论文题目：高铁地下车站二衬混凝土抗碳化性能评价及寿命预测
摘要：京张高速铁路是连接北京市与河北省张家口市的城际高速铁路,不仅是2022年冬奥会的交通配套工程和京津冀协同发展的经济服务线,而且是中国第一条采用自主研发的北斗卫星导航系统、最高设计速度为350千米/小时的智能化高速铁路。京张高铁穿越世界风景名胜区——八达岭长城,并在八达岭长城下部设置了一个国际最大埋深（102m）、最大建造规模（36143m~2）、最长设计寿命（300年）的高铁地下车站——八达岭长城站,属于“世界超级工程”。八达岭长城站处于恒温恒湿环境之中,围岩中的氯离子浓度极低,杂散电流也可有效控制,但人流密集,车站内CO2浓度较高,混凝土保护层的碳化为影响二衬结构钢筋混凝土材料耐久性的主要因素,因此,研究二衬混凝土抗碳化性能及寿命预测至关重要。基于京张高铁八达岭长城站的设计要求与内部环境,通过模拟现场环境条件及施工条件,浇筑同配比试件,结合现场芯样,分别研究了不同条件下高性能混凝土和普通混凝土的加速碳化进程。采用酚酞显色法、p H值测试、物相分析法、热分析法和微观形貌分析等方法综合评价了二衬混凝土的抗碳化性能并进行了寿命预测,研究了涂层材料对普通混凝土抗碳化性能的影响,并提出了相应的维护措施建议。研究发现,地下车站二衬结构中采用标准养护的高性能混凝土抗碳化性能明显优于采用自然养护的普通混凝土,水胶比越小,养护条件越佳,其抗碳化性能越强。当采用相同的养护条件时,普通混凝土的抗碳化性能可接近于高性能混凝土。本文采用“碳化前沿”指标探究了不同配合比、不同养护条件下的混凝土抗碳化性能,发现高性能混凝土内部各个区域没有明显的碳化界线。其次,采用相似理论方法、半理论半经验模型方法、随机过程方法分别对高性能混凝土和普通混凝土的碳化深度值进行了预测,并采用实验结果进行验证。结果表明,基于半理论半经验模型的预测结果误差较大,不适用于预测二衬混凝土的使用寿命;基于相似理论的预测结果较实测值存在一定差距;基于随机过程方法的预测结果与实测值最为接近,可靠度较高。根据碳化寿命准则,基于随机过程的寿命预测方法结果表明,高性能混凝土的预测服役寿命均可超过300年,满足设计使用年限要求,而普通混凝土的预测服役寿命相对较短。最后,针对碳化寿命较短的二衬结构用普通混凝土,通过定义“碳化延缓效率η”,研究了两种不同类型涂层材料对其抗碳化性能的提升效果。研究发现,使用水性渗透型无机防护剂和环氧-氟碳体系涂层材料,均可提高普通混凝土的抗碳化性能。但是,环氧-氟碳体系涂层材料的碳化延缓效率,在普通混凝土加速碳化28d内均为100%,远远高于水性渗透型无机防护剂,对普通混凝土抗碳化性能的提升效果更佳。因此,针对京张高铁八达岭长城站二衬结构的寿命设计要求,建议在普通混凝土表面涂覆环氧-氟碳体系涂层材料,延缓或阻止普通混凝土的劣化,延长其使用寿命。同时,在整个运营期间,需要对涂层完好程度、二衬结构普通混凝土的碳化深度进行定期检测,结合现场监测系统进行异常检查、及时维护。
关键词：二衬混凝土;高性能混凝土;碳化;寿命预测;涂层材料
学科专业：材料工程（专业学位）
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 工程背景与研究意义
1.1.1 京张高铁八达岭长城地下车站工程概况
1.1.2 京张高铁八达岭长城地下车站所处地域自然特征与地质特征
1.1.3 京张高铁八达岭长城地下车站围岩分级与支护结构体系
1.1.4 本课题的研究目的与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 混凝土碳化的机理与影响因素
1.2.2 混凝土碳化试验与检测分析方法
1.2.3 混凝土碳化深度预测模型
1.3 工程应用存在的主要问题
1.4 技术路线与主要研究内容
1.4.1 技术路线
1.4.2 主要研究内容
第二章 原材料、配合比及试验方法
2.1 高性能混凝土试验原材料
2.1.1 水泥
2.1.2 粉煤灰
2.1.3 膨胀剂
2.1.4 石灰石粉
2.1.5 细骨料
2.1.6 粗骨料
2.1.7 外加剂
2.1.8 水
2.2 普通混凝土试验原材料
2.2.1 水泥
2.2.2 粉煤灰
2.2.3 矿渣
2.2.4 细骨料
2.2.5 粗骨料
2.2.6 外加剂
2.2.7 水
2.3 配合比与制备工艺
2.3.1 配合比
2.3.2 项目现场混凝土及芯样的制备
2.3.3 实验室制备混凝土试件
2.4 试验方法与仪器设备
2.4.1 基本力学性能测试
2.4.2 快速碳化试验
2.4.3 基于酚酞显色法的碳化深度测试
2.4.4 X射线计算机断层扫描测试
2.4.5 物相分析测试
2.4.6 热重-差示扫描量热测试
2.4.7 模拟孔溶液p H值测试
2.4.8 微观形貌测试
第三章 二衬混凝土抗碳化性能的研究
3.1 二衬混凝土的基本力学性能
3.1.1 芯样的抗压强度
3.1.2 实验室成型试件的抗压强度和抗折强度
3.2 芯样初始状态分析
3.2.1 X-CT扫描分析芯样内部损伤情况
3.2.2 芯样自然碳化深度
3.3 高性能混凝土碳化试验结果与分析
3.3.1 基于酚酞显色法的碳化深度测试结果与分析
3.3.2 模拟孔溶液pH值测试结果与分析
3.3.3 物相分析测试结果与分析
3.3.4 热分析法测试结果与分析
3.4 普通混凝土碳化试验结果与分析
3.4.1 基于酚酞显色法的碳化深度测试结果与分析
3.4.2 模拟孔溶液pH值测试结果与分析
3.4.3 物相分析测试结果与分析
3.4.4 热分析法测试结果与分析
3.5 本章小结
第四章 基于碳化的二衬混凝土寿命预测
4.1 混凝土结构使用寿命理论
4.1.1 混凝土结构使用寿命的定义
4.1.2 混凝土结构使用寿命的评估准则
4.1.3 混凝土结构使用寿命的预测方法
4.2 二衬混凝土碳化寿命预测
4.2.1 基于相似理论的寿命预测
4.2.2 基于半理论半经验模型的寿命预测
4.2.3 基于随机过程的寿命预测
4.3 本章小结
第五章 涂层材料对二衬普通混凝土抗碳化性能的影响
5.1 涂层材料概述
5.2 涂覆涂层材料的普通混凝土碳化试验
5.2.1 试件表面涂层材料的涂覆方法
5.2.2 碳化试验与检测分析方法
5.3 试验结果与分析
5.3.1 基于酚酞显色法的碳化深度测试结果与分析
5.3.2 微观形貌测试结果与分析
5.4 提高普通混凝土抗碳化性能的维护措施建议
5.5 本章小结
第六章 结论、创新点与展望
6.1 全文结论
6.2 主要创新点
6.3 展望
参考文献
致谢