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42第4章 环境共同作用下衬砌混凝土中性化 444.1 试验设计与试验方法 444.2 汽车尾气-碳化共同作用下衬砌混凝土中性化机理 464.3 汽车尾气-碳化共同作用下衬砌混凝土宏观性能演化规律 504.4 汽车尾气-碳化共同作用下衬砌混凝土中性化规律 554.5 汽车尾气-碳化共同作用下衬砌混凝土中性化深度预测模型 574.6 冻融循环-碳化共同作用下衬砌混凝土强度劣化 594.7 冻融循环-碳化共同作用下衬砌混凝土碳化规律 614.8 冻融循环-碳化共同作用下衬砌混凝土碳化深度预测模型 65第5章 衬砌混凝土Cl–传输 685.1 衬砌混凝土氯盐侵蚀研究现状 685.1.1 衬砌混凝土氯盐侵蚀机理 685.1.2 混凝土Cl-传输模型 705.2 试验设计与试验方法 745.3 单一氯盐侵蚀下衬砌混凝土Cl–传输 775.4 汽车尾气作用下衬砌混凝土Cl–传输 805.5 冻融循环作用下衬砌混凝土Cl–传输 845.6 围岩应力作用下衬砌混凝土Cl–传输 885.7 衬砌混凝土Cl–传输模型 935.7.1 Cl–扩散系数 945.7.2 影响Cl– 扩散系数的因素 965.7.3 多因素作用下喷射混凝土Cl– 扩散模型 102参考文献 105第6章 衬砌混凝土盐蚀性能 1096.1 衬砌混凝土硫酸盐侵蚀研究现状 1096.2 硫酸盐侵蚀下衬砌混凝土宏观性能演化规律 1126.2.1 硫酸盐侵蚀下衬砌混凝土物理力学性能变化 1126.2.2 硫酸盐侵蚀下衬砌混凝土损伤层厚度变化 1146.3 硫酸盐侵蚀下衬砌混凝土性能退化机理 1166.3.1 侵蚀产物组成及含量 1166.3.2 侵蚀产物微观形貌表征 1196.4 复合盐侵蚀下衬砌混凝土宏观性能演化规律 1206.5 复合盐侵蚀下衬砌混凝土性能退化机理 1226.5.1 侵蚀产物组成及含量 1226.5.2 喷射混凝土微观形貌 1286.6 复合盐侵蚀下衬砌混凝土离子传输 1336.6.1 水溶性离子含量变化与扩散过程 1336.6.2 酸溶性SO42–含量变化与扩散过程 1436.6.3 混凝土成型方式对离子扩散的影响 1476.6.4 喷射混凝土中离子的相互作用 1496.6.5 水溶性Cl–与SO42–的扩散系数 1506.6.6 水溶性Cl–与SO42–的扩散模型 152参考文献 154第7章 高地热环境下衬砌混凝土性能演化规律与机理 1597.1 高地热环境下衬砌混凝土耐久性研究现状 1597.2 高地热环境下衬砌混凝土初始损伤 1617.3 高地热环境下衬砌混凝土耐久性试验设计 1637.3.1 温度场与硫酸盐侵蚀共同作用试验设计 1637.3.2 衬砌混凝土中温度场特性分析 1657.3.3 试验测试方法 1727.4 温度场与硫酸盐侵蚀共同作用下衬砌混凝土宏观性能演化规律 1787.4.1 衬砌混凝土抗压强度变化规律 1787.4.2 衬砌混凝土质量变化规律 1827.4.3 衬砌混凝土相对动弹性模量变化规律 1867.4.4 衬砌混凝土吸水率变化规律 1897.5 温度场与硫酸盐侵蚀共同作用下衬砌混凝土性能演变机理 1927.5.1 衬砌混凝土外观形貌 1927.5.2 衬砌混凝土侵蚀产物组成及含量 1957.5.3 衬砌混凝土内部微观结构演变 2017.5.4 衬砌混凝土孔结构变化规律 204参考文献 214第8章 高地热环境下衬砌混凝土中SO42–扩散模型 2198.1 衬砌混凝土中SO42–分布特征 2198.2 考虑时间与空间变化的SO42–扩散系数计算方法 2248.3 衬砌混凝土表面SO42–含量 2308.4 温度场与硫酸盐侵蚀共同作用下衬砌混凝土中SO42–扩散模型 2388.4.1 多因素影响下衬砌混凝土中SO42–扩散模型 2388.4.2 模型验证 242参考文献 245第9章 高地热环境温度场与硫酸盐侵蚀共同作用下衬砌混凝土性能损伤理论计算 2479.1 衬砌混凝土中侵蚀产物含量计算方法 2479.1.1 多因素影响下侵蚀化学反应速率 2479.1.2 多因素影响下侵蚀产物生成量计算方法 2529.2 衬砌混凝土中孔隙形状及其占比分析 2619.3 衬砌混凝土中侵蚀产物结晶压计算方法 2649.3.1 结晶压理论基础 2649.3.2 不同形状孔隙内晶体结晶压计算方法 2669.3.3 考虑孔隙形状的衬砌混凝土中钙矾石结晶压 2709.4 衬砌混凝土中钙矾石结晶压膨胀应力损伤 3009.4.1 多因素作用下衬砌混凝土中裂纹密度 3009.4.2 多因素影响下衬砌混凝土中膨胀应力损伤 3099.5 衬砌混凝土中水化产物脱钙损伤 318参考文献 322 內容試閱： 第1章隧道衬砌耐久性环境调查　　1.1一般大气环境　　隧道所处的一般大气环境与地上建筑的一般大气环境相比，具有明显不同的特征，除有CO2作用外，还受车辆尾气的影响。隧道空间相对封闭，空气流通不畅，隧道内车辆产生的CO2与空气中的CO2叠加，其浓度明显高于地上环境，而且车辆尾气也含有大量CO、NOx和SO2等污染物。CO2和其他酸性气体会进入衬砌混凝土内部，发生中性化反应，改变衬砌混凝土的微观结构，使衬砌混凝土内部的孔隙结构恶化，抗渗性能降低，进而导致隧道混凝土渗漏水与钢筋锈蚀。日本国土交通省铁道局对铁路隧道病害的调查表明，病害成因中环境因素和材料劣化分别占27%和23%，由外力变化引起的仅占10%[1]。Ye等[2]调查了我国90条正在运营的公路隧道，发现77%的隧道使用寿命低于10年，其中衬砌开裂和渗漏是*常见的隧道病害(占比超过68%)，而混凝土材料劣化是这些病害的主要成因。　　对国内一些典型隧道中的CO2浓度进行统计[3-10]，结果如表1.1所示。可以看出，城市隧道内CO2浓度普遍较高，如青岛、无锡等人流量较大的城市隧道内CO2浓度明显高于山区隧道。同样一些高海拔地区隧道内CO2浓度也相对较高，这与车辆在高海拔环境中尾气排放增加以及通风条件受限有关。一般情况下，隧道越长，通风条件越差，越容易造成CO2累积。短隧道尽管长度较短，但若车辆密集，仍可出现较高CO2浓度。　　对一些典型隧道内CO、NOx和SO2浓度进行统计[1，3，4，11-16]，结果如表1.2～表1.4所示。可以看出，CO、NOx和SO2等气体受隧道所在地区、长度和运行状态的影响较大，城市隧道内CO、NOx和SO2浓度普遍高于山区隧道。　　1.2盐蚀环境　　隧道衬砌混凝土地下水腐蚀问题越来越受到广泛关注，尤其在隧道的建设中，地下水的腐蚀作用往往导致结构材料的退化，进而影响隧道的安全性和耐久性。地下水中的腐蚀性离子，如硫酸根离子()、氯离子()、碳酸氢根离子()和镁离子()等，长时间作用可能会对混凝土、钢筋等结构材料造成不同程度的损害。随着地下水中离子浓度的变化，腐蚀作用有可能加剧，从而缩短隧道的使用寿命，并增加施工和维护的费用。因此，了解隧道地下水的离子组成和浓度分布，对制定有效的防腐措施和确保隧道结构的稳定性具有重要意义。　　通过对17个地区地下水参数的调研[17-33]，将地下水划分为四种典型类别，国内部分地区地下水中离子浓度如表1.5所示。**类是盐湖滨海盐渍土环境，这些地区的地下水中和的浓度分别介于25000～300000mg/L和3700～57000mg/L，浓度较高，且常伴有高浓度的(21～110000mg/L)。第二类是海洋地下水环境，这类地下水主要受海水影响，导致和的浓度较为突出，分别为200～460mg/L和13～74mg/L。第三类是西南地下硫酸盐环境，这些区域地下水中浓度可高达969mg/L，可能对隧道结构造成显著的硫酸盐腐蚀。第四类是西北地下盐渍土环境，这些地区由于地下水与盐渍土的交互作用，盐分浓度较高，和的浓度分别为30～350mg/L和85～445mg/L。　　对一些典型隧道地下水的盐种类和浓度进行了调查[34-38]，部分隧道地下水中离子浓度如表1.6所示。不同地区地下水的离子浓度差异表明，隧道地下水腐蚀的严重性受多种因素影响，包括地下水的化学组成、离子浓度等。中老铁路某隧道地下水中的浓度(135082.20mg/L)远高于表中其他隧道，其主要来源为石盐矿物溶解。青岛胶州湾第二海底隧道地下水中的浓度(3969.68mg/L)和浓度(109.42mg/L)*高。总体而言，不同隧道水样离子特征受海水入渗强度与地层矿物溶解作用共同控制。　　综上所述，通过分析地下水中硫酸盐、氯盐等化学成分的浓度，可以有效评估衬砌混凝土和隧道结构的腐蚀风险，为衬砌混凝土耐久性评估和隧道耐久性设计提供依据。在设计过程中，通过合理选择抗腐蚀材料、优化防护措施，并进行耐久性预估，可显著提高隧道的安全性，延长其使用寿命，同时降低维护和修复成本。　　1.3高地热环境　　随着国家基础设施建设的不断推进，我国铁路公路建设向西南西北地区发展，青藏高原、云贵高原的铁路线和公路线日益增多。川藏铁路经过四川盆地、川西高原、横断山区及藏南谷地区等多个复杂地貌，地处亚欧板块与印度板块交界的青藏高原中东部，铁路沿线海拔高、地层岩性复杂多变、新构造地质运动剧烈、断裂地层分布广泛、内外动力地质环境作用强烈，隧道将面临各种地质灾害的威胁，其中的代表性灾害之一就是高地热。川藏地区的地热带主要沿深大地质活动断裂带出露，多集中于沃卡、八宿、巴塘和康定一带，以分布广、温度高和地热活动强烈为主要特征，热储温度*高可达329.8℃，属于水热型地热[39]。铁路所经地块属于地中海-喜马拉雅地热带，地热带中地热水主要由大气降水通过岩石的断裂裂隙系统循环至地下深处，受不同类型热源加热后，在静水压力和热动力驱动下回升至地表形成温、热泉，或埋藏在一定深度处形成热水层的水热系统。地壳深部地质结构、浅层地质构造、地层岩性和水文地质条件等为地热水的形成提供了强大的热源和部分物质来源，并为地热水混成、迁移、富集、储存和出露提供了场所和条件。　　川藏铁路沿线经过50余个高温热泉，其中约有15个隧道存在高温热害。已建成的川藏铁路拉林段桑珠岭隧道就遇到了隧道内岩温*高达81.9℃、洞内环境温度*高达56℃的高地热环境[40]，川藏铁路雅安至康定段的大坪山二号隧道和毛家沟隧道在建设中遇到30～88℃的高地热环境[41]，青藏铁路延伸线拉日铁路垂直穿越藏南高温水热活动带，沿线有30余个水热显示区[42]，大理-瑞丽铁路线上的高黎贡山隧道也面临着28.0～37℃的地热危害[43]。表1.7为川藏线高地热隧道热害长度统计情况[44]。此外，一些长大深埋隧道也遇到了高温热害，国内外遭受高温热害的隧道如表1.8所示。高地热环境中不仅地下水的温度高，而且水中还含有大量的盐，其中来源于碳酸盐的溶解，硫酸盐来源于沉积层的淋滤作用，氯盐来源于地下深部。　　根据文献数据[45-55]，得到了青海、西藏、四川和云南等地区的高地热环境特征参数，包括地下热水类型、热水温度、pH、总矿化度、离子种类和浓度，我国西部地区高地热环境特征参数如表1.9所示。分析可知，我国西部地区高地热环境热水类型主要有地热水、温泉水、盐井温泉水和沸泉水等，高地热隧道岩壁温度在48～64℃，高温地下水中对衬砌混凝土耐久性影响显著的浓度*高为25792mg/L[50]，浓度*高为19400mg/L[46]，地下热水pH在6.0～8.9。

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