考虑列车空气动力效应的隧道衬砌混凝土水分传输与收缩机理研究

The change of moisture content in concrete is the key factor affecting the development of shrinkage strain. For railway tunnels, the aerodynamic effect generated by high-speed train operation (i.e. transient high speed airflow and negative air pressure) will accelerate the loss of moisture on the surface and inside of lining concrete, and then accelerate the shrinkage strain development, eventually leading to the shrinkage cracking of the tunnel lining concrete. To avoid premature deterioration of railway tunnel lining concrete due to accelerated water loss, the key problem to be solved first is to find out the acceleration mechanism of train aerodynamic effect on the moisture transmission of tunnel lining concrete, and establish the corresponding theoretical calculation model. Therefore, this project will choose tunnel lining concrete as the research object. From the two aspects of experiment and theory, the influence mechanism of instantaneous high speed air flow and negative pressure on the concrete surface and internal moisture transmission will be studied. The calculation model of humidity field, shrinkage strain and shrinkage stress field of tunnel lining concrete considering the aerodynamic effect of train will be established. The water loss suppression technology for tunnel lining concrete with isolation and protection as the main objective will be put forward. Based on the above research, the deterioration mechanism and performance improvement measures of tunnel lining concrete under train operation conditions will be studied, which will provide strong support for truly realizing free maintenance and high durability railway structural concrete.

混凝土内部水分含量变化是影响其收缩应变发展的关键因素。对于铁路隧道而言，高速列车运行产生的空气动力效应（即瞬态高速气流和空气负压作用）将加速隧道衬砌混凝土表面和内部的水分散失，进而加速收缩应变发展，最终引发隧道衬砌混凝土收缩开裂。要避免铁路隧道衬砌混凝土因加速失水而导致的过早劣化，应首先解决的关键问题是探明列车空气动力效应对隧道衬砌混凝土水分传输的加速机理，并建立相应的理论计算模型。因此，本课题拟选定隧道衬砌混凝土为研究对象，从试验和理论两个方面研究瞬态高速气流和空气负压作用对混凝土表面及内部水分传输的影响机理；建立考虑列车空气动力效应的隧道衬砌混凝土湿度场、收缩应变及收缩应力场计算模型；提出以隔离、防护为主要目标的隧道衬砌混凝土失水抑制技术。以上述研究为依托，研究列车运行条件下隧道衬砌混凝土的劣化机理及性能提升措施，将为真正实现免维修、高耐久的铁路结构混凝土提供有力支撑。

混凝土内部毛细孔中水分含量变化是影响其收缩变形的本质因素，高速列车运行所产生的瞬态高速气流与空气负压作用将加快混凝土表面或内部水分传输过程，进而导致混凝土收缩变形增大，约束开裂风险提高。这也是高铁运营条件下铁路隧道衬砌混凝土收缩开裂问题更为显著的重要原因之一。因此，系统研究瞬态高速气流与空气负压作用下混凝土水分传输与收缩机理，对分析铁路隧道衬砌混凝土收缩开裂原因并提出相应的性能提升方法具有十分重要的意义。.本项目采用质量在线监测试验装置，对三个强度等级（C30、C50、C80）混凝土不同风速条件（~0、5、10、15 m/s）下的质量损失进行定量测试，并基于表面扩散原理，建立了考虑环境风速、强度等级、水化程度的混凝土表面干燥理论模型；采用表面负压作用下混凝土湿度场测试装置，对三个强度等级混凝土在不同表面压力（1 atm、50 kPa）条件下内部湿度场进行定量测试，并基于水分扩散原理，建立了考虑表面负压作用的混凝土湿度场理论模型；通过上述研究，最终建立了考虑列车空气动力效应的混凝土水分传输系统理论计算模型，并对不同风速、不同气压条件下各强度等级混凝土湿度场、收缩变形进行理论分析。.试验和理论研究发现，混凝土表面干燥过程受环境风速、强度等级、水化程度等因素影响显著，环境风速越大，混凝土表面失水速率越快，但当环境风速大于10m/s时，进一步提高环境风速对水分散失速率影响较小；混凝土强度等级越高，表面失水速率越小；随着表面养护时间的延长，水化度提高，混凝土表面失水速率下降。本研究通过引入面积参数ψs，可较好地描述混凝土水化度与强度等级对表面干燥作用的影响。表面低压作用将加速混凝土内部水分向环境扩散，且表面压力越低，水分扩散越快，表面压力变化对强度等级较低的混凝土影响更大。.本项目已发表SCI/EI论文8篇，申请/授权专利5项。