过江地铁隧道混凝土在荷载-碳化-氯盐作用下的劣化机理和寿命预测

At present,many metro projects crossing river have been completed and put into opreation, while load and environment factors coupling effect greatly speed up the degradation process of tunnels concrete structure.Therefore, tunnels structural health service have become an increasingly prominent issue, and need to be carried out a large, systematic research. Most previous durability research have focused on single environmental factors, which cannot correspond to the real engineering service environment, because the degradation of concrete properties is also affected by load and multiple environment factors coupling effect. Therefore, the research object of this project is the degradation process of metro tunnel concrete crossing river subjected to load-carbonation-chloride coupling factors effect. The main research contents include three sections. Firstly, the microstructure parameters evolution laws and deterioration mechanisms of metro tunnel concrete crossing river under load-carbonation-chloride salt coupling effect will be determinated. Secondly, the transport modeling of carbon dioxide gas and chloride ions in metro tunnel concrete crossing river will be built based on above microstructure evolution mechanisms. Lastly , the service life prediction modeling will be established based on failure criteria of critical carbonation depth and chloride concentration for steel corrosion. The above work can build an analytical theoretical framework for real service performance evolution of metro tunnel concrete crossing river, and provide a theoretical basis for service performance evaluation and restoration of metro engineering crossing river.

随着过江地铁工程的建成和投入运营，荷载和环境因素耦合作用大大加剧着混凝土结构的劣化过程，隧道混凝土结构健康服役问题日益突出，亟需开展系统的基础研究。已有研究侧重于单一环境因素，忽略了荷载和多重环境因素的耦合破坏作用，与工程实际服役环境不符，研究结果存在很大的片面性。本项目以荷载-碳化-氯盐耦合因素作用下过江地铁隧道混凝土结构劣化过程为研究对象，研究内容主要包括三个方面： (1)明确荷载-碳化-氯盐环境中过江地铁隧道混凝土微结构参数的演变规律和劣化机理； (2)基于微结构演变规律，建立有害侵蚀介质(二氧化碳气体和氯离子)在过江地铁隧道混凝土中的传输模型； (3)基于钢筋锈蚀的临界碳化深度值和临界氯离子浓度值，建立过江地铁隧道混凝土材料的寿命预测模型； 最终可创建过江地铁隧道混凝土材料服役性能演化的理论分析框架，为过江地铁结构服役性能评估和修复提供基础。

过江地铁隧道结构处于氯盐侵蚀、干湿交替、碳化反应等恶劣的服役环境中，还同时作用有土压力等外力荷载，这些因素导致过江地铁隧道结构的混凝土材料面临氯离子的扩散渗透、氢氧化钙的浸出以及混凝土的碳化等耐久性问题，可能缩短结构的服役寿命，造成严重的经济损失。确保这些重要建筑中混凝土的耐久性并延长其使用寿命，不仅是关系到工程安全性和服役寿命的重大科技问题，更是关系到国民经济能否健康高效发展的重大社会问题。由此可见，过江地铁隧道结构中混凝土材料在荷载-碳化-氯盐耦合作用下的微结构劣化机理和寿命预测问题是一个十分重要且迫切需要加以解决的难题。.项目结合过江地铁隧道结构中混凝土的工程服役环境，研究荷载-碳化-氯盐因素作用下混凝土的微结构演变和劣化机理，基于可靠度分析建立寿命预测模型，创建料服役性能演化的分析理论框架，为结构服役性能评估和修复提供基础理论依据。.项目主要采用“加速劣化试验-微结构表征-理论建模”相结合的研究方案，考虑荷载、碳化与氯离子之间的相互影响，针对过江地铁隧道结构中的混凝土材料，研究侵蚀性物质的传输规律，揭示侵蚀性物质同混凝土的化学反应导致微结构的演变规律，预测服役寿命。研究领域涉及水泥基材料学、数学、化学、力学和微观结构测试技术等交叉学科，采用X射线CT等现代微观表征手段和理论探索跨越微观、亚微观和宏观多个尺度，从学科交叉的角度和微结构演变机理层次上系统地研究混凝土在荷载-碳化-氯盐耦合因素作用下的损伤劣化机理，为科学预测并适当延长过江地铁隧道结构中混凝土的服役寿命提供理论依据。