混凝土早龄期收缩变形与应力发展规律研究

Concrete crack is one of key factors to affect engineering quality and durability. With the compliction of hydraulic structure design, and the diversification of materials and the service environment, the concrete crack at early age has become increasingly severe, which influences the security and lifetime of projects. Limited by traditional test methods and techniques,it is difficult to quantitively reflect the early-age cracking of concrete. From the angle of the correlation of temperature and stress,this item investigates the occurrence, development and control of the early-age cracks of concrete. The early-age shrinkage, thermal properties and the internal stress development of concrete are also explored. The internal temperature rise and temperature stress of concrete are studied to establish the early-age tensile and creep model of concrete. With the consideration of such factors as confinements, environmental conditions, material composition and so on, the accumulated stress caused by the early-age shrinkage and temperature deformation of concrete, as well as its effect on concrete demage, are studied to establish the risk evaluation mechanism for the cracking of hydraulic mass concrete. This item provides scientific basis and technical support for the anti-cracking treatment and related design, construction and operations of modern mass concrete structure in China.

裂缝问题是影响工程质量和耐久性的关键因素之一。伴随水工结构型式复杂化、材料多元化以及服役环境多样化的发展趋势，混凝土早龄期裂缝日益严峻，严重的还会危及工程安全，缩短工程寿命。受传统试验方法与测试技术限制，难以对约束条件下混凝土早龄期裂缝发展演变规律进行量化表征。本项目从温度-应力的角度，围绕混凝土早龄期裂缝发生、发展及控制等方面，探明混凝土早龄期收缩变形特性、热学性能及内应力的发展规律，分析混凝土内部温升与温度应力的发展趋势，建立混凝土早龄期拉伸徐变模型；综合考虑约束程度、环境条件、材料组成等因素，研究混凝土早龄期收缩变形与温度变形产生的累积应力及对混凝土本身带来的损伤特征，建立了水工大体积混凝土开裂的风险评估机制，为我国现代大体积混凝土结构防裂和限裂处理以及设计、施工和运行提供科学依据和源头技术支持。

水工混凝土早龄期裂缝问题是影响工程质量和耐久性的关键因素之一。本项目围绕水工混凝土早龄期裂缝发生、发展及控制等关键技术难题，采用Horsfield模型解析了复合胶凝粉体的紧密堆积效应，论证了复合胶凝粉体具有分时段水化放热、空间结构成长的特性，揭示了多元胶凝体系的时空互补特性，提出了不同活性分体相互间水化促进机理；基于混凝土早龄期弹性模量、化学收缩、自收缩、线膨胀系数以及拉伸徐变的发展规律研究，提出了混凝土早龄期化学收缩、拉伸徐变随龄期的关系模型，探明了硅酸盐水泥矿物组成与技术指标以及掺和料品质特性对混凝土早龄期收缩开裂敏感性的影响规律，明确了高抗裂水泥混凝土用水泥、掺和料的技术要求，提出了高抗裂水工混凝土选用胶凝材料的组成匹配方法；基于温度应力试验，提出了混凝土早龄期开裂敏感性的评价方法，以早龄期累积应力比为评价参数分析了混凝土早期开裂敏感性，以开裂温度与累积应力比为指标体系，形成了混凝土早龄期开裂的风险评估机制；考虑混凝土真实服役环境特性，提出抗裂敏感性指数以评价约束区水工混凝土的抗裂性能，仿真计算表明，在约束区氧化镁膨胀剂的应用有利于增强混凝土抗裂性；应用CT断层扫描技术，发现混凝土破坏过程中，能量传递路径不断发生改变，沿薄弱区扩展，裂纹尖端应力集中达到或超过骨料极限荷载时，能量穿过骨料快速释放，部分微裂纹穿过骨料与砂浆基体连通，试件损伤过程中随着约束作用的增加，非连续裂纹相互连通，裂纹宽度不断增加，并且裂纹前端扩展途径多元化、扩展途径曲折程度不断加剧，骨料与基体的界面区仍然是裂纹拓展的主要路径。.本项目成果已应用在溪洛渡、乌东德、白鹤滩、大岗山、缅甸其培、巴基斯坦Karot 水电站等国内外重要工程，从提高混凝土抗裂性角度，在原材料品质指标控制、新型矿物掺和料开发与应用、配合比设计与优化、抗裂性能测试与开裂风险评价等方面，为这些工程成功建设提供了重要的科技支撑，提升了行业技术水平。