《交通運輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２1）第三部分 基礎(chǔ)設(shè)施篇《基于SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)的公路工程構(gòu)造物混凝土抗裂及耐久性提升關(guān)鍵技術(shù)研究》

完成單位：廣東惠清高速公路有限公司、長安大學(xué)、廣東潮汕環(huán)線高速公路有限公司

主要完成人：曹曉峰、申愛琴、趙明、郭寅川、王振龍、莫石秀、覃瀟、李勇、潘正中、李鵬、陳志暉、呂政樺、李啟榮、修義軍、萬友元

項目簡介

　　（一）項目背景

　　惠清高速公路位處珠三角與粵北山區(qū)過渡帶，橋隧比接近50%。在廣東省重載交通及夏季高溫氣候的作用下，橋隧構(gòu)造物混凝土常過早出現(xiàn)開裂及滲水，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致橋梁鋼筋銹蝕、隧道襯砌脫空等病害。研究表明，水泥混凝土在成型期產(chǎn)生的收縮微裂縫等非荷載型裂縫，是導(dǎo)致后續(xù)抗裂、耐久性劣化的根本原因之一。目前主要通過傳統(tǒng)表面養(yǎng)護(hù)、添加外加劑等方式緩解早期收縮開裂，但分別存在養(yǎng)護(hù)水分滲入程度不足、與減水劑配伍性不足等弊端。

　　高吸水性聚合物（SAP）能夠在水泥漿體內(nèi)部濕度下降時將所蓄水分及時釋放至基體中，解決常規(guī)手段對早期減縮防裂效果不佳的難題。目前，國內(nèi)外對于SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的研究主要集中于基本宏觀性能，在內(nèi)養(yǎng)護(hù)適用參數(shù)、組成設(shè)計方法方面少有涉及，無法確定何種參數(shù)下的SAP能夠在濕熱地區(qū)充分發(fā)揮作用；其次，在多階段收縮及阻裂性能、水分傳輸及水化特性及耐久性增強機(jī)理等方面鮮有報道，難以對其性能進(jìn)行高效調(diào)控。

　　鑒于此，本項目對SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)橋隧混凝土適用參數(shù)、水分傳輸及水化行為、收縮及阻裂性能、耐久性能展開研究，旨在解決省內(nèi)橋隧構(gòu)造物過早開裂、抗?jié)B性能及抗腐蝕性能不足的難題，為橋隧構(gòu)造物混凝土的設(shè)計、施工提供相關(guān)理論依據(jù)和技術(shù)支持。

　　（二）技術(shù)概況

　　項目基于SAP吸-釋水特性，確定了水泥混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)適用參數(shù)；針對橋、隧不同部位，提出了基于系統(tǒng)論的分層次配合比設(shè)計方法及控制指標(biāo)要求；研究了內(nèi)養(yǎng)護(hù)水泥混凝土各階段收縮及阻裂特性，并通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對長期抗裂性能進(jìn)行了預(yù)測；探索了內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土水分傳輸特性及水化特征，揭示了性能增強機(jī)理；通過實體工程驗證，提出了內(nèi)養(yǎng)護(hù)橋、隧混凝土施工關(guān)鍵技術(shù)。

　　（三）適用范圍

　　本項目成果主要應(yīng)用于交通土建等道路、橋梁及隧道工程技術(shù)領(lǐng)域。

　　（四）獲獎情況

　　本項目成果已獲得2021年中國交通運輸協(xié)會科學(xué)技術(shù)一等獎。

項目創(chuàng)新點

　　（1）基于Flory-Huggins溶脹熱力學(xué)及圖像處理技術(shù)，動態(tài)分析了SAP形態(tài)、溶液類型及外界環(huán)境（模擬廣東濕熱地區(qū)溫度及濕度）、毛細(xì)負(fù)壓等因素對SAP吸水-保水-釋水行為的影響，并依據(jù)滲透壓理論，揭示了SAP在水泥漿液中的吸水-釋水機(jī)理。

　?。?）基于Powers理論，采用分層次設(shè)計理念，通過實數(shù)、區(qū)間數(shù)共存的混合型多指標(biāo)灰靶決策方法結(jié)合正交分析等數(shù)學(xué)方法，深入分析了SAP材料參數(shù)及水分引入?yún)?shù)等對各項性能的影響規(guī)律，提出SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)橋梁混凝土配合比設(shè)計方法及指標(biāo)要求。

　?。?）分析了SAP對橋梁混凝土收縮調(diào)控作用，建立了橋梁混凝土干燥收縮隨額外引水量、齡期變化的預(yù)測模型；明確了SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對混凝土超早齡期裂縫參數(shù)及裂縫細(xì)觀形貌的影響效應(yīng)，開展了環(huán)形約束條件下基于內(nèi)壁應(yīng)變發(fā)展的開裂風(fēng)險評估。

　?。?）結(jié)合抗?jié)B性能、抗疲勞性能及收縮性能等宏觀性能測試數(shù)據(jù)，深入探索了不同層位、SAP參數(shù)及齡期下內(nèi)養(yǎng)護(hù)橋梁混凝土的細(xì)微觀形貌、水泥石-骨料界面過渡區(qū)特征及孔結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，從多方面揭示了SAP對橋梁混凝土性能的增強機(jī)理。

　?。?）依托汕湛高速惠清段高速公路建設(shè)工程，提出了南方濕熱地區(qū)SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)橋梁、隧道混凝土施工關(guān)鍵技術(shù)。

應(yīng)用案例

　　項目依托汕湛高速公路惠清段建設(shè)工程，將SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)成功應(yīng)用于橋梁（橋面整體化層、濕接縫及橫隔板）及隧道（二襯）混凝土中，其成型過程及效果圖詳見圖1~圖3。

　　項目組對SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的摻入方式、拌和時機(jī)等施工參數(shù)進(jìn)行了研究，提出了濕熱地區(qū)SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)橋梁、隧道混凝土成套施工關(guān)鍵技術(shù)。

社會效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料能夠使混凝土的抗裂性至少提升50%，耐久性提升20%以上，能夠有效延長使用壽命，減少維修次數(shù)。經(jīng)計算，在公路工程混凝土全壽命周期內(nèi)至少節(jié)省材料成本19.13%?？梢?，本項目研究成果具有優(yōu)良的社會與經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。