1.4　研究成果与创新

1.4.1　主要研究成果

（1）通过混凝土水胶比、水泥品种、外加剂、掺和料配合比对混凝土工作性、力学性能、变形性能、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀、抗碳化耐久性影响试验研究，明确降低混凝土水胶比有利于提高混凝土耐久性，但不利于混凝土工作性和抗裂性。矿渣掺量的增加，有利于提高混凝土耐久性；单掺矿渣，混凝土工作性降低，混凝土干缩增大，抗裂性降低。为满足钢筋混凝土100年耐久性，胶凝材料中矿渣掺量不应小于30%。粉煤灰掺量的增加，有利于提高混凝土工作性和抗裂性，但降低混凝土早期强度。为保证混凝土抗碳化100年耐久性，粉煤灰掺量不宜超过25%。引气混凝土有利于提高混凝土工作性和耐久性。

（2）采用BML混凝土流变仪检测分析泵送混凝土工作性。根据混凝土流变仪检测，相同混凝土坍落度条件下，混凝土水胶比降低，混凝土塑性黏度明显增加；单掺矿渣，混凝土塑性黏度大；提高胶凝材料中粉煤灰掺量，有利于降低混凝土塑性黏度；引气混凝土较非引气混凝土塑性黏度明显降低。

（3）采用温度-应力试验机法综合评价混凝土抗裂性。随着水胶比的增大，混凝土的开裂温降有增大的趋势，开裂风险降低；增大掺和料掺量，优化掺和料组合，双掺矿渣和粉煤灰较单掺矿渣有利于减小混凝土的开裂温度，提高混凝土的抗裂性；掺引气剂改善了混凝土的抗裂性能；改变外加剂品种，对混凝土的抗裂性影响不明显。

（4）根据配合比优化试验结果以及相关规范，推荐了不同腐蚀环境下的混凝土参考配合比和混凝土性能控制指标参数。根据混凝土性能试验，严重和非常严重腐蚀环境作用等级的工段混凝土优先推荐水胶比0.38且掺加15%～25%粉煤灰和30%～40%矿渣的引气混凝土，混凝土含气量4%～5%，标准养护28d混凝土氯离子扩散系数小于4×10-12m2/s，标准养护28d混凝土抗硫酸盐等级不小于KS150，满足钢筋混凝土100年耐久性要求。

（5）通过毛细渗透和0.3MPa渗透压力试验研究表明，在深圳地铁11号线最严酷腐蚀介质浓度有压渗透下，氯盐腐蚀危害深度远未达到混凝土侧墙外层钢筋保护层厚度，更加影响不到侧墙内层钢筋，因此不存在薄壁结构内侧干湿交替破坏环境。氯离子的存在限制了硫酸盐的渗透，硫酸盐的渗透深度不可能超过氯离子渗透深度，因此也不存在硫酸盐薄壁结构干湿交替结晶腐蚀破坏环境。该项研究成果对明确规范中的“薄壁结构”和“干湿交替”具有重要借鉴意义。

（6）混凝土抗渗试件预留小于0.2mm宽度裂缝，在0.3MPa渗透压力下，通过不同浓度腐蚀介质循环渗透试验，得到如下结论：①在低浓度氯盐-硫酸盐溶液中，钢筋半电池电位绝对值先升高再降低，最终趋于平缓的状态。在试验初期腐蚀液渗出，后期硫酸盐与水泥凝胶反应，形成石膏等膨胀性的水化产物和钙矾石形成网状结构，与胶凝材料二次水化产物结合堵塞预留裂缝，裂缝自愈合，使得钢筋重新与腐蚀溶液分离，表面的钝化膜重新形成，从而使钢筋不再锈蚀。②在高浓度氯盐-硫酸镁溶液中，钢筋半电池电位绝对值很快升高，然后进入平缓的状态，钢筋腐蚀严重，一直有腐蚀液渗出。镁离子的存在保证了氯离子以及硫酸根离子与水泥水化产物的反应的持续进行，一方面弱化了试件内部的碱度，导致钢筋锈蚀，无法重新形成钝化膜；另一方面破坏了混凝土内部的C-S-H凝胶结构，使得在高浓度氯盐-硫酸镁溶液中循环的试件无法像在低浓度氯盐-硫酸钙溶液的试件那样通过二次水化产物填补预留裂缝，使得试件内部长期循环浸没在腐蚀溶液中，直至完全破坏。③在高浓度氯盐-硫酸镁-碳酸溶液中，钢筋半电池电位绝对值升高最快，钢筋腐蚀严重，一直有腐蚀液渗出。硫酸镁腐蚀破坏和碳酸腐蚀破坏共同作用下，混凝土中的C-S-H凝胶会转变成质地松散不具有胶凝性的碳硫硅钙石，这种多重因素的循环侵蚀导致混凝土试件完全破坏。

（7）拉应力-氯离子-CO2多重环境作用下钢筋混凝土劣化规律试验研究表明，在氯离子浓度为7000mg/L和15000mg/L盐溶液中浸泡的试件，在碳化环境干湿循环作用下，强度均出现先增加后下降的规律；非碳化环境下的试件浸烘循环12次和24次后，混凝土试件抗压强度值均低于标准养护的同龄期试件值。在氯盐-碳化循环条件下，随着循环次数增加，混凝土各层氯离子浓度逐渐增加，施加40%的极限拉应力后，加速了氯离子的渗透速度，而混凝土表层的碳化明显阻碍了氯离子的渗透；同时考虑碳化和拉应力作用，拉应力和碳化两者对氯离子渗透的促进和阻碍作用互相制约。随着干湿循环次数的增加，混凝土碳化深度不断增加，拉应力和盐溶液浓度均增加混凝土碳化深度；比较而言，浸泡溶液中氯离子浓度对混凝土碳化的影响大于40%的极限拉应力作用。

（8）拉应力-氯离子-硫酸镁多重环境作用下钢筋混凝土劣化规律试验研究表明，当混凝土构件所承受拉应力为混凝土极限拉应力的40%时，在拉应力-氯离子-硫酸镁多重环境作用下的混凝土腐蚀程度与混凝土不承受拉应力时的腐蚀程度基本相同。但当混凝土构件所承受的拉应力为混凝土所承受的极限拉应力的60%时，在拉应力-氯离子-硫酸镁多重环境作用下的混凝土腐蚀程度较不承受拉应力时的腐蚀程度严重。

（9）杂散电流-氯离子-硫酸镁多重环境作用试验研究表明，氯盐溶液极大地增强杂散电流对建筑钢筋混凝土结构的腐蚀，对深圳地铁而言，存在含氯盐环境下的杂散电流腐蚀，采用掺加20%粉煤灰和40%矿渣的耐腐蚀混凝土，与普通混凝土相比，耐久年限相对可延长15倍。在氯盐-硫酸盐-杂散电流腐蚀条件下，随着杂散电流的增加和侵蚀龄期的增长，混凝土中氯离子的浓度也随之增加。杂散电流增加了氯离子在混凝土中的扩散系数，特别是对普通混凝土而言，这种趋势更加明显。而耐腐蚀混凝土在试验龄期内，氯离子主要集中在混凝土的表层，扩散至内部的氯离子较少。在含盐以及冻融的环境下，当存在杂散电流时，会加速盐离子向混凝土内扩散的速度以及浓度，并且在冻融的条件下会加速混凝土的冻融破坏。长龄期杂散电流-氯盐-硫酸盐腐蚀会降低混凝土抗压强度。试验分析推断，在杂散电流-氯盐-冻融腐蚀环境中，钢筋混凝土试件中的钢筋通过杂散电流，电磁感应促使混凝土孔隙液中的离子流动，加速了氯盐向混凝土试件内渗透。混凝土内部毛细管吸水饱水度和吸水速度增加，结冰压力增大，混凝土破坏加速。而且，在混凝土内部毛细管溶液冰冻过程中，阻挡了电磁感应促使混凝土孔隙液中的离子流动，由此产生应力，该应力与结冰膨胀应力共同作用，加速了混凝土的损伤破坏。

（10）混凝土耐久寿命的综合评估表明，在氯盐腐蚀非常严重环境作用等级下，推荐的最大水胶比0.38高耐腐蚀钢筋混凝土预测寿命为156年。随着混凝土构件受拉应力增加，钢筋混凝土预测寿命降低，40%极限拉应力和60%极限拉应力钢筋混凝土构件的钢筋锈蚀起始年限由115年分别降低至109年和96年。在氯盐干湿循环试验条件下，随着混凝土内钢筋中杂散电流密度的增加，水胶比0.38的普通混凝土中钢筋锈蚀起始年限由6年降低至3年；而推荐的最大水胶比0.38高耐腐蚀混凝土中钢筋锈蚀起始年限由74年降低至59年。即高耐腐蚀混凝土中钢筋锈蚀起始年限较同水胶比普通混凝土提高近20倍。

（11）开展了混凝土结构施工期温度场和应力场的仿真计算。通过结构有限元计算分析和工程实际现场检测表明，车站隧道混凝土表面的最大主拉应力位于底板两端倒角的上表面。由于未考虑保温措施，导致最大主拉应力超过了相应龄期的轴拉强度。底板两端倒角处、底板施工缝处应加强早期保温养护措施。底板分层施工有利于降低开裂风险。

（12）试验研究表明，在硫酸盐和氯盐共同作用环境下，低水胶比大掺量矿物掺和料混凝土已能满足桩基混凝土的防腐要求，掺阻锈剂混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力、抗氯离子侵蚀能力和抗钢筋锈蚀能力未见改善。混凝土的工作性因掺加阻锈剂后，会出现坍落度损失较快、不利于施工的情况。综合考虑技术、经济性能，可以不再掺加钢筋混凝土防腐阻锈剂。但混凝土若采用经淡水冲洗海砂，且残余氯离子含量超过本研究中的氯离子含量范围，可考虑掺加钢筋混凝土防腐阻锈剂。钢筋阻锈剂掺量应根据混凝土中氯离子含量，通过试验确定。

（13）为了减少混凝土收缩裂缝，开发了混凝土内养护剂。试验研究结果可见，在混凝土中掺加胶凝材料总量10%内养护剂，开裂温降明显增加，开裂温度明显降低，开裂时间明显延长，混凝土抗裂性明显提高。混凝土干燥收缩降低约20%。氯离子扩散系数降低10%～25%。

（14）采用透水模板衬垫工艺技术，在不改变混凝土配合比的前提下，可有效降低混凝土表层水胶比，减少混凝土表面气泡和孔隙，提高混凝土密实性，大大改善混凝土外观质量。采用透水模板衬垫可消除混凝土塑性裂缝，并提高混凝土抗裂性。采用透水模板衬垫可使混凝土渗水高度降低15%，碳化深度降低25%，混凝土表层氯离子浓度降低明显。建议在底板两端倒角和顶板两端倒角混凝土浇筑时采用透水模板衬垫。

（15）为解决地铁钢筋混凝土通道产生收缩裂缝后封闭阻渗问题，研制开发了水泥基弹性防护砂浆。与普通水泥砂浆相比，弹性砂浆具有非常优异的弹性，能够适应混凝土裂缝的伸缩变形。且弹性砂浆具有较高的黏结强度和更好的抗渗防腐耐久性。弹性砂浆极限拉伸值达400×10-6以上。弯曲韧性试验中，弹性砂浆在未出现裂缝时的最大挠度在0.40mm以上，体现了弹性砂浆具有较好的弹性变形能力。钢筋混凝土结构出现贯穿裂缝时，推荐采用弹性防护砂浆在混凝土裂缝外表面防护修补。

（16）以研究成果为基础，编制了《深圳地铁11号线工程高耐久性混凝土施工技术导则》和《深圳地铁11号线地下结构在使用期间的结构维护和检测措施规范性文件》。

（17）满足100年耐久性设计要求的高耐久性混凝土在深圳地铁11号线车公庙站、南山站、后海站、前海湾站、宝安站、碧海湾站、机场北站、福永站、后亭站和碧头站等站点得以成功应用。深圳地铁11号线结构工程共浇筑混凝土197.6万m3，其中满足各种腐蚀环境等级100年耐久性的高耐久性混凝土浇筑55.7万m3。

在各种腐蚀环境等级条件下能满足100年设计使用年限的高耐久性混凝土中采用粉煤灰和矿渣粉部分取代水泥，既确保钢筋混凝土耐久性，又降低混凝土原材料成本，而且循环利用工业废渣资源，降低CO2排放，降低环境污染。深圳地铁11号线结构工程共节约水泥10.8万t，利用粉煤灰3.94万t，矿渣粉6.9万t。根据实验，生产1t水泥大约排放1t CO2进入大气层，而CO2排放是温室效应和全球性气候变暖的主要原因所在。节约水泥10.8万t，相当于减少10.8万t的CO2排放，社会效益明显。按水泥400元/t、粉煤灰120元/t、矿渣粉250元/t计，采用粉煤灰和矿渣粉部分取代水泥，深圳地铁11号线结构工程共计降低原材料成本2138.7万元，经济效益显著。

1.4.2　创新点

（1）提出了以耐久性为核心，提高抗裂性，保障工作性的地铁工程混凝土配合比设计理念。采用先进、合理的综合评定方法，评价混凝土的抗裂性和工作性。确定了性能优异的高抗裂、高耐久混凝土配合比，并为满足地铁工程地下结构100年设计要求提供了技术保障。

（2）揭示了混凝土裂缝宽度和腐蚀环境等级对钢筋混凝土腐蚀破坏的影响机理。在地铁工程渗透压力下，当混凝土贯穿裂缝宽度小于0.2mm时，发现低浓度氯盐-硫酸盐腐蚀环境下的高耐久性混凝土裂缝具有自愈合特性；高浓度氯盐-硫酸镁腐蚀环境下和高浓度氯盐-硫酸镁-碳酸腐蚀环境下的混凝土无自愈合特性。

（3）首次开展拉应力与氯盐和硫酸盐多种腐蚀介质共同作用下构件的腐蚀劣化进程研究，探明了构件在不同极限拉应力状态下腐蚀速率的变化规律。率先开展了拉应力与氯盐侵蚀和碳化腐蚀共同作用下混凝土构件的腐蚀劣化进程研究，构建了碳化、氯离子浓度、拉应力三因素相互影响的关系。

（4）研究发现了混凝土内钢筋存在杂散电流时，将加剧处于氯盐和硫酸盐腐蚀环境中的混凝土冻融腐蚀破坏。长期杂散电流-氯盐-硫酸盐腐蚀将降低混凝土抗压强度耐蚀系数。

（5）研究开发的混凝土内养护剂对减少混凝土干燥收缩效果显著，混凝土抗裂性明显提高；研究开发的水泥基弹性防护砂浆具有优良的抗变形能力和抗腐蚀耐久性，是性能优异的混凝土裂缝修补材料，已获得国家发明专利授权；研究开发的纳米级喷射混凝土改性掺和料、用于大掺量粒化高炉矿渣砂浆或混凝土的早期强度激发剂和热敏性材料改性混凝土已获得国家发明专利授权。

（6）采用混凝土模板衬垫可有效提高地铁工程现浇混凝土外观质量、抗裂性和耐久性。研究开发的大体积混凝土真空脱水衬垫及工法已获得国家发明专利授权。