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寒冷地区复杂的水工环境给土石坝的服役寿命带来了极大的挑战,实际服役中面板混凝土由于长期与水接触造成的溶出性侵蚀会使混凝土内部孔结构恶化,进而影响面板材料的性能。近年来,材料梯度设计理念在水泥混凝土工程中引起了越来越多的重视。该种材料既可提高混凝土的性能,又可节约成本,符合一材多用理念。本文创新性地对土石坝面板材料进行梯度设计,将保护层的超高性能混凝土和结构层的普通混凝土通过梯度设计理念结合在一起,形成梯度结构混凝土面板,并对保护层材料和梯度结构混凝土整体性能进行了相关研究。针对保护层材料需要高强、高抗溶蚀性、收缩不宜过大的特点,本文首先研究了硅灰掺量为10%、20%、30%、40%时超高性能混凝土的强度和抗溶蚀性。通过试验结果发现,随着硅灰掺量的提高,UHPC的抗压强度先增大后减小,当硅灰掺量在10%～20%之间时抗压强度达到峰值。相较于不掺硅灰,掺入硅灰后UHPC的抗折强度有了较明显的提升,提升幅度在30%～50%之间;掺入硅灰后,UHPC的抗溶蚀性也有了大幅提升。当硅灰掺量超过20%以后,在本课题试验条件下,UHPC溶蚀后几乎无质量损失,基本上不发生溶蚀现象;针对UHPC的干燥收缩,本文研究了钢纤维、减缩剂以及膨胀剂的减缩效果。发现三者均可有效降低UHPC的干燥收缩,减缩效果的顺序为膨胀剂>减缩剂>钢纤维。针对梯度结构混凝土的性能,本文通过ABAQUS有限元软件围绕其界面这一最薄弱处进行了相关研究。对于界面收缩应力,通过有限元软件根据收缩实测值计算出其界面处产生的最大应力。对于界面粘结强度,本文参考劈裂试验以及双面剪切试验进行了相应的数值分析,发现结构层与保护层间界面粘结性能随着结构层混凝土强度等级的增加而提高。针对界面在冻融作用下产生劣化的问题,本文通过ABAQUS的传热分析以及顺序热力耦合分析对冻融过程中混凝土内部的应力及损伤状态进行了模拟,并研究了结构层材料对于冻融循环作用下界面性能劣化的影响,发现冻融作用下界面性能劣化速率随着结构层强度的增加而减缓。