基于微观结构特征的混凝土动态强度提高机理试验研究

汶川地震后，高坝抗震安全性备受关注。强震时混凝土动态强度到底能达到多少？动态强度是安全评价重要且最为薄弱的环节。本课题组为小湾拱坝进行了大量的混凝土动态试验，取得了系列重要的成果。深入研究发现，成果存在通用性问题，混凝土动态强度提高机理亟需研究，机理研究宜从微观着眼，并建立了基于微观结构特征混凝土动态强度提高机理初步理论模型。本课题拟在此基础上通过试验研究，构建表征水灰比、养护条件和龄期对混凝土、水泥砂浆材料微观结构特征影响的多对数正态分布组合分布模型；构建基于微观结构特征的混凝土及其组成材料静态干强度计算模型；揭示固体材料效应（干强度+率效应）、自由水效应（毛细吸力+Stefan效应）以及惯性效应的作用机理；建立能够解释水灰比、养护条件、龄期、含水量以及不同加载速率等因素影响的混凝土动态强度微观结构机理统一模型。本课题是一项应用基础性研究，成果对大坝安全抗震具有重要的理论意义和实用价值。

混凝土材料动态强度提高机理是强震情况下结构安全评价重要且最为薄弱的环节，本项目针对此进行了系统地研究，取得下列主要成果：（1）系统地进行了混凝土及其组成材料（砂浆、骨料、界面）不同应变率抗拉、抗压试验研究，结合宏观、细观和微观层次分析了混凝土及其组成材料力学性能的率效应规律、机理以及相关性，建立了混凝土及其组成材料力学性能间的关联模型；（2）系统地进行了混凝土、砂浆在不同影响因素（加载速率、材料静态强度、水灰比、含水量、龄期、养护条件等）情况下抗拉、抗压强度试验研究，并测试相应状况下的微观孔结构特征，发现采用多对数正态分布模型能很好地反映各影响因素的共同作用，建立了可以考虑不同影响因素微观结构特征的混凝土、砂浆宏观强度计算模型；（3）系统地建立了一套以微观结构演化为基础的预测水泥基材料宏观力学性能发展的方法；（4）基于建立的微观结构水泥基材料宏观力学性能预测模型对水泥基材料的宏观力学性能（弹性模量、抗拉强度和抗压强度）进行定量计算和系统分析；（5）基于众多试验研究成果建立了考虑多种影响因素（加载速率、材料静态强度、水灰比、含水量、龄期等）水泥砂浆和混凝土动态强度（抗压、抗拉）计算模型；（6）采用改变材料密度的数值计算方法获得了定量惯性力效应分析，揭示惯性效应对材料动强度（轴拉、轴压）影响规律；（7）揭示了混凝土动态强度由固体材料效应（干强度+率效应）、自由水效应（毛细吸力+Stefan效应）以及惯性效应三部分组成机理，建立了考虑混凝土的干强度、固体材料的率效应、毛细吸力、自由水的Stefan效应以及惯性效应建立混凝土动态强度（轴拉、轴压）微观结构机理统一模型。成果为混凝土结构在强动力灾变情况下材料强度确定及结构防灾设计、评估提供了科学依据。