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水 利 学 报

2022 年 1 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 1 期

文章编号：0559-9350（2022）01-0086-13

碾压混凝土层间水分非饱和传输试验与数值分析

李明超 ，冯 达 ，张梦溪 ，邓根华 ，张俊涛 ，何殷鹏 1
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（1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350；
2. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450000）
摘要：混凝土结构遭受环境侵蚀破坏的现象普遍存在于水利工程中，非饱和水分传输是产生环境侵蚀的一个重要
因素。碾压混凝土由于自身施工特点容易出现层间、界面等薄弱面，研究非饱和水分传输行为有助于提高混凝土
耐久性能。为深入分析碾压混凝土中水分传输的特点和影响机理，采用试验和细观模拟相结合的方式，在分析初
始条件、吸水时间等水分传输影响因素外，重点分析了碾压混凝土在水分传输中的各向异性以及层间对水分传输
特性的影响。试验与模拟结果表明，碾压混凝土不同方向的水分传输特性差异较大，层间结合及其位置对混凝土
水分传输过程影响较大，为提高碾压混凝土防渗抗裂性能提供了科学依据。
关键词：碾压混凝土；层间结合；非饱和传输；细观模拟；各向异性
中图分类号：TV431 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210721

1 研究背景

碾压混凝土因其成本低、施工便捷、施工速度快、温控简单等 ［1-2］ 特点被广泛应用于水利工程，
但是大仓面碾压施工技术导致层间结合质量参差不齐，由此引发的裂缝及渗漏问题也尤为严重 ［3-4］ 。
通常情况下水利工程环境复杂恶劣，环境侵蚀会对混凝土结构造成严重的破坏，裂缝、层面等薄弱
环节尤为严重，导致混凝土结构耐久性降低，影响水工结构的正常使用，产生巨额的维护和修理费
用。环境中的侵蚀物质主要分为气态和液态两种类型，通常以水为载体，以混凝土孔隙为传输通道
侵入材料内部影响混凝土耐久性 ［5-6］ ， 因此透水性可以用来评价混凝土耐久性。研究表明，大多数混
凝土结构都处于非饱和状态 ［7-9］ 。碾压混凝土服役环境复杂，大部分坝体都处于非饱和状态。水在混
凝土材料中两种主要的传输机制为渗透和吸收，渗透是指水在压力梯度下的流动，吸收则表现为通
过毛细作用吸水 ［7-8］ 。混凝土坝存在大面积区域处于水面之上或邻近水面，此时毛细作用在水分传输
过程中占主导地位。因此探究毛细作用对碾压混凝土耐久性的影响，了解混凝土受侵蚀机理及其影
响因素，对于水工结构的安全运行和维护具有重要意义。
为探究混凝土毛细作用的影响效果和机理，研究人员进行了试验和仿真分析，取得了一系列重

要的成果。在试验分析方面，开展了初始条件、裂缝等因素对混凝土水分传输影响的系列试验。Cas⁃
［8］
tro 等 、Leech 等 ［10］ 和 Chang 等 ［11］ 通过试验分析了不同初始条件（不饱和程度、骨料体积比、水灰比、
胶凝材料等）对混凝土非饱和传输的影响，明确了各要素对非饱和传输的影响效果及程度。Bogas 等 ［12］
和 Bao 等 ［13］ 开展了裂缝对混凝土毛细吸水影响的试验研究，分析了自然裂缝、人工裂缝和离散裂缝的
不同影响。也有学者应用了一些先进的测量手段和研究方法，Abd 等 ［14］ 通过中子射线照相法研究了砖
样中的水吸附率和毛细渗透系数之间的关系，同时分析了不同密封方式对毛细作用的影响。娄亚

收稿日期：2021-08-10；网络首发时间：2021-12-24
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20211222.1651.001.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（51879185）；国家大坝安全工程技术研究中心开放基金项目（CX2019B02）
作者简介：李明超（1979-），教授，主要从事水利工程仿真与优化分析研究。E-mail：LMC@tju.edu.cn
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