第 1 章 引言
1.1 研究背景及意义
1927 年东京，1929 年芝加哥，1935 年莫斯科，1965 年中国相继建造地铁，在地下隧道工程方面开拓道路。地铁作为地下建筑结构的一种，与地上结构不同，既要承受结构自重，又要承受地层压力，包括土压力和围岩压力[1]。围岩压力是指地下洞室开挖后，破坏了围岩中的原始应力平衡，使应力重新分布，从而造成围岩变形。如对发生变形的围岩及时进行围护或衬砌，防止围岩继续变形和塌落，则围岩对衬砌结构就要产生压力，此为围岩压力；上部和下部都有，下部主要是受水膨胀[2]。
地下结构比较多的采用衬砌结构进行围护，衬砌裂损病害类型主要有渗漏水、掉块脱落、拱部开裂、隧道衬砌厚度不足甚至有衬砌空洞等。这些病害的存在会影响建筑本身的质量，影响建筑的使用安全，缩短建筑结构的维护周期和使用寿命，增加建筑维修的成本[3]。美国有学者针对钢筋混凝土工程的耐久性问题，提出过“五倍定律”，认为新建项目的钢筋防护，每节省 1 美元，钢筋锈蚀加固就得多支出 5 美元，混凝土开裂再进行维修需多支出 25 美元，破坏严重时维护费用高达 125 美元。因此，特别是地下衬砌裂损的问题日益受到人们的关注，地下混凝土结构病害的预防整治具有了很强的紧迫性和必要性。
地下水中往往不是一种腐蚀介质作用于地下结构。在我国的东部近海地区，海水中不仅氯离子含量很高，硫酸根等腐蚀性离子也很多[4,5]，因此越江、越海以及靠近海相的地下结构不仅要考虑氯离子的腐蚀作用，还要考虑氯离子、硫酸根离子等共同作用下地下结构混凝土的损伤情况；西南地区[6]、西部盐湖地区[7,8]，地下混凝土衬砌面临的腐蚀环境中除了有硫酸盐，还有大量的氯化钠。在这种双因素侵蚀作用下，不仅会出现混凝土损伤，还会使钢筋发生锈蚀，两种离子在混凝土内的传输以及物理化学反应可能存在相互影响，离子侵蚀造成的混凝土膨胀损伤和钢筋锈蚀会导致混凝土产生内部应力和裂缝，因而研究氯离子和硫酸根离子联合作用引起的地下结构劣化具有十分重要的意义。
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1.2 粉煤灰的研究
1.2.1 粉煤灰与渗透性
粉煤灰作为一种矿物掺合料用于混凝土的制作中，不仅可以减少水泥用量，减少生产水泥过程中的大气污染[19]，而且有很多优势改善混凝土的性能。1988 年双掺粉煤灰混凝土[20,21]应用于厦门高集海峡大桥下部结构，不仅提高了混凝土耐久性，还取得了很大的经济效益。厦门大桥运行至今，状态良好。很多学者[22,23]研究粉煤灰在混凝土中对渗透性的作用，多种矿物掺合料分析研究表明，粉煤灰在改善混凝土抗渗透性方面效果最好[24]。
混凝土渗透性的研究内容包括水渗透性、盐渗透性。影响混凝土渗透性的因素有很多，包括水胶比、粉煤灰掺量、混凝土的成型过程养护方式和腐蚀龄期等。
（1）粉煤灰与氯离子渗透性
赵铁军[24]认为随着水胶比的增加，各混凝土的渗透性有降低趋势；掺矿渣或粉煤灰后，混凝土的渗透性降低了，且掺粉煤灰比掺矿渣降低的幅度大，也有学者[25]认为矿渣硅酸盐水泥的泌水性大，抗渗性能差；随着龄期的延长，混凝土的渗透性继续降低，其中粉煤灰混凝土尤其显著，突出了粉煤灰在改善混凝土的抗渗性方面的重要作用，主要侧重粉煤灰掺量大小对混凝土抗氯离子渗透性的影响。影响氯离子在混凝土中的渗透性的内在因素主要包括孔径大小、孔隙率和孔结构连通程度[26]，外界因素是结构使用的恶劣环境。Byung[27]认为粉煤灰的掺入减小了混凝土中氯离子的扩散系数，降低了氯离子的侵入浓度。Mehta[28]认为孔径大小超过 132nm 对混凝土渗透性影响很大。
（2）粉煤灰掺量与渗透性
粉煤灰掺量改善混凝土渗透性的合适区间受到多种因素影响，包括粉煤灰的品种、混凝土的强度等级、混凝土的使用环境等。林旭健[29]研究了 C30-C50 混凝土，Ⅰ级或Ⅲ级粉煤灰，认为粉煤灰掺量达到 30%时，C30 和 C40 混凝土抗氯离子渗透的能力最佳；而强度达到 C50，混凝土的抗氯离子渗透能力最佳是粉煤灰掺量为 40%时，Ⅰ级或Ⅲ级粉煤灰均是这样。
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第 2 章 试验材料和方法
2.1 试验材料
2.1.1 砂的选择
使用镇江产河砂，如图 2.1，取 1000g 砂放入烘箱中进行烘干，测得烘干后质量为976.23g，可知砂含水率为 2.43%，含泥量小于 1.5%，泥块含量小于 0.5%。对砂进行过筛余量分析，可得累计筛余量折线如图 2.2，红色折线为测得的累计筛余结果，正好落在Ⅱ区 1 和Ⅱ区 2（两条黑实线）边界范围内。根据筛分结果计算河砂的细度模数得 2.63，可知该河砂为Ⅱ区中砂，颗粒级配良好，符合试验要求。
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2.2 混凝土配合比设计
由于采用粉煤灰作为外加剂，会对砂浆强度造成影响，混凝土的坍落度会发生变化，一定程度上加入粉煤灰相当于多加了水，所以水灰比也会由此变化，需要调整用水量。
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3.1 概述 ................................... 21
3.2 试验研究方案 ............................... 22
第 4 章 地下粉煤灰混凝土性能研究 ...................................... 35
4.1 试验方案 ................................. 35
4.1.1 试验目的 .................................. 35
4.1.2 试件制作 ........................ 35
第 5 章 地下粉煤灰混凝土抗腐蚀性能研究 .................................... 57
5.1 概述 ............................. 57
5.2 试验方案 ............................ 57
第 5 章 地下粉煤灰混凝土抗腐蚀性能研究
5.1腐蚀后地下粉煤灰混凝土强度分析
5.1.1抗压强度检测值
5.1.2 腐蚀两个月（60d）时各试验分组地下粉煤灰混凝土强度变化
掺 30%粉煤灰混凝土试块保湿养护 28 天，其强度平均值为 31.3MPa。
（1）浸泡 2 个月后，A（Water 清水）中粉煤灰混凝土试块强度为 32.4MPa，相较 28 天强度，增加了 3.51%，说明粉煤灰在 28 天后，发挥火山灰效应，从简单的填充作用变成胶凝结合，促进混凝土的密实度增加。
（2）浸泡 2 个月后，B（10%Na2SO4）溶液中粉煤灰混凝土试块强度增加了 5.75%，硫元素对粉煤灰的活性作用发挥有促进作用，所以强度略有增加；同时，硫酸盐侵蚀粉煤灰混凝土初期，生成的腐蚀产物会填充部分孔隙，使混凝土更密实。
（3）浸泡 2 个月后，C（10%Na2SO4、5%Na Cl）溶液中粉煤灰混凝土试块强度减少了 3.93%，比 B 组强度低，可以发现，氯盐在一定程度上可以减弱硫酸盐的腐蚀作用，使粉煤灰的火山灰活性作用减弱，比未有盐侵蚀的混凝土试块强度略低，但下降幅度不大。
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结论与展望
主要结论
本文以地下混凝土腐蚀破坏为背景，选择粉煤灰作为掺合料，研究改善“渗流-应力场”、硫酸盐和氯盐作用下混凝土性能的最佳粉煤灰掺量。在最佳粉煤灰掺量下，基于正交试验设计，研究水头差、腐蚀时间、荷载对地下粉煤灰混凝土的力学性能的影响，并分析微观机理；研究单侧腐蚀下硫酸盐和氯盐在粉煤灰混凝土中的传输机理和规律，主要结论如下：
（1）粉煤灰最佳掺量：“渗流-应力场”、硫酸盐和氯盐双因素耦合作用下，
30%粉煤灰掺量混凝土的密实度最高；30%粉煤灰掺量混凝土的抗压强度最大；微观分析下，粉煤灰掺量为 30%时，结构最致密，针状腐蚀产物几乎看不到。所以，粉煤灰混凝土的最佳掺量为 30%。
（2）表观现象：渗透水压会明显加速粉煤灰混凝土的腐蚀破坏，破坏时腐蚀断面呈现发青发黑现象，粗骨料与胶凝材料之间出现裂缝，但粉煤灰的加入可以延缓这种破坏作用。单侧腐蚀液面以下时浸泡区，液面以上是吸附区。纯硫酸盐腐蚀吸附区白色盐结晶穿透石蜡保护层，并不断积累，且试块底面边角掉落破坏。纯氯盐腐蚀析出晶体很少。
（3）正交试验：选取水头差、荷载、粉煤灰掺量、腐蚀时间四个变量设计正交试验，极差分析和方差分析结果表明：“渗流-应力场”、硫酸盐和氯盐复合作用下，水头差的渗流侵蚀影响最大，降低粉煤灰混凝土的密实度，较快减少抗压强度；腐蚀时间对粉煤灰混凝土的影响次之。
参考文献（略）