王信剛，盛明強(qiáng)，王 睿，邵鐵峰

跨江海隧道功能梯度混凝土管片的收縮開(kāi)裂研究

王信剛a，盛明強(qiáng)a，王 睿b，邵鐵峰a

（南昌大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，南昌 330031）

引入梯度功能設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行功能梯度混凝土管片（functionally gradient concrete segment，簡(jiǎn)稱(chēng)FGCS）的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)。無(wú)細(xì)觀界面過(guò)渡區(qū)水泥基材料（meso-interfacial transition zone-free cement-based materials，簡(jiǎn)稱(chēng) MIF）中由于摻入了能顯著改善收縮開(kāi)裂趨勢(shì)的減縮組分和細(xì)微化裂紋的抗裂組分，降低了MIF的收縮值，提高了MIF的抗裂能力，有利于提高M(jìn)IF的抗?jié)B性能，進(jìn)而可以提高FGCS的抗?jié)B性能。混凝土兩次澆注成型時(shí)，采用界面強(qiáng)化工藝——壓印工藝，可以提高混凝土功能層之間界面粘結(jié)強(qiáng)度10%～35%，產(chǎn)生界面強(qiáng)化效應(yīng)。采用ANSYS計(jì)算的FGCS中界面最大拉應(yīng)力的計(jì)算值遠(yuǎn)小于界面劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試值，F(xiàn)GCS中界面由于收縮引起的應(yīng)力不會(huì)引起FGCS產(chǎn)生相對(duì)的滑移而導(dǎo)致開(kāi)裂。用于武漢長(zhǎng)江隧道工程的FGCS的外弧面裂縫寬度＜0.1 mm，Cl－擴(kuò)散系數(shù)為 4.9×10－13m2／s。

管片；收縮；抗裂；界面粘結(jié)強(qiáng)度；界面強(qiáng)化

鋼筋混凝土管片是跨江海盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)主體，管片保護(hù)層一旦開(kāi)裂，Cl－，SO42－，Mg2＋，H2O等多種環(huán)境侵蝕性介質(zhì)就可以較快地直接作用于鋼筋，加快鋼筋的腐蝕，大大降低跨江海盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)耐久性［1，2］。因此，跨江海盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)耐久性與管片保護(hù)層的抗裂性能密切相關(guān)。提高管片保護(hù)層的抗裂性能，有利于提高管片的抗?jié)B性能，進(jìn)而大幅提高跨江海盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)耐久性。

本文依托萬(wàn)里長(zhǎng)江第一隧——武漢長(zhǎng)江隧道工程，進(jìn)行功能梯度混凝土管片（functionally gradient concrete segment，簡(jiǎn)稱(chēng) FGCS）的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)。采用試驗(yàn)研究與有限元計(jì)算相結(jié)合的方法來(lái)分析FGCS的高抗?jié)B保護(hù)層材料——無(wú)細(xì)觀界面過(guò)渡區(qū)水泥基材料（meso-interfacial transition zone-free cement-based materials，簡(jiǎn)稱(chēng) MIF）與高強(qiáng)結(jié)構(gòu)層混凝土——高性能混凝土（high performance concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)HPC）的收縮匹配性能、抗裂性能、界面粘結(jié)強(qiáng)度，最后對(duì)生產(chǎn)的FGCS的裂縫進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 FGCS的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)

1.1 FGCS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FGCS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指根據(jù)跨江海盾構(gòu)隧道對(duì)襯砌管片功能和性能要求，在鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入梯度功能設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出外層高致密防水、保護(hù)層高抗?jié)B抗蝕、結(jié)構(gòu)層高強(qiáng)高性能和內(nèi)層防火抗爆的FGCS，以實(shí)現(xiàn)管片外層高防水抗?jié)B、中間層結(jié)構(gòu)高強(qiáng)、內(nèi)層高耐火的功能／結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，將材料的功能設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一起來(lái)［3］。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管片相比，采用功能／結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的FGCS可顯著提高管片的防水、抗?jié)B、抗蝕、抗裂性能以及耐火極限和抗沖擊能力。圖1是FGCS的功能／結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)圖。

圖1 FGCS的功能／結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)圖Fig.1 Diagram of functionally and structurally integrated design of FGCS

1.2 FGCS的材料設(shè)計(jì)

FGCS的高致密防水層采用高效滲透結(jié)晶型防水材料噴涂制備，可在管片生產(chǎn)過(guò)程中的水池養(yǎng)護(hù)工序完成后進(jìn)行；FGCS的防火抗爆層采用隧道防火涂料噴涂制備，可在管片完成安裝工序后進(jìn)行；FGCS的鋼筋混凝土保護(hù)層和高強(qiáng)結(jié)構(gòu)層可以采用同一種高性能混凝土，并且可以一次澆注而成。因此，F(xiàn)GCS的材料設(shè)計(jì)主要包括高抗?jié)B保護(hù)層材料和高強(qiáng)結(jié)構(gòu)層混凝土的設(shè)計(jì)。

高抗?jié)B保護(hù)層采用MIF制備而成。MIF是由膠凝材料（包括水泥和填充密實(shí)組分）、細(xì)顆粒骨架材料、性能調(diào)整組分（包括減縮組分、抗裂組分和憎水組分）、高效減水劑以及水5大組分組成。MIF的集料與水泥石界面過(guò)渡區(qū)由傳統(tǒng)混凝土的60～100 μm細(xì)化為30μm以下，有效阻斷了侵蝕性介質(zhì)的滲入通道，大幅提高了FGCS的抗?jié)B性能，尤其是其抗離子滲透性能［4］。

高強(qiáng)結(jié)構(gòu)層由強(qiáng)度等級(jí)≥C50的HPC制備而成。HPC的水膠比為0.28～0.32，水泥用量為350～420 kg／m3，每方摻入70～150 kg礦物細(xì)摻料。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原材料與配合比

2.1.1 MIF的原材料

①水泥：采用武漢亞?wèn)|水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥；②填充密實(shí)組分：武漢陽(yáng)邏電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰和武漢森太冶金有限責(zé)任公司的微硅粉；③細(xì)顆粒骨架材料：由粒徑為0.18～0.27 mm和0.27～0.70 mm的石英砂按質(zhì)量比 1∶1配制而成，細(xì)度模數(shù)為1.50，屬特細(xì)砂；④減縮組分：小分子聚醚類(lèi)減縮劑；⑤抗裂組分：由長(zhǎng)度為3 mm和10 mm的聚丙烯纖維按質(zhì)量比1∶1配制而成；⑥憎水組分：高效滲透結(jié)晶型防水材料；⑦高效減水劑：武漢浩源化學(xué)建材有限公司生產(chǎn)的FDN高濃型萘系高效減水劑。MIF的配合比及其強(qiáng)度見(jiàn)表1。

2.1.2 HPC的原材料

①水泥：采用武漢亞?wèn)|水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥；②粉煤灰：采用武漢陽(yáng)邏電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰；③河砂：采用細(xì)度模數(shù)為2.5的巴河河砂，屬中砂；④石子：采用粒徑為4.75～9.5 mm的瓜米石和粒徑為4.75～26.5 mm的小分口石，均為碎石；⑤高效減水劑：上?；ㄍ趸瘜W(xué)有限公司生產(chǎn)的Mighty－150高濃型萘系高效減水劑。HPC的配合比及其強(qiáng)度見(jiàn)表2。

2.2 收縮性能

借鑒國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》（JC／T 603- 2004），采用25 mm×25 mm×280 mm的棱柱體試件，測(cè)試MIF收縮值；借鑒國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》（GBJ 82- 85），采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，測(cè)試HPC收縮值。

圖2是MIF和HPC在干燥環(huán)境下的收縮值。從圖中可以看出，MIF和HPC的收縮值都是隨著齡期的增長(zhǎng)而有不同程度增長(zhǎng)，且MIF的收縮值要比相應(yīng)齡期下HPC的大。HPC在28 d和90 d的收縮值分別為242×10－6和387×10－6，而 MIF在 28 d和90d的收縮值分別為374×10－6和482×10－6，HPC和MIF的收縮值從28 d到90 d之間分別增長(zhǎng)59.9%和28.9%，28 d和90 d的收縮值分別相差132×10－6和105×10－6。

圖2 MIF和HPC的收縮值Fig.2 Shrinkage of MIF and HPC

表1 MIF的配合比及其強(qiáng)度Table 1 Mix proportion and strength of MIF

表2 HPC的配合比及其強(qiáng)度Table 2 Mix proportion and strength of HPC

分析其中原因，HPC中摻有20%的Ⅱ級(jí)粉煤灰，在28 d內(nèi)的收縮主要是來(lái)自于水泥的水化，28 d后Ⅱ級(jí)粉煤灰發(fā)生二次水化反應(yīng)導(dǎo)致混凝土收縮大幅增加。MIF中由于取消了具有限制收縮作用的粗集料，可能導(dǎo)致其收縮明顯增大，但由于MIF中摻入了具有減小收縮變形作用的減縮組分，顯著改善了MIF的收縮開(kāi)裂趨勢(shì)；另外，MIF中也摻有填充密實(shí)組分，在一定程度上也能抑制MIF的收縮，使得MIF的收縮值與HPC的收縮值相差不大，最大相差（100～135）×10－6。所以，MIF與 HPC的收縮性能匹配良好，不會(huì)導(dǎo)致FGCS中MIF與HPC在收縮變形上的非一致性。

2.3 抗裂性能

圖3是MIF的平板抗裂試驗(yàn)照片。試驗(yàn)結(jié)果表明：MIF的平板表面經(jīng)連續(xù)吹風(fēng)14 d，仍未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫。根據(jù)中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)CCES 01-2004標(biāo)準(zhǔn)，MIF的抗裂性達(dá)到Ⅰ級(jí)。MIF的高抗裂性能，有利于提高M(jìn)IF的抗?jié)B性能，進(jìn)而可以提高FGCS的抗?jié)B性能。

參照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中推薦混凝土平板抗裂性試驗(yàn)［5］，采用600 mm×600 mm×63 mm的平板試件，測(cè)試MIF的抗裂性能。試驗(yàn)時(shí)氣溫35℃，相對(duì)濕度70%，平板試件成型2 h后，用電風(fēng)扇吹平板表面，加速其開(kāi)裂，記錄試件開(kāi)始出現(xiàn)裂縫的時(shí)間、裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度等以及隨時(shí)間的變化。

圖3 MIF的平板抗裂試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Test of slab anti-cracking of MIF

分析其中原因，主要是由于MIF中摻入了減縮組分和抗裂組分，減縮組分能顯著降低其收縮值，抗裂組分能細(xì)微化裂紋，減縮組分和抗裂組分的摻入顯著改善了MIF的收縮開(kāi)裂趨勢(shì)，提高其抗裂能力。另外，MIF中也摻有大量的、在一定程度上也能抑制MIF收縮的填充密實(shí)組分。上述原因使得MIF具有優(yōu)異的抗裂性能。

2.4 界面粘結(jié)強(qiáng)度

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50081- 2002），采用 150 mm×150 mm×150 mm立方體試件的界面劈裂抗拉強(qiáng)度來(lái)表示界面粘結(jié)強(qiáng)度。同時(shí)，擬采用壓印工藝來(lái)增大MIF-HPC界面接觸面積，提高其界面粘結(jié)強(qiáng)度，達(dá)到界面強(qiáng)化的效果。圖4是壓印模具示意圖。表3是MIF-HPC界面劈裂抗拉強(qiáng)度及界面強(qiáng)化效應(yīng)。

圖4 壓印模具示意圖Fig.4 Schematic of imprinting mould

表3 MIF-HPC界面劈裂抗拉強(qiáng)度及界面強(qiáng)化效應(yīng)Table 3 Interface splitting tensile strength and interface strengthening effect

從表中可以看出，混凝土兩次澆注成型時(shí)，采用壓印工藝進(jìn)行界面強(qiáng)化處理的JM2試樣在相應(yīng)齡期下的界面劈裂抗拉強(qiáng)度高于未采用壓印工藝進(jìn)行界面強(qiáng)化處理的JM1試樣，且JM2試樣在12 h，7 d，28 d的界面劈裂抗拉強(qiáng)度分別比JM1試樣提高了9.2%，16.8%，38.0%。如在 28 d齡期時(shí)，未采用壓印工藝進(jìn)行界面強(qiáng)化處理的JM1試樣的MIFHPC界面劈裂抗拉強(qiáng)度只有4.71 MPa，而采用壓印工藝進(jìn)行界面強(qiáng)化處理的JM2試樣的界面劈裂抗拉強(qiáng)度增大為6.54 MPa。

分析其中原因，主要是采用壓印工藝進(jìn)行界面強(qiáng)化處理后，顯著增加了MIF-HPC界面的接觸面積。通過(guò)理論計(jì)算，采用壓印工藝進(jìn)行界面強(qiáng)化處理后的MIF-HPC界面接觸面積，比未經(jīng)處理時(shí)增大了22.8%，提高了 MIF-HPC界面過(guò)渡的延續(xù)性，有利于提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。同時(shí)，在MIF-HPC界面設(shè)置凹凸式臺(tái)階，還可以防止混凝土結(jié)構(gòu)功能層之間的相對(duì)滑移，確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

2.5 有限元計(jì)算

依托萬(wàn)里長(zhǎng)江第一隧——武漢長(zhǎng)江隧道工程，采用有限元軟件ANSYS 9.0分析FGCS的界面收縮應(yīng)力。FGCS的內(nèi)徑為10.0 m，外徑為11.0 m，環(huán)片厚度為0.5 m（外側(cè)保護(hù)層50 mm，包括20 mm高抗?jié)B保護(hù)層和30 mm鋼筋混凝土保護(hù)層，高強(qiáng)結(jié)構(gòu)層450 mm），寬度為2.0 m。

ANSYS計(jì)算結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的方法有直接法和間接法2種：直接法采用特殊的單元，可同時(shí)模擬溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)；間接法首先計(jì)算結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，然后轉(zhuǎn)換單元性質(zhì)，讀入溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，作為溫度荷載，計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)［6－8］。

本文采用直接法計(jì)算，通過(guò)在MIF與HPC的接觸面上設(shè)置薄層單元（厚度為1.0 cm，處于C2一側(cè)），以計(jì)算FGCS的界面收縮應(yīng)力。采用SOLID 45單元建立三維有限元模型，添加材料屬性，劃分網(wǎng)格，共2 250個(gè)單元，2 816個(gè)節(jié)點(diǎn)。表4是MIF與HPC的材料屬性的參數(shù)，圖5是FGCS網(wǎng)格劃分圖。模型兩端施加法向位移約束。施加荷載時(shí)，采用等效溫差（Equivalent Temperature Difference，簡(jiǎn)稱(chēng)ETD）荷載，即把材料的自由收縮等效為溫度收縮，并根據(jù)材料的熱膨脹系數(shù)α，把材料自由收縮值ε換算成溫降值 Δt。例如，MIF的28 d收縮值為328×10－6，其熱膨脹系數(shù)為 1.0×10－5／℃，則其溫降值為

表4 MIF與HPC材料屬性的參數(shù)Table 4 Material parameters of sample of MIF and HPC

圖5 網(wǎng)格劃分Fig.5 Meshing

圖6 薄壁單元的第一主應(yīng)力Fig.6 The 1st principal stress of thin-walled finite element

圖6 是28 d時(shí)薄壁單元的第一主應(yīng)力。從圖中可以看出，薄壁單元即MIF-HPC界面的最大拉應(yīng)力的計(jì)算值為3.21MPa，且大部分區(qū)域在2.86～3.0 MPa之間。由前述的表3可知，未采用壓印工藝進(jìn)行界面強(qiáng)化處理的JM1試樣的MIF-HPC界面劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試值為4.71 MPa。也就是說(shuō)，F(xiàn)GCS中MIF-HPC界面最大拉應(yīng)力的計(jì)算值遠(yuǎn)小于MIF-HPC界面劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試值。因此，F(xiàn)GCS中MIF-HPC界面由于收縮引起的應(yīng)力不會(huì)引起FGCS產(chǎn)生相對(duì)的滑移而導(dǎo)致開(kāi)裂，用MIF制備的高抗?jié)B保護(hù)層不會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象，F(xiàn)GCS中MIF與HPC的收縮性能匹配良好［9］。

3 FGCS的裂縫評(píng)價(jià)

根據(jù)武漢長(zhǎng)江隧道工程對(duì)襯砌管片尺寸設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了FGCS的生產(chǎn)。圖7是FGCS照片，從照片中可以看出，圖7（a）表面無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋；圖7（b）是FGCS外弧面照片，從照片中可以看出，外弧面的纖維分布均勻；圖7（c）是采用裂縫測(cè)寬儀觀測(cè)外弧面裂縫寬度的圖片，從圖中可以看出，裂縫寬度在0.02～0.08 mm之間。

圖7 FGCS的裂縫評(píng)價(jià)Fig.7 Crack evaluation of FGCS

同時(shí)，在28 d齡期時(shí)，對(duì)生產(chǎn)的FGCS進(jìn)行抽樣鉆芯，在FGCS外弧面上進(jìn)行鉆芯取樣，然后送樣至國(guó)家建筑材料工業(yè)房建材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心檢測(cè)其Cl－擴(kuò)散系數(shù)，Cl－擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)按照中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)CCES 01- 2004標(biāo)準(zhǔn)推薦的快速Cl－擴(kuò)散測(cè)試法（NEL法）［11］進(jìn)行。檢測(cè)結(jié)果表明：FGCS的 Cl－擴(kuò)散系數(shù)為4.9×10－13m2／s，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片的 Cl－擴(kuò)散系數(shù)（10～20）×10－13m2／s［12］，根據(jù) Cl－擴(kuò)散系數(shù)評(píng)價(jià)混凝土滲透性可知，F(xiàn)GCS的Cl－滲透性能為“很低”。

實(shí)際上，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)混凝土保護(hù)層達(dá)到25 mm以上時(shí)，即使處于Cl－侵蝕最為惡劣的浪濺區(qū)或化冰鹽環(huán)境下，寬度≤0.1 mm的裂縫在銹蝕初期1～2年內(nèi)，對(duì)銹蝕發(fā)展只有很小的影響，后期則無(wú)影響，即寬度≤0.1 mm的裂縫對(duì)鋼筋銹蝕速率可以忽略；對(duì)于寬度≥0.2 mm的裂縫，其初期對(duì)銹蝕發(fā)展的影響非常明顯，直到10年后影響才變得很小。因此，F(xiàn)GCS裂縫寬度＜0.1 mm是可以接受的［10］。

4 結(jié) 論

（1）無(wú)細(xì)觀界面過(guò)渡區(qū)水泥基材料（簡(jiǎn)稱(chēng)MIF）的收縮值與高性能混凝土（簡(jiǎn)稱(chēng)HPC）的相差不大，最大相差（100～135）×10－6。MIF的高抗裂性能，有利于提高M(jìn)IF的抗?jié)B性能，進(jìn)而可以提高功能梯度混凝土管片（簡(jiǎn)稱(chēng)FGCS）的抗?jié)B性能。

（2）混凝土兩次澆注成型時(shí)，采用界面強(qiáng)化工藝——壓印工藝，可以提高混凝土功能層之間界面粘結(jié)強(qiáng)度10%～35%，產(chǎn)生界面強(qiáng)化效應(yīng)。同時(shí)，在功能層界面處設(shè)置凹凸式臺(tái)階，還可以防止混凝土結(jié)構(gòu)功能層之間的相對(duì)滑移，確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

（3）采用ANSYS計(jì)算的FGCS中界面最大拉應(yīng)力的計(jì)算值遠(yuǎn)小于界面劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試值。因此，F(xiàn)GCS中界面由于收縮引起的應(yīng)力不會(huì)引起FGCS產(chǎn)生相對(duì)的滑移而導(dǎo)致開(kāi)裂，用MIF制備的高抗?jié)B保護(hù)層不會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象，F(xiàn)GCS中MIF與HPC的收縮性能匹配良好。

（4）實(shí)際生產(chǎn)的 FGCS的外弧面裂縫寬度＜0.1 mm，裂紋已經(jīng)被細(xì)微化。同時(shí)，F(xiàn)GCS的Cl－擴(kuò)散系數(shù)為4.9×10－13m2／s，Cl－滲透性能為“很低”。

［1］ 衛(wèi) 軍，吳興昊.對(duì)巖土工程中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題的探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（1）：

140－142.（WEI Jun，WU Xing-hao.Concrete structure durability in geotechnical engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（1）：140－142.（in Chinese））

［2］ 馬亞麗，張愛(ài)林.基于規(guī)定可靠指標(biāo)的混凝土結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕耐久壽命預(yù)測(cè)［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006，39（2）：36－41.（MA Ya-li，ZHANG Ai-lin.Durability life prediction of concrete structure based on the regulated reliability index under chloride environment［J］.China Civil Engineering Journal，2006，39（2）：36－41.（in Chinese））

［3］ 馬保國(guó)，王信剛，王 凱，等.一種功能梯度盾構(gòu)管片及其制備方法［P］.中國(guó)：CN 1888393A，2007－01－03.（MA Bao-guo，WANG Xin-gang，WANG Kai，et al.A kind of functionally gradient shield segment and its preparation method［P］.CN 1888393A，2007.1.3.（in Chinese））

［4］ 馬保國(guó)，高英力，王信剛，等.無(wú)細(xì)觀界面過(guò)渡區(qū)水泥基材料的設(shè)計(jì)及性能［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2007，35（7）：886－892.（MA Bao-guo，GAO Ying-li，WANG Xingang，et al.Design and properties of meso-defect interfacial transition zone free cement based material［J］.Journal of The Chinese Ceramic Society，2007，35（7）：886－892.（in Chinese））

［5］ 中國(guó)工程院土木水利與建筑學(xué)部工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性研究咨詢項(xiàng)目組.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.（The Project Group of Study and Advisory，Engineering Structure Safety and Durability，Division of Civil，Hydraulic and Architecture Engineering，Chinese Academy of Engineering.Concrete Structure Durability Design and Construction Guide［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，2004.（in Chinese））

［6］ SUJATA K，XI Y，JENNINGS H M.Interfacial shrinkage in mortars［C］∥In：Chong K P ed.Materials for the New Millennium.Proceeding of 4th Materials Engineering Conference.New York：American Society of Civil Engineering，1996：1669－1676.

［7］ 郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.（HAO Wen-hua.Application Examples of ANSYSin Civil Engineering［M］.Beijing：China WaterPower Press，2005.（in Chinese））

［8］ 張松濤，李 民.ANSYS在分析混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力中的應(yīng)用［J］.中國(guó)水運(yùn)（理論版），2006，4（5）：54－56.（ZHANG Song-tao，LI Min.Application of ANSYSin analyzing concrete structure temperature field and stress［J］.China Water Transport（Theory Edition），2006，4（5）：54－56.（in Chinese））

［9］ DAVID G G，SHIGEN（Eric）Li，GREGORY C F，et al.Splitting prism test method to evaluate concrete-to-concrete bond strength［J］.ACI Materials Journal，1999，96（3）：359－366.

［10］周新剛.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與損傷防治［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1999.（ZHOU Xin-gang.Concrete Structure Durability and Damage Prevention［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，1999.（in Chinese））

［11］ LU Xin-ying.Application of the nernst-einstein equation to concrete［J］.Cement and Concrete Research，1997，27（2）：293～302.

［12］朱祖熹.當(dāng)今國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道防水技術(shù)比較談［J］.地下工程與隧道，2002，（1）：14－20.（ZHU Zu-xi.Comparison between domestic and oversea waterproof technologies in shield tunnel［J］.Underground Engineering and Tunnels，2002，（1）：14－20.（in Chinese） ）

Shrinkage Cracking of Functionally Gradient Concrete Segment Used in River-crossing or Sea-crossing Tunnels

WANG Xin-gang1，SHENG Ming-qiang1，WANG Rui2，SHAO Tie-feng1
（1.School of Civil Engineering and Architecture，Nanchang University，Nanchang 330031，China；2.Arts and Design College，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

Gradient function design thought is introduced in structure and material design of functionally gradient concrete segment（FGCS）.Owing to blending a shrinkage reducing ingredient that can decrease shrinkage，and an anti-cracking ingredient that can fine cracks in meso-interfacial transition zone-free cement-based materials（MIF），the shrinkage of MIF is decreased，and the ability to anti-cracking is improved.Because of the above mentioned cause，the impermeability of MIF and FGCS can be improved.When the concrete is cast twice，interface bond strength between two functional layers is increased by 10%to 35%by means of imprinting process as compared to the control without imprinting process.Imprinting process can result in the effect of interface strengthening.The maximum interface tensile stress due to shrinkage in interface is calculated by ANSYSsoftware（finite element analysis tool），whose value is less than the test value of interface splitting tensile strength.Interface tensile stress due to shrinkage in interface doesn’t result in cracking of FGCS，and the sliding deformation of interface layers would not generate.FGCShas been used in Wuhan Yangtze River Tunnel Engineering，whose width of crack is less than 0.1 mm on the outside arc surface，and whose chloride diffusion coefficient is 4.9×10－13m2／s.

segment；shrinkage；anti-cracking；interface bond strength；interface strengthening

U451

A

1001－5485（2010）02－0054－06

2009-02-19；

2009-03-27

國(guó)家“863”計(jì)劃課題（2005AA332010）資助項(xiàng)目；江西省教育廳青年科學(xué)基金項(xiàng)目（GJJ09428）

王信剛（1977-），男，江西萬(wàn)載人，博士，主要從事隧道工程建養(yǎng)技術(shù)及高性能混凝土技術(shù)研究，（電話）13517093858（電子信箱）wxglab＠126.com。

（編輯：周曉雁）