输水工程中淡水壳菜侵蚀混凝土的机理研究

淡水壳菜附着在输水建筑物内壁会导致混凝土性能劣化,研究淡水壳菜附着规律与侵蚀混凝土的微观机理对建筑物防护对策的制定具有重要价值。本文研究了淡水壳菜在输水建筑物内部附着规律、足丝入侵机制、体长空间差异性;通过原位混凝土硬度、侵蚀深度测试,分析了淡水壳菜对混凝土物理性质的影响;基于侵蚀前后混凝土微观形貌、化学元素变化及XRD衍射图谱,解析了淡水壳菜对混凝土侵蚀的微观机理,提出了侵蚀后混凝土的物相转化机制。结果表明:淡水壳菜附着密度在渡槽内部自入口到出口呈现出衰减规律;在倒虹吸内部附着密度呈现出沿程波动特点,但总体稳定。淡水壳菜平均垂向分离力与体长呈正相关关系;淡水壳菜体长在大尺度空间上表现为“南方长,北方短”特点,相差10 mm,体长分布形式符合高斯分布。淡水壳菜长期附着下,混凝土硬度降低、侵蚀深度有所增加;微观形貌疏松多孔,Ca、Fe等元素流失;混凝土的侵蚀产物主要为二氧化硅。

长寿命水工混凝土结构材料研究进展综述

混凝土是我国水利水电工程建设的关键基础材料。然而,作为一种典型的多孔介质材料,其在水工环境下易发生离子侵蚀、产物腐蚀、基体开裂等问题,导致钢筋锈蚀、结构承载力下降,难以满足西部高原、南部沿海等地区水利水电工程长寿命设计与高质量建设的发展需求。本文首先总结了严酷环境下传统水工混凝土结构材料损伤劣化机理和面临的问题与挑战。进一步地,详细介绍了水工混凝土结构材料长寿命设计方法与性能提升材料。最后,本文展望了人工智能在水工混凝土结构材料长寿命设计与应用方面的发展前景,为国家重大水利水电工程的安全运维与长效服役提供新方法和新思路。

粗骨料最大粒径对水工混凝土变形性能及长期耐久性的影响

为研究不同粗骨料最大粒径对水工混凝土的变形影响,探明国家标准规定的骨料粒级能否满足水工混凝土的要求,依托引江济淮工程,开展了粗骨料最大粒径为31.5 mm和40.0 mm的混凝土变形试验,探究2种骨料粒级混凝土长期耐久性能演变规律。结果表明:采用最大粒径31.5 mm骨料的混凝土极限拉伸值和弹性模量略大,动态疲劳性能较好;采用最大粒径40 mm骨料的混凝土干燥收缩以及自生体积变形小;2种不同骨料最大粒径的混凝土徐变度相当;采用最大粒径31.5 mm骨料的混凝土长期抗渗性和长期抗冻性均优于采用最大粒径40 mm骨料的混凝土。因此,最大粒径31.5 mm骨料应用于水工混凝土时,能满足水工混凝土性能要求且动态疲劳寿命及耐久性更优,但需要注意混凝土开裂问题。

纤维增强微生物混凝土抗裂性能及自修复试验

为了探究纤维对微生物混凝土抗裂性能和裂缝自修复效果的改善作用,试验优选出聚丙烯腈纤维并掺入微生物混凝土中,测试掺入纤维后微生物混凝土的力学性能、自修复养护期的裂缝透水性和裂缝残余宽度。试验结果表明,当纤维掺量为1.5 kg/m^(3)时,混凝土试件的劈裂抗拉强度恢复至未加载体试件的95.1%;修复养护28 d后,平均裂缝宽度为0.43 mm的试件透水性系数由3.35×10^(-5)m/s降至3.40×10^(-6)m/s,降幅达89.9%;能够愈合的最大裂缝宽度为0.82 mm。在微生物自修复混凝土中掺入纤维可有效提高其抗裂性能,增强裂缝自修复效果。

水工混凝土矿化微生物固载及自修复试验研究

直接内掺方式制备微生物自修复混凝土会因拌合的机械挤压摩擦、生存环境受限等因素影响矿化微生物的长期活性。本文选择巴氏芽孢杆菌为矿化微生物,以膨胀珍珠岩和陶粒为微生物载体,以水泥浆和偏高岭土浆液为载体包覆材料,通过试验优选有助于微生物释放和保护的载体及其合理粒径、包覆材料,并研究微生物固载对裂缝自修复效果的影响。结果表明:掺入定量的膨胀珍珠岩的水工混凝土试样劈裂裂缝处拉裂面积比更大,作为水工混凝土微生物固载材料时较陶粒更能有效释放矿化微生物;偏高岭土浆液较水泥浆更适合作为载体的包覆材料,其包覆的微生物14 d存活率为86.63%,有效保证了固载微生物的长期活性;对微生物进行膨胀珍珠岩固载和偏高岭土浆液包覆,修复养护90d裂缝最大修复宽度为0.616mm,高于直接内掺的0.453mm,有效改善了混凝土试件的裂缝自修复效果。

大豆脲酶诱导碳酸钙固化黄河泥沙水稳定性试验研究

随着国家“交通强国”战略的提出,沿黄工程建设发展迅速,填筑用土需求剧增。黄河泥沙作为填筑材料的可行性已被证实,但其在多雨地区的服役性能需要改善,探索一种生态、高效的泥沙加固方法提高其水稳定性十分关键。本文基于酶诱导碳酸钙沉淀(EICP)技术固化黄河泥沙的方法,分别开展了常规浸水条件和干湿循环条件下固化黄河泥沙的水稳定性试验,研究了浸水后试样的质量损失及强度折损情况,分析了干湿循环对固化后黄河泥沙试样强度软化系数的影响规律。结果表明:采用EICP技术固化的黄河泥沙试样浸水崩解过程相比原状试样更加缓慢;胶结液浓度1.5 mol/L的黄河泥沙试样长期(56 d)浸水后,几乎保持完整,质量损失率仅为6.36%,强度折损率仅为6.21%;10次干湿循环后,不同胶结液浓度处理后的黄河泥沙试样均出现了不同程度的颗粒松散和脱落现象,胶结液浓度1.5 mol/L、灌浆10次的黄河泥沙试样的抗压强度损失仅为9.96%,抗干湿循环能力最强。利用EICP技术可以有效的固化黄河泥沙并提升其水稳定性,这对推进黄河泥沙的资源化利用进程十分重要。

紫外线下纳米TiO_(2)改性涂层混凝土抗碳化性能研究

为提升涂层混凝土在紫外线照射下的抗碳化性能,通过引入不同掺量金红石型纳米TiO_(2)对水泥基结晶涂层和聚氨酯涂层进行改性。结果表明:紫外线照射一定程度上会削弱涂层混凝土的抗碳化性能;使用纳米TiO_(2)改性后,两种涂层混凝土在紫外线照射下的抗碳化性能均得到了不同程度的提升,随着纳米TiO_(2)掺量的增加,两种涂层混凝土抗碳化性能均呈现先提升后降低的趋势,其中水泥基结晶涂层中纳米TiO_(2)最优掺量为2%,聚氨酯涂层中纳米TiO_(2)最优掺量为1%~2%,紫外线照射下纳米TiO_(2)对聚氨酯涂层混凝土抗碳化性能的提升最为明显。

基于孔隙分形特征的水泥基毛细吸力预测模型

为深入理解水泥基毛细吸力与含水量的关系,采用分形几何学方法和毛细管理论提出了考虑孔隙分形特征的水泥基毛细吸力预测模型。该模型通过建立分形模型参数与试样配合比的拟合关系,实现了不同配合比水泥基毛细吸力的快速预测。基于相对湿度法开展了水泥基孔径分布测量验证试验,结果表明:不同配合比(水、灰、砂)水泥基试样孔隙均具有明显分形特性,可用Menger海绵体分形模型较好描述;毛细吸力模型预测结果与验证试验测试结果的偏差主要集中在±20%以内,模型可以较为准确地预测水泥基毛细吸力与含水量的关系。

玄武岩纤维再生混凝土高温水冷损伤试验研究

为研究消防喷水灭火对纤维再生混凝土力学特性的影响,以玄武岩纤维(BF)体积掺量和历经最高温度为变化参数,共设计90个玄武岩纤维再生混凝土(BFRC)标准立方体试块,进行高温喷水冷却和抗压强度—声发射(AE)试验,探讨BF体积掺量和历经最高温度对BFRC力学性能的影响。结果表明,当温度升到1 000℃,试块表面脱落,骨料全部露出,试块的完整性遭到严重破坏;试块的剩余抗压强度在温度为200~400℃时下降趋缓,抵抗高温的效果明显;BFRC的高温喷水冷却受压损伤过程可分为初期压密与裂纹萌生阶段、裂纹扩展汇集阶段和峰后破坏阶段,各阶段的声发射振铃累计计数具有明显差异;拟合得到消防喷水灭火后BFRC抗压强度计算公式,可为评估不同BF体积掺量及历经最高温度对BFRC抗压强度的影响提供参考。

小尺寸压蒸试件的MgO水泥基材料微观结构研究

为促进MgO混凝土的推广应用,采用汞孔隙率法和扫描电子显微镜法对小尺寸压蒸试件的MgO水泥基材料(水泥砂浆和一级配混凝土砂浆)的微观结构进行了研究。结果表明:随着试件尺寸的变化,MgO水泥基材料的平均孔径由大到小的排序为微试件、小试件、标准试件;无害孔和少害孔占比由大到小的排序为标准试件、小试件、微试件;MgO掺量相同时,随着粉煤灰掺量的增大,与小试件和微试件相比,标准试件的平均孔径最小,而无害孔和少害孔占比最大。

堆石混凝土层间界面抗剪稳定力学性能试验研究

层间抗剪稳定分析是重力坝设计中的一项重要工作,是重力坝剖面设计和坝基处理设计的主要依据之一。建立在塑性力学上限定理基础上的萨尔玛(Sarma)法,为重力坝抗剪稳定分析提供一个理论基础更加严密、应用范围更广泛的方法。对比混凝土抗剪指标、分析堆石混凝土抗剪力学性能、裂缝产生及剪力传递理论,提出了堆石混凝土层间界面抗剪稳定力学性能特征,该特征能够体现出不同的破坏模式。试验数据来源于实际工程,研究结果基于实际工程堆石混凝土重力坝试验仓,可为堆石混凝土应用推广提供借鉴作用。

流变学参数表征湿喷混凝土工作性研究进展

为提高工作性对湿喷混凝土施工性能(可输送性、可喷性)的指导作用,归纳了现有各种技术规范的工作性要求,回顾了流变特性与可喷性相关性研究进展,探讨了流变性能时变机制,总结了时变模型发展现状。结果表明,坍落度无法协调可输送性与可喷性工作性需求矛盾,流变学参数应用效果优于坍落度;屈服剪切应力增加,一次喷射厚度变大,回弹率减小;塑性黏度降低,管道输送压力减小,可输送性变好,但屈服剪切应力、塑性黏度与密实度的相关性尚需深入研究;主流的流变性能时变模型为指数、对数、线性、幂函数等经验公式,应加强有物理意义的模型推导;时变预测模型缺乏有效验证手段,应重点研发速凝体系下湿喷混凝土流变性能的原位评估方法。

低强度再生混凝土微观形态与力学性能的相关性研究

建筑垃圾来源复杂,为提高再生混凝土的资源利用,并满足基本工程应用要求,在仅考虑再生骨料密度、吸水和含水率、压碎指标的条件下,采用再生粗骨料混凝土配合比设计法配置低强度再生混凝土,结合切片法和SEM扫描电镜对再生混凝土的孔隙结构变化与微观形貌进行观察,分析水胶比、减水剂、粉煤灰对低强度再生混凝土内部结构的影响,发现当水胶比降低时,再生混凝土内部结构的密实度提升,絮状C-S-H之间更为密实,多害孔的比例降低,抗压和劈裂强度提高;当减水剂掺量提升时,钙钒石(AFt)的含量增加,内部结构更为致密;粉煤灰对再生混凝土的抗压和劈裂强度呈负面影响,降低C-S-H与再生骨料之间的粘结性,内部孔隙率变大,坍落度升高,可降低经济成本。

堆石混凝土长龄期力学性能试验研究

基于实际工程的大坝堆石混凝土材料,采用切割大试件、超声回弹法、钻芯法等试验进行抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、声速值、回弹值等试验,从材料的力学性能、弹性模量、材料均匀密实性等方面进行研究,试验数据来源于经历14 a的长龄期堆石混凝土实际工程,研究结果可为堆石混凝土坝的应用推广提供借鉴作用。

聚灰比对丙乳水泥基涂层性能的影响

环氧涂层钢筋与混凝土保护层黏接力不足会引起混凝土整体结构稳定性不足,聚合物水泥基涂层与钢筋的黏接力更强。采用丙乳与P·O 52.5水泥,按不同质量比配置聚合物水泥基涂层,通过交联度测试、涂层拉拔试验、抗氯离子渗透试验及Machu试验探索聚合物与水泥质量比(聚灰比)对涂层工程性能的影响,利用扫描电子显微镜-能谱法(SEM-EDS)分析聚合物与水泥水化产物的交互作用。试验结果表明:聚灰比对涂层工程性能存在较大影响且存在最优值(22%~27%),过高或过低的聚灰比均会降低生成膜状物的强度与致密性,进而削弱其工程性能。扫描电镜结果表明:丙乳水泥基涂层提升钢筋耐腐蚀性能与工程性能的机制,可以归纳为聚合物充分交联成膜并逐渐包裹水泥水化产物形成的连续膜状物改善了涂层致密性,从而提高涂层工程性能。通过调节聚合物水泥基涂层聚灰比可制得性能较好的钢筋阻锈涂层。

基于微生物矿化的水泥基材料表面防护及裂缝修复

微生物诱导碳酸钙沉淀技术是一种比较新颖、绿色环保的混凝土修复技术。针对混凝土工程裂缝等缺陷,试验研究微生物水泥对混凝土表面及裂缝的修复防护效果。研究表明,试件表面先涂覆菌液再喷洒营养液,经多次修复后,试件表面均被沉积的碳酸钙膜层覆盖,表面裂缝也均被封闭,覆膜层坚硬、致密。试件毛细吸水系数得以大幅降低,降低率达90%以上,修复效果的表征应采用毛细吸水系数及毛细吸水系数降低率综合评价。裂缝中填入石英砂(粉)作为修复基材,经微生物水泥多次注入后抗折强度均得到了不同程度的提高,特别是缝宽3.0 mm试件修复后的抗折强度最高恢复至原基准试件的78%,抗折强度提高了74%,修复效果明显;其他缝宽试件的抗折强度恢复率为60%~68%,提高率为18%~30%,裂缝越宽,修复效果相对越好。

基于BP神经网络的胶结砂砾石应力-应变关系预测

在前期宏观试验基础之上,采用离散元模拟和BP神经网络相结合的方法获取不同胶凝材料掺量和围压下胶结砂砾石的应力-应变关系。根据前期胶凝材料掺量分别为20、40、60、80、100 kg/m3的胶结砂砾石三轴排水剪切试验结果,开展离散元数值模拟。以试验数据为学习样本,开展BP神经网络模型训练,预测胶凝材料掺量分别为30、50、70、90 kg/m3的胶结砂砾石应力-应变关系,并将预测结果和离散元模拟结果进行对比。研究结果表明,BP神经网络能够实现胶结砂砾石应力-应变关系的预测,并在较低围压下具有较好的精度。

玄武岩纤维对混凝土抗冻性能的影响

为研究玄武岩纤维掺量对混凝土抗冻性能的影响及作用机理,开展了快速冻融试验和微观孔隙试验,研究了4种不同玄武岩纤维体积掺量(0、0.1%、0.2%、0.3%)混凝土冻融循环过程中的外观、质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度、抗折强度、冲击弹性波波速损失率及气泡特征参数的变化规律,并通过灰熵分析法对玄武岩纤维改善混凝土性能的微观机理进行了研究。结果表明:混凝土各项性能随着冻融循环次数的增加而逐渐降低;掺加玄武岩纤维能够提高混凝土抗冻性能且存在最优掺量;玄武岩纤维混凝土宏观性能的改变与气孔比表面积、含气量、弦长>200 nm气孔频率等微观孔隙参数之间呈一定的相关性;玄武岩纤维掺量为0.2%时对混凝土抗冻性能的改善效果最佳。

基于修正耗散能的水工混凝土损伤分析

能量耗散是混凝土变形破坏的本质属性,以能量研究岩体和混凝土等准脆性材料的破坏是一条可行的途径。然而,现有的以能量定义损伤变量的损伤分析结果与混凝土实际的破坏演变过程并不一致。本文通过建立损伤变量与耗散能之间的新关系,认为导致混凝土损伤的并非是全部耗散能,而是其中的一部分。因此,将耗散能分为两部分,一部分是引起混凝土损伤的耗散能,另一部分是混凝土在荷载作用下功-能转化过程中的其他耗散能。通过引入损伤耗能修正系数λ,定义损伤变量,并根据实测试验曲线确定λ值,建立了损伤演化方程。针对实测试验曲线的损伤分析结果表明,采用该方法计算的损伤演化过程与试验曲线更为吻合。将该方法应用于水工混凝土规范给出的应力应变曲线,揭示了水工混凝土损伤演化过程中损伤变量和等效塑性应变的变化规律,可为开展水工混凝土的损伤分析研究提供可行的途径。

水工混凝土材料不可编辑文本智能解译方法研究

在水电工程建设过程中,产生了大量不可编辑的水工混凝土材料文档,采用人工解译的方法获取文本费时费力且精度不可控,难以满足材料数据信息化管理的需求。为此,本文提出了面向水工混凝土材料不可编辑文本的智能解译方法。首先,构建了基于像素级分割的文本检测模型HC-PSENet,融合PP-HGNet主干网络实现文本行的精确检测。进一步,基于领域知识创建专业语料库以获取字符的准确映射,以检测文本框和专业语料库为输入,建立了水工混凝土材料文本识别模型HC-CRNN,采用ResNet主干网络和改进损失函数C-CTC Loss提高字符分类准确性。最后,以自制数据集为例,引入迁移学习策略训练模型,通过消融、对比实验验证了方法的有效性和优越性。结果表明,本文提出的方法检测文本区域的调和平均数为0.985,识别文本的准确率达到90.62%,综合性能均优于经典方法,以期为混凝土材料不可编辑资源的自动化再利用提供新的技术手段。