温降速率对水工混凝土冻结应力的影响及冰冻损伤模型研究

Hydraulic concrete as one of the important core building material of water conservancy construction. Frost resistance of hydraulic concrete not only is an important durability indicator, but also is the most sensitive and vulnerable to temperature change caused by climate change. In the process of taking NSFC Youth Fund, the applicant found that the cooling stage temperature drop rate of freezing-thawing experiment also exist considerable influence on frost resistance of hydraulic concrete. And this kind of influence mechanism does not fully comply with the static water pressure and osmotic pressure freezing injury mechanism. Therefore, four differents temperature drop rate will be designed according to the hydraulic concrete antifreeze design status and the lowest possible temperature condition within different climatic zones of China. The study about the effects of temperature drop rate on freezing stress of concrete and the freezing damage model will be conducted by using GDJS-800 climate simulation system. The scientific issues about the evolution law of freezing stress under different temperature drop rate and the relationship between frost durability and freezing stress will be revealed after this study. And a microscopic internal stress based freezing damage model will be established. This study has important theoretical and practical significance on enrichment and development of freezing-thawing damage mechanism of hydraulic concrete, and helpful to improve the frost resistance durability of hydraulic concrete of China.

水工混凝土作为水利工程建设最核心的建筑材料之一，抗冻性既是其耐久性重要指标，又对气候变化引发的温度变化最为敏感与脆弱。申请者承担青年基金研究时发现，除冻融温度外，冻融降温阶段的温降速率对混凝土抗冻性也存在较大影响，且其影响机制不完全符合静水压或渗透压冻害机理。因此，本项目从混凝土冻结结晶压引发的内应力及微观结构角度入手，根据我国不同气候分区内水工混凝土抗冻设计现状，及可能出现的冻融最低温度条件，基于GDJS-800型气候模拟系统，针对性设计了四种温降速率，采用冻结应力实测数据与计算机建模相结合的技术手段，研究温降速率对混凝土冻结应力的影响及冰冻损伤破坏模型，揭示冻结应力随温降速率的演变规律以及冻结应力与混凝土最终抗冻性间内在关系这一科学问题，建立基于微观结构冻结内应力的冰冻损伤模型。研究成果对丰富与发展混凝土冻融破坏机理、提高我国主要气候分区内水工混凝土抗冻耐久性具有重要理论及实际意义。

水工混凝土作为水利水电工程建设最核心的建筑材料之一，抗冻性既是其耐久性重要指标，又对气候变化引发的温度变化最为敏感与脆弱。前期研究发现，除冻融温度外，冻结降温阶段的温降速率对混凝土抗冻性也存在较大影响，且其影响机制不完全符合静水压或渗透压冻害机理。因此，本项目从根据我国不同气候分区内水工混凝土抗冻设计现状，及可能出现的冻结最低温度条件，基于大型步入式极端气候模拟系统，设计了4种不同低温条件及4种温降速率，系统研究了温降速率对混凝土冻结应力的影响及其冻害机理。研究结果表明，混凝土冻结过程中会产生冻结应力，且冻结应力是可以实现测试的；冻结过程中降温段的降温速率主要影响冻结应力的初始生成时间及其增长速度，而最终的中心低温条件则影响冻结应力的大小；随着冻结次数的增加，冻结应力呈阶梯状逐步增大，并最终达到一个应力峰值，随后冻结应力随着冻结次数的继续增加由峰值转入阶梯状下降阶段；混凝土的冻结应力主要由过冷水在孔内迁移产生的静水压力，降温过程形成的冰晶体在孔内相互挤压、移动产生的结晶压力以及孔壁施加的抵抗冰晶体生长的孔壁压力组成。本项目系统研究了不同温降速率条件下，孔隙内部冻结内应力的变化，揭示了混凝土冻结应力随温降速率的演变规律以及冻结应力与混凝土最终抗冻耐久性内在关系这一科学问题；基于热力学理论与多孔介质材料力学理论，分析研究了冻结过程水-冰相变转换时混凝土冻结应力的主要驱动因素，分析了冻结应力的组成，在此基础上推导了冻结过程中水泥浆体冻结内应力的计算公式，提出了基于孔隙内相变过程冻结内应力的混凝土冻结破坏模型。研究成果为结晶压假说提供了试验数据支撑，对静水压理论进行了补充，进一步丰富与完善了混凝土冻害机理，对建立基于多尺度方法的混凝土抗冻耐久性和服役寿命预测模型等具有重要的理论意义，对提高我国主要气候分区内水工混凝土建筑物的抗冻耐久性具有重要的实际意义与应用前景。