《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）第三部分 基础设施篇《基于SAP内养护的公路工程构造物混凝土抗裂及耐久性提升关键技术研究》

完成单位：广东惠清高速公路有限公司、长安大学、广东潮汕环线高速公路有限公司

主要完成人：曹晓峰、申爱琴、赵明、郭寅川、王振龙、莫石秀、覃潇、李勇、潘正中、李鹏、陈志晖、吕政桦、李啟荣、修义军、万友元

项目简介

　　（一）项目背景

　　惠清高速公路位处珠三角与粤北山区过渡带，桥隧比接近50%。在广东省重载交通及夏季高温气候的作用下，桥隧构造物混凝土常过早出现开裂及渗水，严重时甚至导致桥梁钢筋锈蚀、隧道衬砌脱空等病害。研究表明，水泥混凝土在成型期产生的收缩微裂缝等非荷载型裂缝，是导致后续抗裂、耐久性劣化的根本原因之一。目前主要通过传统表面养护、添加外加剂等方式缓解早期收缩开裂，但分别存在养护水分渗入程度不足、与减水剂配伍性不足等弊端。

　　高吸水性聚合物（SAP）能够在水泥浆体内部湿度下降时将所蓄水分及时释放至基体中，解决常规手段对早期减缩防裂效果不佳的难题。目前，国内外对于SAP内养护混凝土的研究主要集中于基本宏观性能，在内养护适用参数、组成设计方法方面少有涉及，无法确定何种参数下的SAP能够在湿热地区充分发挥作用；其次，在多阶段收缩及阻裂性能、水分传输及水化特性及耐久性增强机理等方面鲜有报道，难以对其性能进行高效调控。

　　鉴于此，本项目对SAP内养护桥隧混凝土适用参数、水分传输及水化行为、收缩及阻裂性能、耐久性能展开研究，旨在解决省内桥隧构造物过早开裂、抗渗性能及抗腐蚀性能不足的难题，为桥隧构造物混凝土的设计、施工提供相关理论依据和技术支持。

　　（二）技术概况

　　项目基于SAP吸-释水特性，确定了水泥混凝土内养护适用参数；针对桥、隧不同部位，提出了基于系统论的分层次配合比设计方法及控制指标要求；研究了内养护水泥混凝土各阶段收缩及阻裂特性，并通过BP神经网络算法对长期抗裂性能进行了预测；探索了内养护混凝土水分传输特性及水化特征，揭示了性能增强机理；通过实体工程验证，提出了内养护桥、隧混凝土施工关键技术。

　　（三）适用范围

　　本项目成果主要应用于交通土建等道路、桥梁及隧道工程技术领域。

　　（四）获奖情况

　　本项目成果已获得2021年中国交通运输协会科学技术一等奖。

项目创新点

　　（1）基于Flory-Huggins溶胀热力学及图像处理技术，动态分析了SAP形态、溶液类型及外界环境（模拟广东湿热地区温度及湿度）、毛细负压等因素对SAP吸水-保水-释水行为的影响，并依据渗透压理论，揭示了SAP在水泥浆液中的吸水-释水机理。

　　（2）基于Powers理论，采用分层次设计理念，通过实数、区间数共存的混合型多指标灰靶决策方法结合正交分析等数学方法，深入分析了SAP材料参数及水分引入参数等对各项性能的影响规律，提出SAP内养护桥梁混凝土配合比设计方法及指标要求。

　　（3）分析了SAP对桥梁混凝土收缩调控作用，建立了桥梁混凝土干燥收缩随额外引水量、龄期变化的预测模型；明确了SAP内养护对混凝土超早龄期裂缝参数及裂缝细观形貌的影响效应，开展了环形约束条件下基于内壁应变发展的开裂风险评估。

　　（4）结合抗渗性能、抗疲劳性能及收缩性能等宏观性能测试数据，深入探索了不同层位、SAP参数及龄期下内养护桥梁混凝土的细微观形貌、水泥石-骨料界面过渡区特征及孔结构演化规律，从多方面揭示了SAP对桥梁混凝土性能的增强机理。

　　（5）依托汕湛高速惠清段高速公路建设工程，提出了南方湿热地区SAP内养护桥梁、隧道混凝土施工关键技术。

应用案例

　　项目依托汕湛高速公路惠清段建设工程，将SAP内养护技术成功应用于桥梁（桥面整体化层、湿接缝及横隔板）及隧道（二衬）混凝土中，其成型过程及效果图详见图1~图3。

　　项目组对SAP内养护剂的掺入方式、拌和时机等施工参数进行了研究，提出了湿热地区SAP内养护桥梁、隧道混凝土成套施工关键技术。

社会效益与经济效益

　　SAP内养护材料能够使混凝土的抗裂性至少提升50%，耐久性提升20%以上，能够有效延长使用寿命，减少维修次数。经计算，在公路工程混凝土全寿命周期内至少节省材料成本19.13%。可见，本项目研究成果具有优良的社会与经济效益，具有广阔的推广应用前景。