大坝混凝土老化损伤规律及识别评价方法研究简要信息

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1、2.6大坝混凝土老化损伤规律及识别评价方法研究简要信息【获奖类型】应用一等奖【任务来源】水利部公益性行业科研专项【课题编号】200701041【课题起止时间】2007年1月～2014年11月【完成单位】中国水利水电科学研究院北京中水科海利工程技术有限公司【主要完成人】陈改新、刘艳霞、刘晨霞、孔祥芝、李曙光、王秀军、纪国晋、田军涛、李蓉、计涛立项背景混凝土坝建成后，在自身时变因素（如水泥持续水化、碱骨料反应等）和服役环境因素（如冻融循环、温度循环、干湿循环、侵蚀性离子等）的双重作用下，坝体混凝土内会逐渐产生损伤并累积，混凝土的各项物理力学性能会随着时间的推移而演变，并逐渐向不利于

2、结构物安全运行的方向演化，称为大坝混凝土的老化。统计资料表明，大坝混凝土的力学性能（如力学强度、弹性模量等）会持续增长一段时间达到峰值，然后逐渐衰减，混凝土力学性能的发展存在“上升期”和“衰减期”两个阶段。目前最常用的混凝土老化损伤评估方法是“芯样强度法”，即通过测试大坝芯样的力学性能（强度、动弹性模量等）来反映混凝土内部的老化损伤程度。该方法无法准确识别混凝土所处的“上升期”或“衰减期”，若直接应用于评价大坝混凝土的老化状态，会得出错误的结论。材料的性能取决于其组成和内部结构，混凝土的宏观物理力学性能和耐久性与其内部微结构密切相关；混凝土的老化损伤往往伴随着内部微裂纹的出现和扩展

3、。因此，对混凝土内部微裂纹特征参数进行量化表征分析，建立混凝土宏观性能与微裂纹结构特征参数之间的对应关系，是揭示混凝土损伤本质和评价混凝土老化状态的正确途径。针对引发水库大坝混凝土耐久性问题（即混凝土老化）的三大主要因素—冻融、渗漏溶蚀、碱骨料反应，通过调研、对比试验、试验资料和观测资料的统计分析，与数值分析相结合，建立大坝混凝土材料抗力随时间（环境作用）演变的37数学模型，进行大坝混凝土老化进程的分析预测，建立运行条件下大坝混凝土老化状态的诊断方法，提出抑制运行条件下水工混凝土老化的技术对策，为科学地进行已建水工混凝土结构的运行安全评价和全面加固治理提供理论依据与技术支撑。详细

4、科学技术内容（1）通过分析理想环境中混凝土材料的长期性能发展理论，调研国内外进行的混凝土材料长期暴露跟踪检测成果和大坝混凝土在实际服役环境中长时间系列的钻芯取样检测统计资料，提出大坝混凝土长期性能的演化是在内部自身因素和外部环境损伤因素共同作用下的结果，大坝内部和表层混凝土力学性能的长期演化规律是不同的，内部混凝土力学性能的长期变化规律受自身老化因素驱动，而表层混凝土力学性能的长期变化规律跟所处的环境条件密切相关，主要取决于外部环境作用与材料自身抗力之间相对大小的依时演变。（2）高频振捣对混凝土含气量、抗冻性和气泡参数影响的研究结果表明，高频振捣会引起混凝土含气量的下降和气泡间距系

5、数的增大，从而引起混凝土抗冻性能下降，建议在大坝混凝土浇筑施工时应严格控制高频振捣时间，避免过振。大坝混凝土在冻融作用下的损伤和性能衰减规律的研究结果表明，非引气混凝土在冻融作用下的力学性能衰减速率远远大于引气混凝土，引气和非引气混凝土受到冻融损伤后，劈拉、抗弯和轴拉强度下降幅度较大，抗压和弹性模量下降幅度较小。基于损伤力学理论，以动弹性模量损失为损伤量，建立了以损伤量为变量的力学性能衰减模型；利用该模型，通过对过程数据的统计分析，可以预测冻融作用下混凝土的力学性能衰减趋势，同时也可根据该模型推断大坝混凝土的耐久性状况。（3）通过研究和分析温度、碱含量、粉煤灰掺量、骨料尺寸对砂浆和

6、混凝土碱-骨料反应膨胀行为影响，初步建立了基于Arrhenius方程的碱-骨料反应膨胀预测模型，运用该模型可以通过加速试验预测在实际环境温度下碱-骨料反应的膨胀历程，评价碱-骨料反应抑制措施的有效性。研究了遭受碱-骨料反应损伤混凝土的力学性能随碱-骨料反应膨胀量的衰减规律，结果表明混凝土的劈裂抗拉强度、抗弯强度、轴向拉伸强度和极限拉伸，均随碱-骨料反应膨胀量的增大而降低，其中抗弯强度和轴向抗拉强度对损伤最敏感。基于损伤力学理论，以膨38胀量或动弹性模量损失为损伤量，建立了以损伤量为变量的力学性能衰减模型；利用该模型，通过对过程数据的统计分析，可以预测遭受碱-骨料反应损伤混凝土的力学

7、性能衰减趋势。（4）采用大尺寸试件试验，模拟研究了掺粉煤灰和火山灰大坝混凝土的渗透溶蚀和性能衰减规律。结果表明，振捣密实、养护充分的混凝土（水胶比0.64～0.68，掺合料掺量30%）在渗透过程中表现出明显的自愈特性，具有良好的抗渗透溶蚀能力；溶蚀作用下，混凝土密度降低，孔隙率增大，浆体密实度变差，抗压强度、劈拉强度和弹性模量降低，其中劈拉强度对溶蚀损伤最敏感；遭渗透溶蚀损伤混凝土的各力学性能之间的关系会发生改变，混凝土趋于变脆。（5）研究开发了混凝土真空浸染技术和常