6 ．c o r nT e l 1 3 5 1 7 0 9 3 8 5 8 万方数据 第3 期王信刚等地下工程混凝土的梯度功能设计与性能研究 3 5 5 2 1 世纪是开发利用地下空间的世纪．随着国 家西部大开发、城市地下空间开发利用、开边通海 战略的迫切需要，中国地下工程建设进入了高速发 展时期[ 1 ] ．在地下工程中，混凝土是最主要和最大 宗的结构工程材料，同时，地下工程也往往要受到 多种破坏因素的交互作用，既有可能来自内部空气 环境的侵蚀，又有可能来自外部土壤环境的侵蚀， 且由于地下水中含有很多侵蚀性介质，如C l 一， S O 。卜，M 9 2 等，侵蚀性盐在混凝土表面的吸附和 沉积，使其局部的浓度达到很高，导致混凝土局部 形成严重侵蚀破坏[ 2 q ] ．因此，地下工程混凝土不仅 要求具有较高的力学性能，更要求其具有较好的抗 渗性能和抗硫酸盐侵蚀性能等耐久性能． 本文主要针对地下工程混凝土的耐久性技术 难题，在地下工程混凝土的结构设计中引入梯度功 能设计思路，进行地下工程混凝土保护层材料的设 计与抗渗性能、收缩性能以及微观性能的研究，并 提出地下工程混凝土基于耐久性能变化的物理模 型． 下工程结构混凝土迎水面高防水抗渗、背水面结构 高强的功能／结构一体化设计，将地下工程混凝土 的功能设计与结构设计统一起来． 图1 地下工程混凝土的梯度功能设计示意图 F i g ．1 S c h e m a t i co ff u n c t i o n a la n ds t r u c t u r a l i n t e g r a t e dd e s i g no fs h i e l ds e g m e n t 高抗渗保护层要求具有较高的抗c l 一渗透性 能，可阻碍侵蚀性介质 如C l 一，S 0 。2 - 等 在梯度功 能设计的混凝土内部的迁移，减少有害离子源，直 接改善地下工程混凝土的抗离子渗透性能，确保地 下工程混凝土在多种因素作用下的耐久性。 与传统混凝土的单层设计相比，采用梯度功能 设计的混凝土可显著提高地下工程的防水、抗渗和 抗蚀能力，尤其是其抗离子渗透能力． 1 梯度功能设计 2 实验研究 梯度功能设计是目前材料科学研究领域的共 性发展方向之一，它可使功能材料具有较高的力学 性能，或者结构材料具有一定的特殊功能．梯度功 能设计不仅符合“一材多用”的材料经济性原则，更 重要的是还可使材料的结构得以简化，重量得以减 轻，成本得以降低，而且也还常常能使材料的性能 尤其是整体稳定性、可靠性得以提高口] ． 国内外现有技术的混凝土难以满足处于高压 富水状况、恶劣使用环境中的地下工程对混凝土结 构高抗渗、长寿命的要求，很不利于地下工程服役 寿命的提高．突破现有的混凝土设计思路，优化选 择地下工程混凝土材料，才能大大提高地下工程混 凝土的防水、抗渗、抗蚀等耐久性能] ． 图1 是地下工程混凝土的梯度功能设计示意 图．地下工程混凝土的梯度功能设计是指根据地下 工程对结构混凝土高抗渗性的要求，在地下工程混 凝土的结构设计中引入梯度功能设计思路，自水土 压力方向依次设置高致密防水层、高抗渗保护层、 钢筋混凝土保护层、高强结构层等4 个功能层，其 中钢筋混凝土保护层和高强结构层的混凝土是同 一种高性能混凝土，可以一次浇注而成．也就是说， 在结构混凝土的外层加上一层由高致密防水层、高 抗渗保护层、钢筋混凝土保护层共同构成的外保护 层，大幅提高地下工程混凝土的抗渗性能，实现地 2 ．1材料设计 根据地下工程混凝土的梯度功能没计思路，地 下工程混凝土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，而且提高地下工程 结构混凝土抗渗性能的关键就在于具有高抗渗性 的高抗渗保护层材料． 高抗渗保护层采用无细观界面过渡区水泥基 材料 m e s o i n t e r f a c i a lt r a n s i t i o nz o n e - f r e ec e m e n t b a s e dm a t e r i a l s ，简称M I F 制备而成．M I F 的设计 ’目的是要细化或消除水泥基复合材料的界面过渡 区，阻断其中的连通孔，大幅提高其耐久性能，尤其 是其抗渗性能，进而提高地下工程混凝土的抗渗性 能．M I F 是一种适用于地下工程结构混凝土保护 层的高性能水泥基复合材料．M I F 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、水等5 大组分组成，它们的组成 比例为，咒胶疆材科7 n 细颗粒骨架材料7 挖性能谢燕组分 ； 优高效减水剂。优水一1 ．0 1 ．0 ～1 ．4 0 ．0 3 ～0 ．0 5 。 0 。0 1 ～O ．0 3 0 。1 6 ～0 ．2 6 ． 高强结构层由强度等级≥C 5 0 的高性能混凝 土 h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，简称H P C 制备而 成．该混凝土的水胶比为0 ．2 8 ～O ．3 2 ，水泥用量为 万方数据 3 5 6 中国矿业大学学报 第3 7 卷 3 5 0 ～4 2 0k g ／m 3 ，每方混凝土掺人7 0 ～1 5 0k g 矿 物细掺料．掺人矿物细掺料可降低混凝土内部水化 温升，减少温度应力引起的裂缝；减少混凝土内部 界面过渡区的C a O H 含量，改善界面过渡区， 提高混凝土抗渗性能；同时也提高了钢筋握裹力． 2 ．2 原材料和配合比 1 用于制备高抗渗保护层的M I F 的原材料 a ．水泥武汉亚东水泥有限公司生产的P U 5 2 ．5 水泥；b ．填充密实组分包括粉煤灰 代号 S C M l 和硅粉 代号为S C M 2 ；c ．细颗粒骨架材 料包括2 9 7 ～7 1 0p m 日石英砂 代号A G l 和1 7 7 ～7 1 0p m 石英砂 代号A G 2 ；d ．减缩组分小分 子聚醚类减缩剂；e ．抗裂组分包括长度3m m 聚 丙烯纤维 代号P F l 和长度1 0m m 聚丙烯纤维 代号P F 2 ；f ．憎水组分高效渗透结晶型防水材 料；g ．高效减水剂武汉浩源化学建材有限公司 生产的F D N 高浓型萘系高效减水剂． 2 用于制备高强结构层的H P C 的原材料 a ．水泥武汉亚东水泥有限公司生产的P O 4 2 ．5 水泥；b ．粉煤灰采用武汉阳逻电厂的Ⅱ级 粉煤灰；e ．河砂采用细度模数为2 ．5 的巴河河 砂，属中砂；d ．石子采用粒径为4 ．7 5 ～9 ．5m m 的瓜米石和粒径为4 ．7 5 ～2 6 ．5m m 的小分口石， 均为碎石；e ．高效减水剂上海花王化学有限公司 生产的M i g h t y - 1 5 0 高浓型萘系高效减水剂． 3 M I F 和H P C 的配合比分别见表1 和表2 ， 其1 5 0m m 1 5 0m m 1 5 0m m 的立方体试件标 养2 8d 的抗压强度分别为8 0 ．0 和5 6 ．6M P a ． 表1M I F 的配合比 T a b l e1M i xp r o p o r t i o n so fM I F 羹萼芒警地纛} k g 群m 。，1 署等高矿掀 k g 学m 裂拟融m 1 瞄m m 驯 编号 水泥粉煤灰 - 3 瓜米石小分口石 _ 3 ⋯一。。 H P C3 7 6 ．89 4 ．26 6 04 4 96 7 47 ．0 61 4 1 ．35 0 注砂、石以饱和面干状态为基准． 2 ．3试验方法 1 抗渗性能试验方法a ．加速扩散法按 照中国土木工程学会C C E S0 1 - 2 0 0 4 标准推荐的 快速C 1 一扩散测试法 N E L 法 [ 7 ] ，采用北京金比 林高新技术有限责任公司生产的N E L - P D 型混凝 土渗透性检测系统来测试水泥基复合材料的C 1 ． 扩散系数D N E L ，其中功能梯度混凝土测试试样尺 寸如图2 a 所示；b ．自然扩散法借鉴美国标准 S t a n d a r dT e s tM e t h o df o rD e t e r m i n i n gt h eA p 一 材料2 材料I p a r e n tC h l o r i d eD i f f u s i o nC o e f f i c i e n to fC e m e n t i t i o u sM i x t u r e sb yB u l kD i f f u s i o n A S T MC 15 56 0 4 测试水泥基复合材料的表观C l _ 扩散系数 n 皿] ，自然扩散法是将混凝土试样在含C l 一的盐溶 液中浸泡9 0d ，然后切片或分层取样，借助于化学 分析方法测定C l - 侵入混凝土内部不同深度上的 浓度分布，采用数学计算方法或软件进行拟合，再 根据F i c k 第二定律计算出表观C l 一扩散系数，其 中功能梯度混凝土浸泡试样尺寸如图2 b 所示． 5 m m 7 5h i m 材料2 材料1 a 1 0 0r m f i x l 0 0 m m x 5 0 m m N E L 法 b 母1 0 0 n u n x 8 0 r a m 自然扩散法 图2 功能梯度混凝土抗渗性能试验的试样尺寸示意图 F i g ．2 S c h e m a t i co fs a m p l eo fi m p e r m e a b i l i f yo ff u n c t i o n a l l yg r a d i e n tc o n c r e t e 2 收缩性能借鉴国家标准水泥胶砂干缩试 验方法 J C ／T6 0 3 2 0 0 4 ，采用2 5m m 2 5m m 2 8 0m m 的棱柱体试件来测试M I F 的收缩值；借鉴 国家标准普通混凝土长期性能和耐久性试验方 法 G B J8 2 8 5 ，采用1 0 0m m 1 0 0m m 5 1 5 m m 的棱柱体试件来测试高性能混凝土的收缩值． 3 微观性能采用上海尚光显微镜有限公司 生产的H X S - l 0 0 0 数字式智能显微硬度计分析集 r●_Y●●、r●‘0L m m m m 5 5 2 2 万方数据 第3 期王信刚等地下工程混凝土的梯度功能设计与性能研究 3 5 7 料与水泥石之问界面过渡区的显微硬度；采用日本 电子株式会社 J E O L 生产的J S M 一5 6 1 0 L V 型扫 描电子显微镜观察集料与水泥石之间界面过渡区 内水化产物的微观形貌． 3结果与分析 3 ．1抗渗性能 表3 是M I F ，H P C 和功能梯度混凝土M I F - H P C 标养2 8d 的C l _ 扩散系数D 岫。和浸泡9 0d 的表观C l 一扩散系数D 。，图3 是M I F ，H P C 和功 能梯度混凝土M I F - H P C 不同深度的C l - 质量浓 度分布拟合曲线． 表3C I - 扩散系数 T a b l e3C h l o r i d ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t s 注；测试M I F H P C 的C I 一扩散系数D N E L 时，M I F 和H P C 的 厚度各为2 5m m ；测试M I F - H P C 的表观C r 扩散系数D 。 时，M I F 的厚度为5m m ，而H P C 的厚度为7 5m i l l ． 摹 酬 钿 。 已 主 距混凝土表面的距离／m m 图3 不同深度的w C l 一 分布拟合曲线 F i g ．3F i t t i n gc u r v e so fc h l o r i d ei o nc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n td i s t a n t s 从表3 可以看出，M I F 与M I F - H P C 的C r 扩 散系数D N E L 均低于1 ．0 1 0 叫3m 2 ／s ，与H P C 的 C l 一扩散系数D N 。。为1 2 ．7 5 1 0 _ 1 3n 1 2 ／s 相比， M I F 与M I F H P C 的C 1 一扩散系数D N 。。均下降了 1 ～2 个数量级．根据C 1 一扩散系数D N s 。评价混凝 土渗透性可知[ 7 ] ，H P C 的C l 一渗透性能均为“中”， M I F 与M I F - H P C 的C 1 一渗透性能均为“极低”． 从图3 可以看出，M I F ，H P C 和M I F H P C 不 同深度的硼 C 1 一 分布服从S i g m o i d a l 函数，并具 有良好的相关性，相关系数R 2 均在0 ．9 9 以上．在 1 5m m 以内的同一深度上，M I F 的C l - 浓度显著 低于H P C ，相比H P C 而言，M I F 和M I F - H P C 的 C l 一浓度分别可最大降低7 0 ％和4 0 ％．在1 5m m 以外，M I F ，H P C 与M I F - H P C 的C l 一浓度趋于初 始C 1 一浓度．同时，根据拟合曲线计算的表观C 1 一 扩散系数D 。见表3 ．从表3 可以看出，与H P C 的 表观C l 一扩散系数D 。相比，M I F 和M I F - H P C 的 表观C r 扩散系数D 。分别下降了8 1 ．6 ％和 5 8 ．0 ％．根据唐路平提出的C r 扩散系数评价标 准，当表观C l 一扩散系数D 。在2 ．0 1 0 _ 2 ～8 ．0 1 0 - 1 2n 1 2 ／s 之问时，混凝土抗C l 一渗透性能较好， 可见，H P C 和M I F - H P C 具有较好的抗C l 一渗透性 能，且M I F - H P C 的抗C l 一渗透性能高于H P C ；当 表观C l 一扩散系数D 。 2 ．0 1 0 ．1 2m 2 ／s 时，混凝 土抗C l 一渗透性能非常好，可见，M I F 具有非常好 的抗C l 一渗透性能． 由上述可知，与单一的高强结构层混凝土相 比，高抗渗保护层与高强结构层功能梯度混凝土的 抗渗性明显提高，特别是其抗离子渗透性． 3 ．2 收缩性能 图4 是M I F 和H P C 在干燥环境下韵收缩．从 图4 中可以看出，M I F 和H P C 的收缩值都是随着 龄期的增长而有不同程度地增长，且M I F 的收缩 值要比相应龄期下H P C 的大．H P C 在2 8 和9 0d 的收缩值分别为2 4 2 1 0 _ 6 和3 8 7 1 0 一，而M I F 在2 8 和9 0d 的收缩值分别为3 7 4 1 0 _ 6 和4 8 2 X 1 0 一，H P C 和M I F 的收缩值从2 8 到9 0d 之间分 别增长5 9 ．9 ％和2 8 ．9 ％，2 8d 和9 0d 的收缩值分 别相差1 3 2 1 0 _ 6 和1 0 5 1 0 一． 5 0 0 蟊3 0 0 鋈1 0 0 I72 l4 ，州 龄期／d 图4M I F 和H P C 的收缩 F i g ．4S h r i n k a g eo fM I Fa n dH P C 分析其中原因，H P C 中掺有2 0 ％的Ⅱ级粉煤 灰，在2 8d 内的收缩主要是来自于水泥的水化，2 8 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．M I F 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 M I F 中掺人了具有减小收缩变形作用的减缩组 分，显著改善了M I F 的收缩开裂趋势，另外，M I F 中也掺有填充密实组分，在一定程度上也能抑制 M I F 的收缩，使得M I F 的收缩值与H P C 的收缩 值相差不大，最大相差1 0 0 1 0 - 6 ～1 3 5 1 0 一，所 以，M I F 与H P C 的收缩性能匹配良好，不会导致 功能梯度混凝土M I F - H P C 在收缩变形上的非一 致性． 3 ．3 微观性能 3 ．3 ．1显微硬度测试 图5 是M I F 和H P C 标养2 8d 的集料一水泥石 界面过渡区的显微硬度．从图5 中可以看出，M I F 万方数据 3 5 8中国矿业大学学报第3 7 卷 和H P C 的集料与水泥石界面过渡区显微硬度的 发展趋势基本一致在靠近集料表面处，显微硬度 小，从集料表面到水泥浆体本体，显微硬度基本上 是逐渐增大，直至近乎为常数． 距离／p r o 图5M I F 和H P C 的集料一水泥石界面过渡区的显微硬度 F i g ．5 M i c r o h a r d n e s so fi n t e r r a c i a lt r a n s i t i o nz o n e o fM I Fa n dH P C H P C 的集料与水泥石界面过渡区内显微硬度 在距离集料表面3 0 ～4 0 弘m 处显著增大，且在距 离集料表面3 0 ，4 0p m 处的显微硬度从2 5 4M P a 突变到3 8 6M P a ，说明其界面过渡区厚度约为4 0 肚m ；M I F 的集料与水泥石界面显微硬度在距离集 料表面1 0 ～3 0 肛m 处显著增大，但在距离集料表 面1 0 ，2 0 ，3 0 肛m 处的显微硬度分别达到3 9 5 ，4 3 8 ， 4 9 2M P a ，远高于H P C 界面过渡区中相应位置的 显微硬度为2 0 0 ～2 5 0M P a 的范围，说明M I F 的 集料与水泥石界面过渡区得到了显著改善凹q 0 | ． M I F 的集料与水泥石界面过渡区由传统混凝土的 6 0 ～1 0 0 弘m 细化为3 0p m 以下，从而有效地阻断 了侵蚀性介质的渗入通道． 分析其中原因，主要是M I F 中取消了传统水 泥基复合材料中粗、细集料，引入了特细砂和高活 性辅助胶凝材料，并掺入了性能调整组分，细化或 消除集料一水泥石之间界面过渡区，将水泥基复合 材料微观结构的改善与宏观性能的优化统一起来． 3 ．3 ．2 水化产物形貌观察 图6 a ，6 b 分别是标养2 8d 的H P C ，M I F 的集 料一水泥石界面过渡区的S E M 照片．从图6 a 可以 看出，H P C 的集料与水泥石界面过渡区内，从集料 表面到水泥浆体本体有较多网络状的C _ 孓H 凝胶 和定向排列的C H 晶体，说明C 2 的集料与水泥石 界面过渡区内C H 晶体取向性非常明显，构成了界 面薄弱区；从图6 b 可以看出，M I F 的集料与水泥 石界面过渡区内，从集料表面到水泥浆体本体有较 多网络状的c - s - H 凝胶，以及数量较少的C H 晶 体，且C H 晶体的取向性差，说明M I F 界面过渡区 内水化产物中的C H 含量大为降低，很可能是高活 性的填充密实组分与水泥水化产物发生二次水化 反应，消耗掉了一部分C H 晶体，生成了一部分C - S - H 凝胶[ 1 1 - 1 2 ] ，同时也包含有集料是采用了粒径小 于7 0 0 弘m 的特细砂的因素．因此，M I F 的集料与 水泥石界面过渡区有所改善． a H P C 的界面过渡区 40 0 0 b M I F 的界面过渡区 x 3s o o 图6M I F 和H P C 的集料一水泥石界面过渡区的S E M 照片 F i g ．6 S E Mp h o t o g r a p ho fi n t e r r a c i a lt r a n s i t i o nz o n eo fM I Fa n dH P C 4 结论 1 针对地下工程混凝土的耐久性技术难题， 在地下工程混凝土的结构设计中引入梯度功能设 计思路．与传统混凝土的单层设计相比，采用梯度 功能设计的混凝土可显著提高地下工程的防水、抗 渗和抗蚀能力，尤其是其抗离子渗透能力． 2 开发了一种适用于地下工程结构混凝土保 护层的无细观界面过渡区水泥基材料 简称 M I F ．M I F 的集料与水泥石界面过渡区显微硬度 在距离集料表面1 0 ～3 0b L m 处显著增大，最低达 到了3 9 5M P a ，远远超出H P C 界面过渡区显微硬 度为2 0 0 ～2 5 0M P a 的范围，且M I F 界面过渡区 内的主要水化产物为C - S - H 凝胶，C H 晶体较少， C H 晶体的取向性很不明显，因此，M I F 的集料与 水泥石界面过渡区由传统混凝土的6 0 ～1 0 0y m 细化为3 0 弘m 以下，从而有效地阻断了侵蚀性介 质的渗入通道． 3 与单一的高强结构层混凝土相比，高抗渗 保护层与高强结构层功能梯度混凝土的抗渗性明 显提高，特别是其抗离子渗透性，采用N E L 法测 试的C l _ 扩散系数D N E L 下降了1 ～2 个数量级，采 万方数据 第3 期王信刚等；地下工程混凝土的梯度功能设计与性能研究 3 5 9 用自然扩散法测试的表观C r 扩散系数D 。下降了 5 0 ％左右． 参考文献 E 1 3 钱七虎，李朝甫，傅德明．隧道掘进机在中国地下工 程中应用现状及前景展望E J 3 ．地下空间，2 0 0 2 ，2 2 1 I - 1 1 ． Q I A NQ i - h u ，L IZ h a o - f u ，F UD e - m i n g ．T h ep r e s e n t a n dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o no ft u n n e l e ri nC h i n a ’Sa n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g [ J ] ．U n d e r g r o u n dS p a c e ， 2 0 0 2 ，2 2 1 1 - 1 1 ． E z lA L M u s A L L A MAA 。K H A NFM ，D U L A I J A NS U 。e ta 1 ．E f f e c t i v e n e s so fs u r f a c ec o a t i n g si ni m p r o v i n gc o n c r e t ed u r a b i l i t y [ J ] ．C e m e n ta n dC o n c r e t e C o m p o s i t e s ，2 0 0 3 ，2 5 4 ／5 4 7 3 - 4 8 1 ． [ 3 ] 杨林德，黄慷．水底隧道管片构件耐久性失效风 险研究[ J 1 ．地下空间，2 0 0 4 ，2 4 1 1 - 4 ． Y A N GL i n - d e ，H U A N GK a n g ．As t u d yo nr i s ko f d u r a b i l i t yf a i l u r eo ft h es e g m e n t sf o ru n d e r w a t e rt u n n e l [ J ] ．U n d e r g r o u n dS p a c e ，2 0 0 4 ，2 4 1 1 - 4 ． [ 4 3M A L T A I SY ，S A M S O NE ，M A R C H A N DJ ．P r e - d i e t i n gt h ed u r a b i l i t yo fp o r t l a n dc e m e n ts y s t e m si n a g g r e s s i v ee n v i r o n m e n t s - l a b o r a t o r yv a l i d a t i o n [ J ] ． C e m e n ta n dC o n c r e t eR e s e a r c h ，2 0 0 4 ，3 4 9 1 5 7 9 1 5 8 9 ． [ 5 ] 韩桂泉，李京伟，沈亮，等．无压浸渗制备铝基复 合材料的应用口] ．铸造技术，2 0 0 5 ，2 6 7 6 0 0 6 0 2 ． H A NG u i q u a n ，L IJ i n g - w e i ，S H E NL i a n g ，e ta 1 ． A p p l i c a t i o no fa l u m i n i u mm a t r i xc o m p o s i t ep r e p a r e d b yp r e s s u r e l e s si n f i l t r a i o n [ J ] ．F o u n d r yT e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ，2 6 7 6 0 0 6 0 2 ． [ 6 ] 马保国，董荣珍，朱洪波，等．饰面混凝土的结构设 计与性能调控[ J 1 ．硅酸盐学报，2 0 0 4 ，3 2 3 3 4 6 - 3 5 0 ． M AB a o - g u o ，D O N GR o n g - z h e n ，Z H UH o n g - b o , e t a 1 ．S t r u c t u r ed e s i g na n dp e H o r m a n c ea d j u s t m e n to f d e c o r a t ec o n c r e t e E J ] ．J o u r n a lo ft h eC h i n e s eC e r a m i c S o c i e t y ，2 0 0 4 ，3 2 3 3 4 6 3 5 0 ． [ 7 3L UX i n - y i n g ．A p p l i c a t i o no ft h eN e r n s t - E i n s t e i ne q u a t i o nt Oc o n c r e t e [ J ] ．C e m e n ta n dC o n c r e t eR e s e a r c h ，1 9 9 7 ，2 7 2 2 9 3 3 0 2 ． [ 8 ] A S T MC 1 5 5 6 0 4 ．S t a n d a r dt e s tm e t h o df o rd e t e r m i - n i n gt h ea p p a r e n tc h l o r i d ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fc e