【摘 要】
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随着筑坝技术水平的提升,水利工程建设逐渐向海拔较高、环境条件复杂的西北地区转移。然而该区域常年低温、低湿的气候条件,给水工混凝土建筑物的施工和运行带来严峻挑战。主要问题体现在:低温低湿养护条件对水工混凝土孔隙变化过程的影响规律不明晰;水工混凝土建筑物在实际运行中,会受到环境条件和外荷载的双重影响,孔隙结构与混凝土性能之间的关系不明确;水工混凝土非均质模型没有考虑实际环境条件对其参数的影响。完善上述
【基金项目】
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国家自然基金面上项目“寒旱区水工混凝土冻融损伤细观演变过程及本构模型研究”（编号: 52079109）； 西安理工大学博士创新基金“多场耦合作用下寒旱区水工混凝土开裂机理研究” （编号: 252072009）；
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随着筑坝技术水平的提升,水利工程建设逐渐向海拔较高、环境条件复杂的西北地区转移。然而该区域常年低温、低湿的气候条件,给水工混凝土建筑物的施工和运行带来严峻挑战。主要问题体现在:低温低湿养护条件对水工混凝土孔隙变化过程的影响规律不明晰;水工混凝土建筑物在实际运行中,会受到环境条件和外荷载的双重影响,孔隙结构与混凝土性能之间的关系不明确;水工混凝土非均质模型没有考虑实际环境条件对其参数的影响。完善上述问题并开展低温低湿养护下水工混凝土孔隙演变对其性能影响研究,对我国西北地区水工混凝土建筑物的规划和发展意义重大。本文采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,围绕我国西北低温低湿的气候条件对混凝土性能影响开展研究,主要内容包括:考虑不同养护条件、水胶比和养护龄期,动态观测各因素在混凝土水化硬化过程中对不同孔隙类别演变规律的影响。探讨不同养护条件下混凝土强度、孔隙结构和分形维数之间的关系。考虑混凝土强度和孔隙率的理论曲线,建立抗压强度和间接抗拉强度关系模型。对低温低湿养护条件下水工混凝土开展冻融循环试验,建立损伤程度与孔隙结构之间的关系。基于微观力学测试,确定不同养护条件下混凝土界面过渡区厚度,结合前期孔隙结构特征和冻融损伤模型,对水工混凝土冻融过程进行数值模拟,揭示低温低湿养护条件下水工混凝土冻融损伤机理。主要研究内容如下:（1）对不同养护条件下混凝土的孔隙结构进行核磁共振测试,揭示了低温低湿养护条件对水工混凝土内部孔隙结构变化过程的影响规律。考虑养护条件、养护龄期和水胶比,量化分析了混凝土试件内部孔隙结构组成和分布特征。对测试所得孔径范围进行划分,通过核磁弛豫时间与孔隙半径转换方法确定了混凝土试件在各龄期的孔隙率。结合孔隙结构测试结果和分形理论,对相应孔径范围进行拟合计算不同孔隙的分形维数,表征了水胶比和养护条件影响下混凝土内部孔隙的多重分形性。（2）以室内宏观力学试验为基础,阐明了孔隙结构对水工混凝土力学性能的影响。基于低温低湿养护条件下混凝土力学性能测试结果,并结合分形理论,研究了不同养护条件下孔隙结构和强度之间的关系。提出了不同养护条件下混凝土强度和孔隙率关系的扩展模型,明确了抗压强度和间接抗拉强度之比与孔隙率之间的关系。基于连续损伤力学理论,建立了不同养护条件下混凝土试验数据标定的Ottosen破坏准则,并结合拉、压子午线方程直观表达混凝土破坏面的变化情况。（3）基于低温低湿养护条件,建立了冻融过程中水工混凝土孔隙结构特征与损伤程度之间的关系。通过开展冻融循环试验,测试混凝土的表观损伤、质量损失率和相对动弹性模量,解释了养护条件和水胶比对混凝土抗冻性能的影响规律。对冻融循环作用下混凝土的内部孔隙参数进行量化分析,阐明了混凝土孔隙分布随冻融循环次数的演变规律。以相对动弹性模量为损伤变量确定累积损伤,结合试验结果和Boltzmann方程,构建了不同养护条件下混凝土的冻融损伤模型。（4）考虑实际环境条件对水工混凝土微观结构的影响,结合多场耦合相关理论,揭示了不同养护温湿度下水工混凝土冻融损伤机理。基于纳米压痕技术,对不同养护条件下混凝土的微观力学性能进行测试,确定了低温低湿养护下混凝土的微观力学性能及界面过渡区厚度。采用Monte Carlo方法和试验所用骨料的Fuller曲线,结合前期试验得到的混凝土孔隙率、冻融损伤模型和界面过渡区厚度,建立了包含骨料-界面过渡区-砂浆三相的混凝土二维细观模型。通过构建考虑温度-渗流-应力三场耦合作用的混凝土冻融损伤控制方程,对不同养护条件下混凝土的冻融损伤过程进行数值模拟,揭示了冻融循环过程中混凝土内部孔隙水压力、最大主应力和温度场变化规律。
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