水利工程是国民经济基础设施的重要组成部分,在防洪安全、水资源合理利用、推动国民经济发展等方面具有不可替代的重要作用。由于大型水利工程规模大、技术复杂、工期较长、投资多,这对水利工程结构的耐久性要求尤为严格。水利工程混凝土结构最常见问题为裂缝、冻融破坏、钢筋锈蚀及碱骨料反应,特别是对于北方严寒地区的水工大体积混凝土,冻融破坏尤为严重。水工混凝土耐久性最薄弱部位为水位变化区,其所处的真实服役状态为应力状态下的干湿与冻融循环作用。针对上述问题研究北方地区水工混凝土的耐久性及寿命预测对于水利工程的安全及长期运行具有重要意义。针对部分水工大体积混凝土应用碱活性骨料及在水化后期易产生收缩裂缝等问题,以北方内陆及沿海地区的水工大体积混凝土为研究对象,研究了粉煤灰、轻烧氧化镁、聚丙烯纤维三种掺合料对混凝土抗压强度、干缩变形、抗冻性能及自生体积变形的影响,分析了多因素耦合作用下混凝土的抗氯离子侵蚀性能及抗冻性能,基于冻融损伤理论建立了混凝土寿命预测模型,并通过实际工程案例进行了模型验证及应用。论文主要研究内容及结论如下:（1）以轻烧氧化镁、粉煤灰和聚丙烯纤维作为掺合料,开展了掺合料类型及含量对混凝土抗压强度、干缩变形、抗冻性能及自生体积变形影响的正交实验。以合理掺量同时加入三种掺合料可提高混凝土抗压强度,补偿混凝土收缩变形,提高其抗裂性能。对应本文所用原材料,轻烧氧化镁合理掺量为1%～5%,聚丙烯纤维合理掺量为0.5kg/m3～1kg/m3,粉煤灰合理掺量为20%～40%。（2）在单掺入粉煤灰及同时掺入轻烧氧化镁和粉煤灰两种条件下制备碱活性骨料混凝土试样,对制备的试样进行了 28d至4a的加速反应,开展了上述不同掺料和反应时间的碱活性骨料混凝土抗冻及自生体积变形实验,研究了含上述两种掺合料的碱活性骨料混凝土的微观结构。研究结果表明:合理的粉煤灰掺量能有效抑制碱活性骨料的碱硅酸反应,但不会抑制轻烧氧化镁的水化自生体积膨胀,这种膨胀仍能补偿混凝土收缩作用,有效防止混凝土裂缝的产生。（3）设计了考虑区域环境特性的混凝土干湿-冻融循环耦合试验方法,研究了不同掺合料混凝土在干湿循环作用和干湿-冻融交替耦合作用下的氯离子扩散性能及氯盐环境下的混凝土冻融损伤特性。不同掺和料混凝土的抗氯离子侵蚀能力和抗冻性能均有不同。氯离子在干湿循环下的侵蚀机理为浓度梯度的扩散作用,干湿-冻融交替耦合作用下冻融损伤造成的微裂隙则为氯离子提供了渗透通道,降低了混凝土的抗氯离子侵蚀能力。氯盐侵蚀、干湿-冻融循环对混凝土造成的损伤可以通过质量损失率和相对动弹性模量的变化来体现。（4）研发了考虑压应力的冻融实验装置,研究了压应力状态下轻烧氧化镁、聚丙烯纤维对混凝土冻融损伤的影响。聚丙烯纤维能够有效提高混凝土的抗冻性,而轻烧氧化镁对混凝土的相对动弹性模量和质量损失无明显影响;当压应力比小于0.2时,压应力对混凝土的抗冻性能有益;但当压应力比大于0.6时,混凝土内部损伤裂隙发育较快,对混凝土抗冻性有明显的不利影响。该研究成果可为今后水工大体积混凝土抗冻性设计提供参考依据。（5）基于冻融损伤理论及多场耦合冻融试验研究,对Weibull分布模型进行优化改进,以水工混凝土1:1:4长方体标准抗冻试件为物理模型,得到更符合快速冻融实验标准试样的冻融损伤模型,并基于该模型提出了混凝土寿命预测方法。为解决现场取芯混凝土的初始损伤不明确的问题,提出了迭代逼近方法。基于石门水库工程运行35年和45年冻融实验数据,对所提出的寿命预测方法进行了验证,结果表明该模型能够较好的描述混凝土冻融损伤破坏过程,在此基础上对乌牛堡节制闸混凝土进行了寿命预测。