隧道火灾作用下气凝胶复合高性能混凝土抗剥落机制与结构可靠性研究

Due to the explosive enhance of the vapor pressure generated from existing capillary water and dehydration of cement hydrates during fire, the high density and low penetration high-performance concrete (HPC) easily suffers an explosive spalls. The spalling leads to a devastating damage of the tunnel structure and great threat to the personnel security in the fire. It’s an effective way to eliminate spalling or prolong safe evacuation time by treating the surface of HPC with superinsulating aerogel plaster. This project demonstrates a strategy to protect HPC with aerogel plaster by using functional modified aerogel materials. The effect of the category, content, and interface modifier on the plaster is to be determined by studying the interfacial bonding between the plaster and HPC. The effects of the bonding quality and thickness of aerogel plaster on the fire resistance is investigated , with respect to a full consideration of the factors affecting spalling of HPC, including strength grade, moisture contents, section shape and size, etc. The limits of spalling will be analyzed after fully studying of temperature field and stress field that are gained from experiments and fire-resistance reliability. A design method based on performance of fire protection will be built up. The results of this project provide a new theoretical orientation for researching and designing of the HPC tunnel structures with threatening of fire, and build a theoretical foundation for future improvements ofrelated technology standards.

高性能混凝土由于其致密的结构，在火灾作用下材料内部毛细管和凝胶孔的水分不能迅速挥发，造成了内部应力集中导致高温爆裂与强度退化剥落，既对隧道结构造成毁灭性的破坏，又对火灾发生时的人员安全造成极大的威胁。利用气凝胶材料超绝热性能对高性能混凝土表面进行涂层处理以消除高温剥落或延长安全撤离时间，对隧道结构火灾下的结构安全和人员逃生具有重要的科研和社会价值，目前国内外相关研究缺乏。本项目通过改性商用硅气凝胶，制备气凝胶涂层砂浆。研究气凝胶掺量、界面改性剂对复合涂层界面结合性能的影响；揭示隧道火灾作用下气凝胶复合高性能混凝土火灾高温剥落机理；探明火灾温度、混凝土强度等级与湿含量、截面形状尺寸以及灭火方式等因素，对气凝胶涂层与混凝土强度经时变化/爆裂、温度场分布、应力应变的影响规律；从而提出隧道用气凝胶涂层混凝土防火安全结构可靠性设计方法，并为相关技术标准的修订提供实验数据和理论依据。

本项目针对气凝胶砂浆涂层在隧道高性能混凝土的防火应用进行了研究，系统探讨了气凝胶粒径分布、水泥基材料种类、水胶比、外加剂、矿物掺合料种类、砂浆密度、养护条件等对气凝胶砂浆力学与耐火隔热性能的影响，考虑了气凝胶砂浆涂层性能与厚度对隧道高性能混凝土火灾作用下性能变化的影响规律与微观机理之间的关系。本研究所取得的具体研究成果有：（1）优化得到了不同粗骨料类型、不同水泥基体材料下隧道高性能混凝土防护保护用气凝胶砂浆的最优配合比与最佳厚度，基于现场施工养护，探明了气凝胶砂浆的最优湿养时间和最优养护温度，揭示气凝胶砂浆涂层/隧道高性能混凝土界面结合机理，通过界面改性，研制出的气凝胶砂浆无毒，耐热冲击，耐水性≥20d，耐火性能（按碳氢曲线）≥90min，与混凝土界面粘结强度≥0.3MPa；（2）探明了气凝胶砂浆涂层性能及厚度与隧道高性能混凝土火灾作用下的爆裂之间的关系，明确了涂层对爆裂的减弱或消除机理，界定了基于不爆裂或爆裂不至于影响隧道结构安全性的涂层厚度，以及有涂层条件下不同强度等级的隧道高性能混凝土的界限湿含量；（3）揭示了隧道用气凝胶涂层的高性能混凝土火灾作用下的强度、变形经时变化过程，以及温度场与应力场分布规律，建立强度、变形与气凝胶掺量及厚度之间的函数关系，提出减弱强度退化的气凝胶砂浆涂层/隧道高性能混凝土界面改进方法及最佳涂层厚度，结合微观分析探明了气凝胶砂浆性能变化的机理；（4）探清了实际工程梁截面的温度分布规律，将混凝土立方体试件延伸为实际隧道工程梁结构，提出了基于可靠性分析的隧道高性能混凝土采取气凝胶涂层技术进行防火保护设计的方法。. 本项目研究共发表论文21篇，其中SCI论文9篇，录用待刊论文2篇，申请国家发明专利4项，其中授权1项。