骨料影响水工全级配混凝土抗冻性的作用机理研究

Hydraulic structures in the cold region, especially in the water saturated condition, easily suffer the freeze-thaw cycles. .Current study on the frost resistance of hydraulic concrete is mainly concentrated on the small-graded concrete with aggregate size less than 30 mm. Few concerns have been taken on the frost resistance of full-graded concrete, in which coarse aggregates account for about 60%~70% and have the maximum size up to 150 mm. Because of the large distinctions between these two kinds of concrete on the material composition and size distribution, the small-graded concrete cannot actually represent the performances of full-graded concrete, affecting the safe operation of hydraulic structures. This item is to research the frost resistance of full-graded concrete. The pore distribution rules in the cement paste, the aggregate area and the interface transition zone are to be studied by tracking the evolution of the performances and the internal bubble structure of concrete with different aggregates exposed to the freeze-thaw cycles. The relationship between the aggregate characteristics and the concrete bubble parameters is to be established. The aggregate effect and size effect of the frost resistance of full-graded concrete are revealed. The dominant factors to influence the frost resistance of full-graded concrete are to be identified to put forward some control measures, providing the science basis for the design and construction of the hydraulic mass concrete structure in China.

寒冷地区的水工混凝土建筑物极易出现冻融破坏，以往针对水工混凝土抗冻性的研究，主要是从气泡参数方面研究在小级配混凝土方面（骨料粒径小于30mm），而从骨料角度对水工全级配混凝土抗冻性（骨料粒径可达150mm）的影响研究较少。由于水工全级配混凝土中骨料含量约占85%，在材料组成上与小级配混凝土有较大的差异，亟待开展相关研究。本项目通过开展不同骨料分形维数水工全级配混凝土抗冻性的试验研究，提出混凝土内部界面过渡区总体积的计算模型，探明冻融循环条件下水泥浆体区、骨料区以及界面过渡区孔隙分布的演化规律，解析骨料特征要素与混凝土内部气泡参数、界面过渡区性质之间的关系，从微观/细观角度提出混凝土冻融破坏准则，提出影响水工全级配混凝土抗冻性的骨料界面效应、尺寸效应以及架构效应，揭示骨料对水工全级配混凝土抗冻性的影响机理，为我国水工大体积混凝土结构设计、施工提供科学研究依据。

水工全级配混凝土中骨料的体积占比约85%、最大粒径可达150mm。针对水工全级配混凝土性能，以往研究主要集中在力学性能方面，而对抗冻性能研究尚不深入。本项目首先探明了冻融循环过程中骨料强度、弹性模量以及质量损失等品质的变化规律，提出了弹性模量作为骨料冻融劣化的判别依据、饱和面干吸水率作为骨料抗冻性优劣的评价指标。随后，借助CT扫描与图像分析技术，探明了冻融循环条件下水泥浆体区、骨料区以及界面过渡区孔隙分布的演化规律，界面过渡区的弹性模量及硬度较低、孔隙较大，界面过渡区范围内的水化产物数量明显少于水泥基体区，随着与界面距离的增加，元素聚集程度按Ca、Si、Al、Mg顺序依次递减；冻融后界面过渡区率先发生微裂缝；基于混凝土损伤过程的CT分析，提出了损伤变量概念。从微观结构分析，高吸水率骨料的界面过渡区具有较多的Ca(OH)2晶体和AFt晶体，且择优定向生长，降低了界面结构致密性，从而削弱了界面区的承荷能力。试验发现，全级配混凝土的抗冻性能低于湿筛混凝土，基于骨料随机分布模型，计算分析了温度冲击下骨料的影响作用，研究发现粗骨料粒径越大，因温差而引起的界面最大主应力越大，即骨料粒径越大混凝土内部骨料界面的张拉应力受温度变化的影响越大；基于分形几何理论，研究了不同分形维数下骨料对混凝土内部气泡参数以及抗冻性能的影响，发现分形维数在2.3~2.5之间，混凝土的气泡数量较多且平均孔径较小，气泡间距系数较低，其抗冻性较好。同一级配条件下，界面过渡区体积越大，混凝土抗冻性越低，基于骨料球形度与其空隙率的关系模型，建立了界面过渡区体积的计算模型。最后，结合微观测试技术和界面应力计算，提出了因冻融循环导致界面过渡区劣化和因温度冲击产生粗骨料界面应力是影响全级配混凝土抗冻性的骨料作用机理，可为我国水工大体积混凝土抗冻分区设计、材料优选提供科学支撑。