骨料特性对水工混凝土收缩行为的影响机制研究

传统观念认为混凝土的收缩来自于胶凝材料，而骨料特性的影响未引起足够的重视。水工混凝土中的骨料粒径大、用量比例高，不同的骨料特性直接影响混凝土的收缩行为及抗裂性。本项目通过优选量化骨料特性的多种特征参数，解析骨料特性对水工混凝土收缩行为的影响规律，建立基于骨料特性的水工混凝土收缩计算模型。基于TST平台，追踪约束条件下混凝土的收缩应力和裂缝发展历程，优化及验证计算模型的可靠性，并提出不同骨料特性的水工混凝土收缩开裂敏感性评价指标。项目全面揭示骨料特性对水工混凝土收缩行为的影响机制，为水工混凝土的配合比设计提供参考，指导水电工程合理选择骨料的料场，及采取相应的水工结构防裂抗裂预案措施。

项目全面完成了计划书的各项内容。首先分析水工混凝土用人工骨料特征参数，对比骨料品种对等强度水工混凝土性能及对水泥基材料干缩变形的影响，分析不同骨料大坝混凝土的气孔结构，微观测试不同骨料混凝土界面结构，有限元计算基于骨料特性的水工混凝土收缩变形，最后TST直观验证不同骨料混凝土抗裂性能。.研究结果首次明确骨料吸水过程是长期的，24h之前速率快，后期增长缓慢；常规测试结果为花岗岩、玄武岩、灰岩、砂岩及大理岩的24h吸水率分别仅为1年的81%、53%、76%、64%及84%，砂岩骨料的吸水率最高，但玄武岩骨料的后期增长显著。自制广口瓶浸泡装置（测试骨料长期吸水率）和骨料压力吸水装置（测试骨料压力吸水率），骨料压力吸水率最高，常规测试结果次之，广口瓶浸泡测试值最低。原岩形成过程中，如内部存在大量细小毛细孔隙，那么骨料吸水率就会较大，吸水过程较漫长，使砂浆不断失去水分，导致混凝土收缩变形增大。同强度等级时，灰岩骨料混凝土的抗拉强度最大、干缩较低、热物理性能好，白云岩骨料混凝土也较理想，但玄武岩混凝土弹模高、变形大、热物理性能不佳，不利于大坝混凝土的体积稳定性。配合比一定时，不同骨料品种的水泥基试件干缩率顺序为：砂岩＞玄武岩≈花岗岩＞灰岩，高收缩率不利于大坝混凝土防裂抗裂。混凝土与水泥砂浆干缩有良好的线性关系，而混凝土与水泥净浆收缩率的关系式为：SC=SP×0.267n， n值介于1.2与1.7之间。灰岩骨料混凝土气泡数量最多、间距系数最小，砂岩骨料混凝土的规律相反。不同骨料混凝土界面的水化产物形态基本类似，但水化产物数量、尺寸和生长发育特性有所不同。混凝土内各元素分布具有非连续性和不均匀性。骨料-浆体界面Ca元素富集程度由大到小为：砂岩＞玄武岩＞灰岩，界面过渡区厚度由大到小为：砂岩＞灰岩＞玄武岩。骨料化学属性及物理性能（如长期吸水率）影响Ca（OH）2的富集。骨料品种不同，混凝土界面过渡区元素分布、沿路径变化规律，以及区域厚度均存在差异。混凝土力学特性和收缩行为是骨料原岩形成过程、孔隙结构、长期吸水性以及颗粒特性等多种因素影响结果。首次建立引入骨料长期吸水特性的混凝土干缩有限元计算模型，计算对比不同骨料品种的混凝土干缩应变，验证实测结果及理论分析。TST开裂温度真实评价混凝土早期开裂敏感性，直观验证对比不同骨料混凝土的抗裂性。