随着城市化进程的加快，土地资源短缺的问题日益突出，对地下空间的大规模开发已成必然趋势。由于地下混凝土结构工程所服役环境更为恶劣、服役年限更长，要求其具有高耐久性。而混凝土体积稳定性是其耐久性研究中的首要内容。针对当前对梯度结构混凝土体积稳定的研究甚少，本论文依托武汉长江隧道工程和国家“863”课题《高抗渗长寿命大管径隧道管片材料结构设计与工程应用》，开展基于体积稳定性的梯度结构混凝土的设计、研究与应用．主要工作和得到的结论如下：1、首次提出基于体积稳定性的梯度结构混凝土设计理念与方法依据毛细管张力学说、结晶膨胀机理建立体积变形物理模型；并对混凝土体积变形破坏机理进行分析，提出膨胀可调控技术、裂缝细微化与自愈合理论，并结合现有的补偿收缩机理、热稳定性机理，为制备出高体积稳定性混凝土提供理论依据；将梯度概念混凝土引入设计中，提出梯度功能结构设计原理及方法，实现保护层的防护功能，要求其具有高抗裂、自修复及致密性特点，结构层提供结构支撑功能，要求其与养护制度相匹配，从而建立梯度功能结构混凝土结构体系。2、以钙硅铝质超细粉体材料、小分子聚醚类等作为变形抑制组分，以有机混杂纤维及就地反应堵塞型修复材料作为抗裂自修复组分，通过单因素试验分析研制出一种新型的抗裂自愈合掺合料（简称：ACSH）。与等量的粉煤灰基准样（25％）进行作用效应对比分析，结果表明：①力学性能在秋季自然养护下，可使12h脱模抗折强度提高144％，抗压强度提高119％；28d抗折强度提高9％，抗压强度提高7.5％；②体积变形1d时收缩值下降67％，28d收缩降低31％及90d降低23％；在80℃沸煮箱养护14d下膨胀率下降25％；③开裂敏感性开裂时间由96h延长到121h，裂缝宽度降低50％；④自修复能力强度回复率由0.72增大到0.92，提高了25％。3、首次针对梯度结构混凝土的保护层——无细观界面过渡区水泥基复合材料进行力学性能、徐变性及收缩变形研究，并对其随龄期的发展规律进行分析如下：①弹性模量根据Mosley模型对试验结果进行回归，其弹性模量随龄期的发展规律为：E_t=E₂₈[0.40+0.19×log（t）]（t≤8）（R²=0.96264），E_t=1.019 E₂₈（t＞28）；②劈拉强度根据ACI C209对试验结果进行回归，其劈拉强度随龄期的发展规律为：f_sp=6.92t／（1.7+t） （R²=0.98374）；③早期徐变性根据ACI（1978）提出的双曲线模型试验结果进行回归，其早期徐变度随龄期的发展规律为C_t=38.7t／（6.3+t）（R²=0.98934）；④收缩变形根据ACI（1978）提出的双曲线模型对试验结果进行回归，其收缩变形随龄期的发展规律为ε=560.2t／（8.2+t） （R²=0.99561）。4、针对隧道管片混凝土常采用的蒸气养护，模拟出养护温度与水化热协同作用下混凝土内部的温度历程；并系统研究在此温度历程下材料组分对结构层中AFt稳定性的影响其结果表明：①长度变化在40℃的水环境下，早期按模拟的温度历程养护的纯水泥体系及单掺UEA补偿收缩体系在第一次快速膨胀变形稳定后的约60d再次发生明显的膨胀变形；但掺加矿物掺合料（如，矿粉），可以明显抑制后期的过度膨胀；例外，NS外加剂的掺入促进早期膨胀，后期膨胀稳定，有利于其体积稳定性。②XRD分析早期按内部温度历程养护的纯水泥体系及单掺UEA补偿收缩体系易发生钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙晶形转变；而密封后再按内部温度历程养护后，早期高温分解的钙矾石在后期降温阶段不会再次形成。掺入适量的NS外加剂可以增强钙矾石的稳定性及钝化其晶形转变的温度效应。③SEM分析掺加矿物掺合料（如，矿粉SL），生成长板状的非膨胀性钙矾石；而纯水泥体系及单掺UEA补偿收缩体系形成针棒状的膨胀性钙矾石。在降温阶段后，密封养护的纯水泥体系在孔隙中只发现卷叶状的单硫型硫铝酸钙，而未发现针棒状钙矾石。5、对制备出梯度结构混凝土（GSC）进行体积变形评价和多因素作用下的抗裂性能评价，并应用于武汉长江隧道工程①首次对梯度结构混凝土保护层和结构层体积变形的匹配性进行研究，并采用界面力学的方法对梯度结构混凝土体积变形一致性进行评价，计算结果表明，优化后的梯度结构混凝土具有良好的体积变形协调性，不会出现非一致性破坏。②由于实际工程中混凝土绝大多数是单面暴露在环境中，因此本文采用单面千燥环境来评价高压富水的地下工程混凝土失水后的收缩变形，同时采用单面地下水环境评价地下工程混凝土在高压富水后的膨胀变形。试验结果表明：与纯水泥体系比较，GSC单面干燥收缩变形28、90d下降26％和30％，单面地下水环境引起的膨胀变形44周下降74％；与掺25％的矿粉复合水泥体系相比，GSC单面干燥收缩变形28、90d分别下降12％和17％，单面地下水环境引起的膨胀变形44周下降60％。这表明FGSC可明显抑制混凝土长期体积变形，有利于其体积稳定性。③借鉴平板约束开裂法，进行稳定环境（温度30±1℃，相对湿度为50±5％，风速为2m／s）下单因素抗裂性能评价，试验结果表明：14d稳态环境下FGSC未出现可见裂缝，而掺25％矿粉的复合水泥体系6h出现0.2mm的可见裂纹；④成型尺寸比例为1∶5的管片进行地下水和温度循环共同作用下的多因素抗裂性能评价，采用超声波波速及电通量变化率来表征温度循环和地下水作用带来的微裂纹损伤度。结果表明，采用超声波波速变化率评价时，GSC体系的平均损伤程度为0.18，而25％矿粉体系混凝土为0.38：GSC体系的电通量由标养时149库仑略增加到252库仑，其平均损伤度为0.70，而25％SL体系混凝土由标养时的1267库仑增加到2728库仑，其平均损伤度为1.15。这表明GSC体系具有更好的抗裂性能。⑤采用梯度功能结构混凝土制备出1∶1管片应用于武汉长江隧道工程，其管片混凝土28d干缩率为1.95×10⁴，90d干缩率为2.45×10^-4。6、对比和分析了国内外水泥基材料体积变形测定方法，研发了一种多环境下水泥基材料体积变形在线监测仪及方法。①采用环境模拟技术来模拟所需的工程环境（温度、湿度及气体浓度，等）；②采用激光和电涡流测微技术扩大其使用范围，如：高温、高湿及尘埃环境；③采用多通路设计和自动控制方法实现在线监测及数据的自动采集，同时对多组试件进行测试，降低了测试成本，提高使用效率；④对模具进行改进，使测试过程可不需拆模，不需移动试件，可消除或减缓外界的干扰，同时避免试件成型时预埋测头的内外窜动及倾斜，从而提高测试精度；⑤此测试仪器和方法适用于玻璃、陶瓷、石材和墙体材料等的变形测试。