微胶囊自防火隧道混凝土衬砌高温力学行为研究

混凝土结构在高温下往往出现结构性能劣化，这对于地下结构的承载力和可靠性造成了极大的威胁。针对被动式防火方法的不足，本项目提出了基于微胶囊自防火混凝土的主动式抗火新方法，通过在混凝土结构保护层中掺加自防火微胶囊，在不改变结构尺寸、不增加结构额外荷载的条件下，通过“吸热 散热 隔热”的方式，充分发挥隧道衬砌结构自身的防火能力，实现火灾热触发下的结构主动防火模式。本项目提出了以三聚氰胺、聚磷酸铵和季戊四醇为膨胀型阻燃剂的自防火微胶囊制备方法，结合高温下红外光谱分析等多种材料表征方法，深入地分析了膨胀型阻燃剂在高温下的发泡过程及其产物，对自防火微胶囊混凝土的作用机理进行了深入的研究；在此基础上，针对混凝土的微观结构及微观成份组成，在水泥浆体层次、混凝土层次及混杂纤维混凝土层次等多个层次上，建立了描述混杂纤维混凝土在高温下力学损伤特性的多尺度计算模型；并通过数值模拟方法，在结构尺度探究了混杂纤维混凝土高温下的力学特征。 2100433B

火灾是威胁隧道安全运营的主要灾害之一，火灾高温会对衬砌结构产生严重的损伤和破坏，降低其安全性。针对现有隧道衬砌防火方法的不足，本项目借鉴微胶囊自修复思想，并在对前期开展的微胶囊自修复混凝土与纤维混凝土研究工作的继承与发展的基础上，提出了微胶囊自防火隧道混凝土衬砌的新方法。拟借助火灾试验、理论分析和数值计算等手段，深入研究火灾高温下微胶囊自防火混凝土衬砌的作用机理、热传导特性、温度场分布特征与力学特性，进而建立微胶囊自防火混凝土衬砌的控制参数、温度场传播分布、力学性能退化规律的定量分析计算模型与方法；并以此为基础，最终建立微胶囊自防火隧道混凝土衬砌新方法及其配套的力学行为计算理论，以充分发挥隧道衬砌结构自身的防火能力，实现防爆裂与隔热的同步、防火与承载的协同作用以及火灾热触发下的自动防火，为解决复杂环境下地铁及越江跨海隧道衬砌结构的防火安全问题提供理论基础和新技术支撑。

目前隧道衬砌防火侧重于对结构本身损伤与力学行为的研究，而忽视了火灾高温引起衬砌外部水土压力的变化带来的软土隧道衬砌结构安全性问题。事实说明：火灾高温下软土隧道外侧土体力学行为会发生显著的变化。本研究以软黏土地层隧道为对象，通过大量的火灾试验，结合理论分析及数值计算等手段，深入研究了火灾高温下软黏土热传导特性和温度场变化规律，分析了火灾高温对软黏土力学特性的影响规律，成功揭示并描述了火灾高温导致的隧道衬砌结构外部水土压力的变化机理及规律。最后，在对隧道衬砌结构管片、接头火灾高温力学特性试验研究的基础上，基于给出的火灾高温下软土隧道结构-土体体系的力学行为及安全性的分析计算方法，对隧道衬砌结构体系的火灾安全性及各关键因素的影响规律进行了深入研究。课题研发的试验装置与设备对今后开展软黏土火灾高温力学性能试验具有较好的借鉴价值。同时，课题研究成果也为解决处于软黏土环境下的大量地铁及越江跨海隧道衬砌结构的火灾安全问题提供了基础。 2100433B

目前隧道衬砌防火侧重于对结构本身损伤与力学行为的研究，而忽视了火灾高温引起衬砌外部水土压力的变化带来的软土隧道衬砌结构安全性问题。事实说明：火灾高温下软土隧道外侧土体力学行为会发生显著的变化。本研究拟针对软黏土地层隧道，借助室内试验、理论分析及数值计算等手段：首先，深入探讨衬砌边界约束条件的火灾高温软黏土热传导特性和温度场变化规律、软黏土力学特性以及衬砌所受水土压力、弹性抗力的变化规律；其次，在上述研究成果的基础上，建立火灾高温作用下饱和区、非饱和区软黏土力学特性的描述模型、综合考虑火灾高温影响区软黏土力学特性变化及水汽化引起的附加荷载的隧道衬砌结构水土压力分布的理论与方法；最后，应用荷载-结构法，建立基于上述水土压力分布理论及考虑土体弹性抗力变化的软土隧道衬砌结构火灾安全评价方法，为解决处于软黏土环境下的大量地铁及越江跨海隧道衬砌结构的火灾安全问题提供相关计算理论与方法。

隧道结构的火灾安全性是其安全性能研究的重要课题，而衬砌材料混凝土高温力学性能的建立是进行隧道结构火灾安全分析的基础。.本项目拟通过火灾高温下隧道衬砌混凝土（自密实混凝土）的爆裂试验，探讨隧道结构混凝土的爆裂控制措施，并且结合混凝土微观结构的损伤演化过程，定量的评价隧道结构混凝土的高温爆裂机率，建立混凝土的高温爆裂模型；进而基于通过混凝土高温变形试验得到的瞬态应变、短期高温徐变、应力产生的即时应变等高温应变，以及损伤力学理论和混凝土微观结构的演化模型，构建能够考虑高温下混凝土微观结构演变的热-力-化学耦合效应的多尺度变形模型；在此基础上，通过理论分析和数值模拟，对上述模型进行验证。.项目研究旨在更为精细的描述隧道衬砌混凝土高温爆裂及力学性能的损伤规律，为探明隧道结构高温行为的演化特征和分析混凝土结构的高温性能提供依据和基础。