船闸输水廊道混凝土抗裂性能研究

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船闸输水廊道作为船闸结构中重要的组成部分,在船闸灌泄水过程中发挥了重要作用,作为典型的大体积混凝土结构,其工程病害除施工期的温度裂缝、多种原因下造成的收缩裂缝外,由于其特有的混凝土服役环境,在投入使用期间,船闸输水廊道混凝土依然有开裂的风险,故有必要对已处于服役期间的船闸输水廊道混凝土进行抗裂性能研究。本文依托广西南宁市邕宁水利枢纽工程项目,采用理论分析、试验研究以及数值模拟等方法对船闸输水廊道混凝土抗裂性能进行研究,分别探究了诱导船闸输水廊道混凝土的开裂原因、不同掺量及长度的玄武岩纤维对船闸输水廊道混凝土的力学性能与抗裂性能的影响,以及船闸输水廊道混凝土的渗透系数及廊道内水流流速对廊道混凝土裂缝的影响。主要研究内容及方法如下:(1)在理论分析部分,分析船闸输水廊道混凝土所处的服役环境以探究可能引起输水廊道混凝土混凝土开裂的潜在风险,并针对具体的风险因素讨论抗裂性优良的混凝土应该具备的性能,从而得到提高船闸输水廊道混凝土抗裂性能的措施,为实际工程提供参考。(2)在试验部分,以纤维对混凝土的增强机理为基础,在普通混凝土中掺入不同掺量及长度的玄武岩纤维混凝,分别进行了混凝土力学性能试验以及抗裂性能试验。力学性能试验内容为混凝土抗压强度试验及劈裂抗拉强度试验,在混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度以及加载所得的应力应变曲线的基础上,分析各组试件的拉压比、拉伸开裂应变、拉裂韧性,并以上述参数作为优选抗裂性能较好的混凝土材料的力学依据。试验结果表明,掺量0.2%,纤维长度18mm的玄武岩纤维混凝土的与抗裂性能相关的力学参数最优。抗裂性能试验采用圆环约束法,同样以玄武岩纤维作为研究对象,以圆环试件的开裂时间以及裂缝宽度这两个指标作为评价混凝土抗裂性能的依据。与力学性能试验结果相似,掺量0.2%,纤维长度18mm的玄武岩纤维混凝土的抗裂性能最优。(3)在数值模拟部分,建立了船闸输水廊道模型,引入初始裂缝,运用XFEM扩展有限元方法。围绕混凝土力学性能,廊道水流流速,材料的渗透系数这三个变量设置工况。数值模拟计算结果显示,在各个工况下,通过试验优选出的纤维混凝土的抗裂性能优于普通混凝土;且相较于水压力大小,船闸廊道混凝土的开裂情况对廊道内水流流速更加敏感;混凝土更低的材料渗透系数,可以抵抗水流的冲刷作用,同时降低水流对初始裂缝的渗透作用,降低水力劈裂风险,可提升混凝土的耐久性。
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