海底隧道混凝土结构耐久性研究

摘要

本文从海底隧道环境特点及结构特征出发，针对海底隧道承受水压、服役环境氯离子含量高的特点，全面分析了水分和氯离子的迁移机理。采用试验研究与理论分析相结合的方法，围绕氯离子环境下海底隧道内外侧的水分、氯离子迁移方式和寿命预测进行系统地研究。鉴于海底隧道结构建设费用高、维修困难且维修费用高，为确保其100年的设计使用寿命及其使用功能的正常发挥，亟需开展海底隧道耐久性以及服役寿命的研究。该研究对海底隧道结构耐久性的研究工作有一定的参考意义。
　　 本文进行的研究工作及取得的成果主要有：
　　 (1)根据试验方案，自制压力控制装置，研究压力水头下水分和氯离子在混凝土中的迁移特性。分析了压力大小、加压时间、强度等级、水胶比、氯离子扩散系数、饱和程度和溶液浓度等因素对水分和氯离子迁移的影响。并通过试验测定了不同水胶比混凝土中的氯离子扩散系数以及水分饱和度。得到氯离子扩散系数随水胶比的增大而增大，且当水胶比在0.3～0.38范围时扩散系数增长幅度较大。
　　 (2)基于Darcy定律考虑压力作用的理论方程以及衬砌混凝土中水压力随位置变化模型，引入相对渗透率(饱和程度)Kr，建立混凝土内各位置处压力、流速随时间变化的理论模型。流速随时间变化总是会先出现峰值，后下降并趋于平稳。混凝土浅层的流速总是大于深处。理论分析中也表明压力对水分流速有促进作用。强度等级低、水胶比大或者饱和程度大的混凝土中流速较大。
　　 (3)对流速模型进行积分运算得到水分渗透深度理论模型。对各种试验条件下的水分渗透深度进行理论分析，并同时与试验值进行比较。理论值与试验值能很好地吻合。渗透深度随时间的增加总是变大，且在后期的增加幅度小于前期。压力对水分渗透深度有促进作用，强度等级与水分渗透深度呈反比，而水胶比则与渗透深度呈正比。各种因素的讨论过程中，理论值与试验值都能很好地吻合。
　　 (4)结合得出的水分流速模型，建立考虑压力影响下的压力渗透和扩散耦合作用的氯离子迁移理论模型，并与试验值进行对比。理论值与试验值有很好的一致性。自由氯离子浓度值在混凝土浅层高于深处，且浅层氯离子浓度随距离的下降幅度较大，在深处趋于平缓。压力促进了氯离子向深处迁移。强度等级与氯离子浓度呈反比。饱和程度大的混凝土中氯离子含量较高。扩散系数大的混凝土中氯离子浓度也高。环境氯离子浓度的提高、加压时间的延长均使混凝土中各层的氯离子含量有不同程度的提高。
　　 (5)以相对湿度h为主要参数，结合水分扩散非线性方程，建立隧道内侧氯离子扩散和对流耦合作用下的迁移方程，并考虑氯离子结合能力和碳化的影响。用Crank-Nicolson有限差分法和Matlab编程分析。分析结果表明，随着水分的不断迁移，每个位置处的相对湿度会呈现出随时间增加的现象，最后趋于稳定，但稳定后的湿度值不可能等于环境湿度。各位置处的氯离子浓度随时间积累，浅处的氯离子浓度总是高于深处的。同样混凝土抗压强度越高，阻碍了水分和氯离子的迁移，使其积累量减少。环境湿度能大幅度地影响离子输运，且环境湿度越大该位置处所积累的氯离子浓度也越大。
　　 (6)将海底隧道服役寿命定义外侧寿命与内侧寿命两者中的较小值，即认为外侧和内侧中只要有一者发生破坏，海底隧道寿命即终结。综合内外侧模型，得出海底隧道寿命预测模型，并结合舟山沈家门海底隧道工程进行分析，验证该隧道符合设计使用寿命100年的要求。