腐蚀水环境下隧道喷层—围岩界面粘结性能试验及其模型

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近些年来,工业化进程的加快造成的环境污染问题会对地下水产生不同程度的危害,水利土木工程中腐蚀性水会引起隧道围岩-混凝土粘结强度的劣化,这对处于腐蚀地下水的隧道及地下工程提出了新的挑战。论文以花岗岩—混凝土复合材料为研究对象,针对花岗岩—混凝土界面粘结强度开展试验研究,确定了二元体界面最优粘结强度试验方法以及影响因素组合,分析了三种不同腐蚀性溶液作用下花岗岩—混凝土界面劣化特性,建立了花岗岩—混凝土界面损伤统计本构模型。主要研究内容及成果为:(1)通过规范要求对隧道喷层—围岩界面粘结强度测试方法(预留试件拉拔法、钻心拉拔法以及喷大板劈裂法)进行了分析。利用正交试验设置影响因素为岩面粗糙程度、浸蚀面积、喷射混凝土标号以及外加剂掺量等,基于界面粘结强度的影响进行对比,得到各因素的影响强弱和影响因素最优组合。结果表明:三种方法从操作难度和粘结强度来看喷大板劈裂法最优,其操作简单、粘结强度≥1MPa满足规范要求,结合极差分析和方差分析得到各影响因素次序为:浸蚀面积>界面粗糙程度>外加剂掺量>喷射混凝土标号,最优组合是起伏粗糙且清洁干净的岩面,喷射C30混凝土、外加剂掺量为2%。(2)利用得到的最优粘结强度测试方法以及影响因素最优组合设计花岗岩—混凝土室内短期循环腐蚀试验和劈裂抗拉试验,从宏观现象、物理、化学以及力学等方面分析了花岗岩—混凝土界面粘结强度在三种腐蚀性溶液(p H=1硫酸溶液、p H=13氢氧化钠溶液、蒸馏水溶液)的不同时段作用后的劣化效应。结果表明:花岗岩—混凝土试件短期腐蚀结束后质量损失率和孔隙率均呈现先增大后减小,硫酸溶液在短期腐蚀时段内p H的变化总体呈现增大趋势,溶液由强酸变成中强酸,氢氧化钠溶液p H值减小,溶液碱性减弱。花岗岩—混凝土界面的应力-应变曲线有时间效应,随着浸蚀时段的增长,峰值应力和弹性模量逐渐减小,峰值应变逐渐增大。三种溶液对花岗岩—混凝土界面的腐蚀程度是硫酸溶液最大,蒸馏水最小,氢氧化钠溶液居中。(3)基于化学反应方程式结合界面劈裂特性和劣化特性,分析了腐蚀水环境下界面损伤特性以及粘结机理,结果表明:花岗岩—混凝土界面的破坏形态主要是沿着粘结面发生劈裂破坏。花岗岩—混凝土界面是具有一定厚度的界面层,花岗岩—混凝土界面的粘结力主要来自于混凝土水泥浆液浸入花岗岩微孔隙而形成的胶结力。(4)基于细观损伤力学理论,引入化学-荷载共同作用损伤变量,建立了花岗岩—混凝土界面损伤统计本构模型,结果表明:模型结果与试验结果具有较好的一致性,能够较好的反映腐蚀水环境下界面的劈裂抗拉特性。
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