南京长江隧道是目前中国长江上长度最长、盾构直径最大、工程难度最高、挑战性最多的公路隧道工程之一,而盾构管片在整个隧道结构中起承载和防水等重要作用,是影响其建设质量和耐久性能的重要部分。隧道管片性能演化过程均与管片混凝土本身的微观结构变化及隧道自身的环境条件息息相关。因此,如何优化具有特定养护和服役条件的管片混凝土微观结构,提高其宏观抗中性化水平的研究意义重大。　　 全文紧紧围绕隧道管片混凝土微观结构演化及抗中性化这一中心问题,结合管片自身特点及其养护和服役条件,从微观固相组成及毛细孔结构的形成入手,分析了管片混凝土微观结构形成机理,提出了基于胶凝材料水化动力学方程的微观固相组成及毛细孔结构的演化方程;建立了考虑胶凝材料水化影响的管片混凝土湿含量非线性传输模型,采用Crank-Nicolson差分方法进行了数值求解。在抗中性化方面,提出了考虑碳化反应阻滞因子影响的基于微观结构参数的管片混凝土碳化模型,分别研究拉应力水平及隧道复合酸性气体对管片混凝土抗中性化的影响规律及机理。重点研究了除CO2外的SO2及NO2气体对混凝土的中性化侵蚀机理。基于以上研究对南京长江隧道管片混凝土的长期抗中性化性水平进行了分析,总结提炼了适用于非侵蚀性水下公路隧道高耐久性管片混凝土的预测方法和制备要点。本论文所取得的主要研究结论和创新成果包括以下五个方面:　　 (1)揭示了隧道管片混凝土微观结构特征的演化规律首先根据对管片混凝土的微观特征研究,确定了50℃蒸养下管片混凝土的有效养护时间为10h～14h,完成14h蒸养后的有效水养时间为7d～14d。通过试验确定了满足有效养护条件的管片混凝土胶凝材料的水化动力学方程,提出了管片混凝土微观固相组成和毛细孔结构随水化时间的演化方程。微观固相组成及毛细孔结构的试验结果与计算结果的对比分析,表明所建立的演化方程可以很好对管片混凝土微观固相组成及毛细孔结构进行分析预测。　　 然后,建立了考虑水化耗水、扩散失水以及渗透作用的湿含量分布模型。通过计算和试验两种方式,得到了湿扩散系数与湿含量之间的关系,并进一步考虑温度和Knudsen扩散的影响,确定了管片混凝土湿含量的有效扩散系数。建立了非线性湿传输模型——Crank-Nicolso有限差分方程。对其中非线性湿扩散系数Deff(w)进行线性化处理。避免了繁琐的迭代式求解,大大简化了数值计算过程。湿含量的时空分布计算结果与试验结果的对比表明,可以采用所建立的湿含量分布模型对管片混凝土内部早期湿含量和后期湿含量的变化进行较准确的分析。　　 (2)提出了考虑碳化反应阻滞因子影响的基于微观结构参数的碳化模型根据碳化反应前后质量守恒定律,确定了碳化反应平衡常数对CO2扩散系数的影响关系(1+KCO2)。引入等效毛细孔隙率参数,建立了基于毛细孔结构参数(包括连通性、窄缩性、曲折率系数)和湿含量参数的二氧化碳有效扩散系数模型。采用有限差分的方法对管片混凝土CO2浓度的时空分布进行数值计算,并结合所建立的混凝土孔隙溶液pH值的计算公式,确定了混凝土在不同碳化龄期的碳化程度。混凝土加速碳化试验结果与数值计算结果的对比分析表明,所建立的基于微观结构参数的碳化模型可以很好对低水胶比混凝土的加速碳化深度进行分析及预测。　　 (3)揭示了隧道内部酸性气体对管片混凝土抗中性化的影响及机理根据对南京运行的公路隧道内部二氧化碳气体浓度的调查结果及所查阅的文献数据,预测了南京长江隧道运行后最恶劣的复合酸性气体浓度为:[CO2]=760ppm、[SO2]=150ug/m3、[NO2]=2000 ug/m3;研究了管片混凝土在以上恶劣复合酸性气氛条件下的加速中性化过程和不同浓度条件下单一酸性气体对混凝土的中性化速度。结果表明,复合酸性气体作用下的管片混凝土在中性化龄期内的平均中性化深度比单独CO2作用后的碳化深度高9.6％～12%;在相同浓度条件下单一SO2气体的侵蚀速度最慢,而单一NO2与CO2的中性化速度相差不大。这主要是因为SO2气体在孔隙溶液中的溶解度最高。而NO2与CO2气体的溶解度相当,并且要比SO2气体的溶解度低3-4个水量级。通过XRD和TG-DSC及E-SEM进一步分析可知,SO2的中性化过程中形成了具有膨胀作用的CaSO4·H2O和CaSO4·xH2O晶体,阻碍了SO2的进一步扩散:NO2中性化产物为几乎不具有膨胀作用的碱式硝酸钙Ca(OH)2NO3·H2O,这进一步解释了这几种酸性气体中,SO2的中性化侵蚀速度比NO2的中性化侵蚀速度慢。　　 (4)揭示了拉应力水平对管片混凝土碳化速度的影响及机理通过拉应力水平对材料层次和构件层次管片混凝土的碳化速度的影响试验,发现随着拉应力水平的增加,材料层次和构件层次的碳化速度均呈指数式升高的趋势。拉应力水平低于37.5%时,低水胶比混凝土梁和试块的碳化加速系数随拉应力水平增加而增大速度较慢,随着拉应力水平的进一步增加,碳化加速系数增大明显加速。而且材料层次的碳化速度要明显高于构件层次的碳化速度,随着拉应力水平的增加,这种差距就越明显。这说明配筋对混凝土碳化性能的影响非常明显,因此采用混凝土试件的碳化性能来分析混凝土结构碳化性能是可行的。　　 (5)预测了南京长江隧道管片混凝土的抗中性化水平,提炼了适合公路隧道的高耐久性管片混凝土的设计方法及制备要点基于前面的研究,分析了在恶劣气氛和拉应力水平条件下的管片混凝土抗中性化性能。并以该以上分析方法为基础,提炼了适用于非侵蚀水下公路隧道管片高耐久性混凝土的设计方法和制备要点。