混凝土冻融作用下冻结应力演化规律及对抗冻性能的影响

为了探究严寒地区混凝土冻害机理及冻结应力对混凝土抗冻性的影响,基于大型极端气候模拟器模拟-40℃低温冻害的条件,采用研制的冻结应力测试装置对F300高抗冻等级混凝土在冻融单次降温阶段及降温-升温冻融循环两种模式下的冻结应力及抗冻性能进行研究,同时利用了环境扫描电子显微镜对冻融循环作用下的混凝土微观裂缝进行了测试研究。研究表明:-40℃单次降温过程中降温速率越快,冻结应力出现的时间越早、混凝土内部产生的冻结应力增幅也越大;冻融循环降温阶段产生的冻结应力会随降温-升温冻融作用的不断循环而累积增大,且冻结应力的发展存在转变拐点,在相同降温终了试件中心低温条件下,降温阶段的降温速率越大,冻结应力由增加转入减小的拐点出现越早;冻融过程中的冻结应力与混凝土质量损失、相对动弹性模量两个抗冻性常用评价指标有较好的对应关系;冻结应力逐步使水泥浆体产生损伤,表现为微观裂缝的生成与发展,损伤积聚产生冻害。

辉长岩骨料全级配碾压混凝土力学特性研究

辉长岩坚硬致密,具有高强度、高弹模特性,但将辉长岩骨料应用于大型水电工程在国内外尚无先例,缺乏可借鉴的工程实践经验,且湿筛碾压混凝土试件的力学性能无法真实反映全级配碾压混凝土的力学特性。对辉长岩骨料最大粒径为80 mm的全级配碾压混凝土的力学特性演化规律开展了系统研究,包括抗压强度、劈拉强度、轴压性能、轴拉性能、抗剪性能等,对比分析了全级配碾压混凝土抗压、劈拉强度及其湿筛试件的尺寸效应,并将试验结果与国内典型工程所用碾压混凝土的力学性能发展规律进行对比分析,此外还建立了辉长岩骨料全级配碾压混凝土抗压强度、劈拉强度、轴压性能、轴拉性能等力学性能-养护龄期演化函数模型。结果表明:辉长岩骨料全级配碾压混凝土的抗压强度、劈拉强度、抗剪等力学性能随龄期的发展规律符合国内同类工程碾压混凝土力学性能发展的一般规律;C_(90)20W8F100辉长岩全级配碾压混凝土试件与其湿筛试件抗压强度平均尺寸效应系数为0.80、劈拉强度平均尺寸效应系数为0.66;相关力学性能演化模型相关性高(R^(2)=0.9643~0.9992)。可见辉长岩骨料用于大型水电工程碾压混凝土坝建设具有可行性。

干热河谷气候环境对碾压混凝土性能的影响研究

采用大型步入式极端气候模拟器模拟干热河谷地区低湿度、强日照复杂气候环境,深入开展了大坝碾压混凝土力学性能、体积变形性能演化规律研究。结果表明,干热河谷气候环境对大坝三级配碾压混凝土的立方体抗压强度、轴压性能、轴拉性能等均存在较大影响,混凝土标准养护时间越短,干热河谷气候环境作用下混凝土的力学性能下降越明显;干热河谷气候环境下大坝三级配碾压混凝土的干缩变形呈双曲线模型演化规律,在干热河谷地区实施碾压混凝土工程应特别注意加强早期养护。

抗裂剂对干热环境抗冲磨混凝土性能影响研究

结合我国西南某流域干热河谷地区某大型水电工程,深入开展了高效抗裂剂对水工混凝土力学性能、变形性能和抗冲磨性能的演化规律研究。结果表明,掺加高效抗裂剂的水工混凝土,其自生体积变形和抗冲磨强度较基准组有所增加,增加量与高效抗裂剂的掺量呈正相关;单位面积上的总开裂面积、干缩率较基准组有所减少,减少量与高效抗裂剂的掺量呈正相关。从孔结构分析角度阐释了抗冲磨性能提升的细观机理。综上,高效抗裂剂对水工混凝土的抗冲磨性能有较好的改善作用。

磷渣粉对水工混凝土性能的影响

本文研究掺磷渣粉水工混凝土的强度、弹性模量、极限拉伸、干缩、绝热温升、自身体积变形等性能。结果表明:单掺磷渣粉后,水工混凝土的强度不会降低,极限拉伸值变大,绝热温升增大,干缩变形增大;与粉煤灰复掺能减小混凝土的弹性模量和自身体积变形;最后,对磷渣粉的水化机理进行了研究;总体而言,掺磷渣粉能改善水工混凝土的部分性能,有利于大坝安全。

掺聚合物纤维面板混凝土的防裂抗冻性能

严寒区面板混凝土的抗裂防冻性能对大坝的耐久性具有较大影响,本文采用平板法研究了不同聚丙烯腈纤维掺量对掺粉煤灰面板混凝土的早期抗裂性;采用冻融试验、气泡参数试验方法研究了掺聚丙烯腈纤维面板混凝土的质量损失、相对动弹性模量变化、气泡参数变化特征。研究结果表明:细短型聚丙烯腈纤维在面板混凝土内分布的平均间距约为5.98 mm,聚丙烯腈纤维的增强阻裂效果提高了面板混凝土的强度和早期抗裂性;掺入聚丙烯腈纤维后,面板混凝土的引气效果更好,且引入气泡的间距系数小于200μm,聚丙烯腈纤维弹性模量随温度降低而增大的特点,可以提高面板混凝土的抗冻性能。

降温速率对混凝土冻结应力的影响及机理研究

抗冻性是混凝土耐久性的关键指标之一,但仍没有一种冻害理论可以全面解释冻融破坏的所有问题。区别于质量损失、动弹性模量变化等常用抗冻性能表征参数,本研究从混凝土受冻过程中液-固相变产生的冻结应力入手,采用研制的冻结应力测试装置对混凝土单个降温阶段的冻结应力进行了测试表征,系统对比了强度等级C30、抗冻等级F300混凝土在-17℃、-40℃以及60℃/h、30℃/h、20℃/h、10℃/h等四种降温速率条件下的冻结应力初始生成、增长及其最终值的变化规律。试验结果表明,混凝土受冻阶段的冻结应力是可以实现测试的,降温段降温速率主要影响冻结应力的初始生成时间、增长速度;混凝土试件中心温度主要影响最终冻结应力的大小。采用冰晶体生长的热力学理论以及多孔介质材料力学理论,在静水压假说和结晶压假说的基础上,揭示了引发混凝土冻结应力的主要驱动因素,提出了冻结应力的组成及其作用机制模型,该模型可对本试验关于降温速度、最终低温影响混凝土抗冻性的机理进行解释。

胶凝砂砾石过水围堰填筑材料特性研究

大华桥水电站上游过水围堰采用坝址区附近河床天然砂砾石及工程开挖弃渣料作为骨料配制胶凝砂砾石材料,骨料最大粒径250mm。针对河床天然砂砾料含砂量波动大、含泥量较高的特点,系统研究了20%~35%含砂量范围内,胶凝砂砾石材料水胶比、单位用水量、砂率、28d抗压强度之间的关系,并提出了满足材料性能设计要求的水胶比、单位用水量等关键配合比参数控制范围。基于现场碾压工艺试验,提出了250mm大粒径胶凝砂砾石材料碾压施工关键工艺参数。

辉长岩骨料全级配碾压混凝土变形性能研究

为了探讨辉长岩骨料应用于全级配碾压混凝土的变形特性,开展了辉长岩全级配碾压混凝土大试件的变形性能(极限拉伸变形、干缩变形、自生体积变形、徐变变形)试验,对变形性能随养护龄期的发展规律以及演变模型进行了研究。研究结果表明:辉长岩骨料全级配碾压混凝土长龄期极限拉伸值在60με~70με范围,极限拉伸值发展率的演变规律符合对数模型;1年期干缩变形处于300με~350με范围,干缩发展率与养护龄期呈对数相关性;1年期自生体积变形值小于-10με,自生体积变形属收缩型,变形值较低;徐变水平与同类工程碾压混凝土相比较低,各龄期下徐变度发展规律符合双曲线发展模型。

高强度再生混凝土的开发研究

本文利用当地原材料及配制高强混凝土的常用工艺对高强度再生混凝土的开发进行了探讨,成功配制出了强度达到60MPa的再生混凝土,并且应用数理统计的方法分析了再生骨料取代率与再生混凝土强度的关系,使再生混凝土的高强化成为可能,具有明显的环境效益和经济效益。

气候变化条件下水工混凝土的抗冻性能

为了提高气候变化条件下水工混凝土的抗冻耐久性,采用自制的气候模拟系统,设定了-5℃、-10℃、-17℃、-30℃、-40℃等5个冻融过程降温终了混凝土试件中心温度,研究冻融温度对F50、F100、F300等3种抗冻设计等级水工混凝土的质量损失、动弹性模量的影响。试验结果表明:随着冻融过程中降温终了试件中心温度的降低,F50、F100、F300等3种抗冻设计等级的水工混凝土的质量损失、动弹性模量损失逐渐增大,水工混凝土能经受的最大冻融循环次数也逐渐减少。降低冻融过程中混凝土试件的中心温度可引起水工混凝土抗冻耐久性的降低。

磷渣粉颗粒分布对水泥胶凝体系力学性能的影响

采用激光粒度仪对比表面积分别为340m^2/kg、420m^2/kg、500m^2/kg的磷渣粉颗粒粒度分布特征进行了分析,在此基础上运用灰色关联理论研究了磷渣粉颗粒分布与水泥胶凝体系3d、28d、180d力学性能的内在关联。结果表明:不同比表面积的磷渣粉具有不同的颗粒群粒度分布特征,磷渣粉颗粒分布中粒径大于20μm颗粒与水泥胶凝体系3d、28d抗折强度负关联、与180d抗折强度正关联;粒径小于20μm的磷渣粉颗粒对水泥胶凝体体系各龄期抗压强度均有促进作用,其中1~3μm的颗粒对3d抗压强度促进作用最显著、10~20μm的颗粒对28d、180d抗压强度发展促进显著。

极端低温对水泥基材料的影响

在气候变化引起的极端低温条件下,水泥基材料的性能变化直接影响水工混凝土的性能。本文以不同含水条件的水泥基材料为研究对象,在-60℃极端低温条件下,对水泥基材料的质量损失、相对动弹模变化、抗折强度、抗压强度、冻胀变形、孔隙率和平均孔径等参数进行了试验研究。研究结果表明,-60℃极端低温冻融作用使水泥基材料的力学性能下降、轴向冻胀率变大、孔隙率增大、平均孔径变大。并揭示了受冻前后水泥基材料含水条件对其抗冻性、力学性能、冻胀变形和微观孔结构等性能的影响规律。

构皮滩电站拱坝抗冲磨混凝土研究

研究了构皮滩水电站拱坝掺磷矿渣粉抗冲磨混凝土的配合比设计,对掺磷矿渣粉混凝土的力学性能、抗冲磨性能、抗冻性能、抗渗性能等进行了试验研究。通过大量试验,从强度、抗渗等角度考虑,抗冲磨混凝土可选用0.3的水胶比;采用超塑化剂、引气剂、磷矿渣粉、硅粉、聚丙烯纤维复掺的方法,所配制的抗冲磨混凝土的工作性能良好、含气量为4.7%、强度等级达到C502、8 d极限拉伸值达97×10-6、90 d抗渗等级大于W12、90 d抗冻等级达到F200。试验结果说明,配制的抗冲磨混凝土的各项性能指标均满足设计要求,能用于构皮滩电站拱坝工程建设。

中国碾压混凝土拱坝材料特性研究

通过对碾压混凝土原材料、配合比、技术性能三方面的研究结果表明,中国拱坝碾压混凝土具有水泥用量少、粉煤灰掺量高、胶凝材料用量适中、绝热温升低、抗裂性好等特性;对比沙牌拱坝碾压混凝土,高抗裂碾压混凝土强度提高、弹性模量下降、弹强比减小、极限拉伸值提高,表现出极好的抗裂性能。

SL新型复合掺合料研究

SL新型复合掺合料主要由磨细矿渣粉和石灰石粉复合而成。开展了SL新型复合掺合料对胶砂强度影响的研究;并采用扫描电子显微镜、压汞测孔等现代测试技术对SL新型复合掺合料及其净浆水化产物的微观形貌、孔结构参数等进行了研究,并与粉煤灰的相应性能进行了对比。

再生骨料对再生混凝土强度的影响研究

骨料的性能对混凝土的强度起着重要作用，而由于再生骨料的一些缺陷使得再生混凝土的强度问题尤其突出。本文应用数理统计的方法分析了再生骨料取代率与再生混凝土强度的关系，结果表明再生骨料的取代率与再生混凝土的抗压强度呈线性关系、与再生混凝土的抗拉强度呈非线性关系。

磷渣粉石灰石粉复合掺合料及其混凝土的性能试验

为了研究磷渣粉、石灰石粉复合掺合料(PL掺合料)替代粉煤灰的可行性,测试了磷渣粉和石灰石粉、Ⅱ级粉煤灰等材料的基本性能,对比分析了其水泥浆体的微观形貌,测试了不同掺合料大坝混凝土的力学、耐久、变形性能。通过PL掺合料混凝土与粉煤灰混凝土的性能对比试验,结果表明PL掺合料在微观结构和宏观性能方面综合优于Ⅱ级粉煤灰,尤其是其长龄期的抗压强度、极限拉伸值等性能;PL掺合料成本低廉,具有较高的技术经济效益和社会效益,在缺乏优质粉煤灰的西南地区,可以替代粉煤灰作为大坝混凝土的掺合料。

白云岩石粉在复合胶凝体系内的水化特性研究

采用X射线衍射、扫描电子显微镜研究了白云岩石粉在普硅硅酸盐水泥胶凝体系中的水化特性和水化产物。结果表明:白云石粉的掺入会降低复合胶凝体系的强度,且掺量越高,强度下降越显著;白云岩石粉不具备可被碱激发的水化活性,水化早期复合胶凝体系的水化产物为Ca(OH)2、II型C-S-H凝胶、以及未水化石粉颗粒为主,水化后期仍可观测较多的未水化白云岩石粉颗粒,整个体系水化产物致密程度较水化早期提高。

PL复合掺合料对骨料碱活性的抑制及孔溶液分析

磷渣粉/石灰石粉复合掺合料(简称PL掺合料)作为替代粉煤灰的一种新型掺合料,其主要物理力学性能与粉煤灰接近,但其对于混凝土骨料的碱活性抑制效果尚需进一步研究。本工作采用石英砂作为活性骨料,在保证有效碱含量相同的前提下,对比了水泥、水泥+粉煤灰、水泥+PL掺合料等砂浆试件的砂浆棒膨胀率,并对38℃水养条件下长龄期试件的孔溶液进行跟踪测量。结果表明,合适掺量的PL掺合料可有效抑制砂浆膨胀率,并显著降低活性骨料浆体孔溶液中碱离子浓度及pH值,从而达到抑制碱骨料反应的效果。