寒区隧道喷射混凝土冻融损伤机理及抗冻性的研究

喷射混凝土作为隧道工程中的永久支护，在寒冷地区的冻融环境下会产生结构的微观损伤、冻胀碎裂甚至破坏失稳，所以抗冻性关系到隧道工程结构的安全与使用寿命。本项申请拟以隧道工程为背景，探索在冻融循环作用下喷射混凝土损伤劣化机理和损伤力学特性，建立喷射混凝土冻融环境下的损伤力学模型，提出喷射混凝土抗冻性的影响因素和特征变化。研究方法拟以理论与实验并重，通过对不同配比、添加剂和含水量的喷射混凝土试件进行冻融循环试验，结合CT无损检测技术，分析其冻融损伤劣化及冻融破坏行为，探索其冻融损伤劣化机理；针对不同配比、添加剂和含水量的试件试验结果，明确影响喷射混凝土抗冻性的各种因素；根据喷射混凝土单轴压缩应力-应变曲线，建立喷射混凝土冻融环境下的损伤力学模型，揭示其冻融循环下的力学性能衰减规律及其抗冻性的特征变化，以期填补在这一领域理论研究的空白。研究成果可为保障寒区隧道工程结构安全和耐久性研究奠定理论基础。

本项目以隧道工程为背景，在现场制作C20和C25喷射混凝土试件，在室内进行冻融循环试验和力学性能测试试验，分析了喷射混凝土在冻融环境下的力学性能变化情况，评价了喷射混凝土的抗冻耐久性。根据冻融循环试验和单轴压缩试验的结果分析了喷射混凝土力学损伤规律，采用宏观力学理论，建立了喷射混凝土损伤本构模型。同时，采用大型工业CT无损检测机和混凝土内部微观构造自动分析测试设备，分析了喷射混凝土细观层面的冻融损伤演化规律。试验结果表明：（1）C25喷射混凝土抗冻性能相对较好，C20喷射混凝土抗冻性相对较差，寒冷地区隧道工程中建议不采用C20喷射混凝土；（2）喷射混凝土的质量损失、相对动弹性模量和相对超声波波速都是随着冻融循环次数的增加而降低，即退化规律一致；（3）喷射混凝土棱柱体轴心抗压强度和弹性模量都是随着冻融次数的增加而减小；（4）喷射混凝土棱柱体抗压强度及抗压强度损失与冻融次数之间的关系、喷射混凝土弹性模量及弹性模量损失与冻融次数之间的关系符合线性关系；（5）建立的喷射混凝土损伤本构模型，与试验得到的单轴压缩应力—应变曲线进行了对比验证，表明建立模型与试验应力—应变曲线结果较为吻合，模型是可靠的；（6）冻融循环作用对喷射混凝土内部微孔隙的影响显著；（7）喷射混凝土中掺入引气剂能够提高喷射混凝土的抗冻耐久性；（8）引气喷射混凝土的抗冻耐久性优于引气普通混凝土；（9）喷射混凝土内部的气孔结构对其抗冻性有利；（10）喷射混凝土的抗冻耐久性指数随着气泡间隔系数的增大而逐渐降低。研究成果为保障寒区隧道工程结构安全和耐久性研究奠定了理论基础。