温控防裂是大体积混凝土施工质量控制的重点和难点问题。介绍了大体积混凝土温控防裂智能监控技术, 首先通过建立混凝土开裂全过程仿真试验技术实现了大体积混凝土温度历程的优化设计; 然后通过实时采集拌合、浇筑、通水、保温等环节的混凝土温度信息, 构建了以温度达标为目标的实时评价和预测模型, 实现了施工过程中混凝土温度指标的精准监控和动态预警, 并自动化、智能化地调控混凝土温度。工程应用表明, 该技术可以实现对大体积混凝土温控的优化和实时监控, 提高混凝土施工质量, 效果良好, 可在同类工程中推广。

综合采集混凝土振捣施工过程多源异构信息, 进而及时、客观地分析振捣质量, 对于保障高拱坝坝体混凝土施工质量至关重要。针对高拱坝混凝土振捣施工信息以“空-地”感知技术为主, 存在信息感知不全和数据质量有待提高的问题, 建立空天地一体化的混凝土振捣施工信息智能感知体系, 实现混凝土浇筑过程中多源、多维度、多模态施工信息的立体感知。在此基础上, 针对数值型、视频流以及图像型信息, 分别提出基于Kalman滤波的全球导航卫星系统(GNSS)定位信息降噪方法、基于改进Faster R-CNN的视频信息解析方法和基于DeblurGAN-v2的表面图像去模糊方法。以杨房沟水电站为例, 应用所提空天地一体化感知方法与技术, 实现混凝土振捣质量智能分析与监控。

钢纤维混凝土(SFRC)中钢纤维方向对其力学性能有显著影响, 楼板、地坪、路面等工程中, 竖直方向的钢纤维有害无益, 钢纤维水平随机分布最为有利。为改善钢纤维混凝土结构的力学性能, 提高钢纤维的增强效率, 通过旋转磁场对基体中的钢纤维进行调控定向, 制备出水平定向钢纤维混凝土(2D-SFRC)。测试比较了2D-SFRC和随机乱向钢纤维混凝土(RD-SFRC)的劈拉性能、棱柱体试件和圆板试件的弯曲性能, 同时利用断面纤维分布特征和声发射技术揭示了水平定向钢纤维的增强机理。结果表明, 与RD-SFRC相比, 2D-SFRC的各项力学性能显著提升。钢纤维分布统计和声发射分析表明, 2D-SFRC力学性能提高的主要原因是, 断面纤维数量增加、纤维方向有效系数提高。水平定向钢纤维混凝土具有高性能和低成本的特点, 对于提高工程质量、节约材料具有重要意义。

为了进一步认识中国西北气候环境对混凝土材料微观结构的影响, 采用纳米压痕技术对不同温湿度养护条件下混凝土的微观结构特征开展试验研究。结果表明: 从不同水化产物相的体积分数结果来看, 养护温湿度不足会使得水泥砂浆中毛细孔隙和低密度水化硅酸钙(C-S-H)凝胶含量增多。通过对不同养护条件下混凝土界面过渡区的压痕模量和硬度统计结果可知, 相比于20 ℃-95%相对湿度(RH)养护条件, 当养护条件为10 ℃-70% RH和3 ℃-50% RH时, 混凝土的界面过渡区平均厚度分别增加了5 μm和10 μm。

为了揭示Cl?傆b、SO42?傆b作用下混凝土中钢筋腐蚀机理的差异, 并为氯盐和硫酸盐侵蚀下混凝土的抗腐蚀调控提供理论基础, 研究了Cl?傆b、SO42?傆b侵蚀下混凝土孔溶液中钢筋的电化学行为差异, 并利用基于第一性原理的密度泛函理论研究了腐蚀性物质(Cl?傆b、SO42?傆b)和致钝物质(CaOH+、OH?傆b)在Fe(100)表面的竞争吸附。结果表明: 相较于含Cl?傆b的混凝土孔溶液, 钢筋在含SO42?傆b的混凝土孔溶液中的腐蚀电位和极化电阻均更低, 更易发生腐蚀; SO42?傆b对OH?傆b与铁表面反应的抑制作用略强于Cl?傆b; SO42?傆b既可促使CaOH+中Ca-OH键伸长, 又可阻碍CaOH+中OH基团与表面Fe原子间的作用, 其对CaOH+与铁表面反应的抑制作用明显强于Cl?傆b。

通常采用大量掺加辅助性胶凝材料的方式提高胶凝材料的抗Cl-渗透性能, 进而提升混凝土结构的耐久性和服役寿命, 但会显著降低早期力学性能。为提高早期强度和抗Cl-渗透性能, 基于初始浆体密堆积与水化过程孔隙有效填充, 设计细、中、粗粒度区间胶凝材料的种类和掺量, 提高浆体的初始堆积密度和水化产物固氯能力, 从而细化孔径并增大孔隙曲折度, 采用59%的水泥熟料(粒径范围4~55 μm), 成功制备了3 d抗压强度27.3 MPa、28 d Cl-扩散系数低至0.36×10-12 m2/s的高抗渗透复合胶凝材料, 为水泥基材料微结构调控和抗渗性能提升奠定基础。

高原低气压环境会影响气泡稳定性, 进而影响引气混凝土的孔结构和抗冻性。通过自建低气压搅拌装置, 研究了气压对新拌引气砂浆气孔结构的影响。结果表明: 气压降低会导致引气砂浆初始含气量降低, 气泡间距系数增大, 含气量经时损失增大, 孔结构劣化明显。低气压环境下引气砂浆孔结构劣化的主要机理是由于低气压加速了气泡体系的Ostwald熟化过程, 使得小气泡越来越小直至消失, 大气泡越来越大直至破裂, 气泡体系平均孔径增加, 加快了气泡体系的失稳速度。该研究结果对于理解低气压环境下气泡失稳机理和开发相应的稳泡技术具有指导意义。

水泥基材料具有高度的亲水性, 服役环境中的侵蚀性物质往往通过水的传输渗透到水泥基材料中, 从而导致钢筋腐蚀、混凝土碳化等耐久性问题。本工作利用具有疏水性的微生物菌体提高水泥基材料的疏水性能。研究发现熊蜂生假丝酵母和球形芽孢杆菌掺入砂浆后均可提高砂浆的疏水性能, 接触角可分别提升至122.7°和112.1°, 水滴在砂浆断裂面的扩散速率和吸收速率显著减缓, 毛细吸水最高下降39%左右。通过对内部微结构的分析初步得出菌体通过粗糙结构的构造及自身疏水性的共同作用提升了砂浆基体的疏水性能。虽然加入菌体后砂浆的流动性能和疏水性能得到提升, 然而力学性能显著下降, 这也为后续使用微生物菌体作为水泥基材料疏水剂提出新的挑战。

水泥?傆b辅助胶凝材料(SCM)/氧化石墨烯(GO)兼顾轻量化碳足迹以及延性增强等优点。SCM水化时释放的铝相在水化硅铝酸钙(C?傆bA?傆bS?傆bH)/GO中以各种形式存在。基于反应分子动力学探究了桥接相邻硅链的铝相［Al(Q2b)］与层间铝(Alinter)对于C?傆bA?傆bS?傆bH/GO力学性能的影响差异。结果发现虽然Alinter含量少于Al(Q2b), 但在体系断裂过程中能够重分配应力, 激活多层间分担荷载, 触发“复苏?傆b强化”机制进而成倍提升力学性能。通过解析Al对于界面键合网络的重组机制以及断裂过程中化学键演化, 最终解释其机理。基于本研究结果, 在水泥?傆bSCM/GO制备中如何定向调控铝相所处的化学环境将成为突破延性瓶颈的关键。

水化硅酸钙(C?傆bS?傆bH)作为水泥基胶凝材料的基因, 其结构变化对混凝土宏观性能发展至关重要。为了明确纤维素纳米晶(CNCs)在水泥中的改性机理, 采用共沉淀法制备C?傆bS?傆bH凝胶, 探讨了CNCs的形态效应及成核效应对C?傆bS?傆bH凝胶结构的影响。基于X射线衍射、透射电子显微镜、纳米压痕以及核磁共振等测试, 结果显示CNCs表面携带的羟基(-OH)可络合Ca2+, 随后与溶液中的SiO42-反应形成C?傆bS?傆bH凝胶, 包裹在CNCs周围形成致密的网络结构。CNCs为C?傆bS?傆bH凝胶的沉淀和生长提供了额外的成核位点, 促进了C?傆bS?傆bH凝胶聚合度的降低以及链长的缩短, 并且显著提升了高密度C?傆bS?傆bH凝胶的含量。