在不少人的概念中，建筑建得越結(jié)實，它的使用壽命就應(yīng)該越長，但人們往往會看到這樣的“悖論”——經(jīng)常有按照“百年工程”設(shè)計的建筑物在服役一段時間后,出現(xiàn)保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象。

工程結(jié)構(gòu)的服役行為和壽命與混凝土耐久性能優(yōu)劣直接相關(guān)，但困擾工程界的另一大難點(diǎn)是混凝土耐久性評價及壽命評估方法。

12位科研人員在努力15年后，終于迎來豐收的果實。

今年3月，有著70年歷史的國際材料與結(jié)構(gòu)研究實驗聯(lián)合會（RILEM），正式在全世界范圍內(nèi)發(fā)布“環(huán)境與荷載因素耦合作用下混凝土耐久性測試方法”。這個有點(diǎn)拗口的名稱，是首個獲得國際認(rèn)可的混凝土耐久性測試方法，這也是來自中國的首個混凝土耐久性推薦規(guī)范。

美國國家工程院、中國工程院、印度工程院三院院士夏蘇魯教授曾這樣評價，在環(huán)境因素和機(jī)械應(yīng)力的多因素耦合作用方面，該方法解決了具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。

中國建筑材料科學(xué)研究總院（以下簡稱建材總院）院長、RILEM技術(shù)委員會中國大陸主席姚燕說，規(guī)范提出了荷載與典型環(huán)境下混凝土的耐久性評價與壽命評估方法，這將為混凝土結(jié)構(gòu)的前期耐久性設(shè)計及后期壽命評估提供重要支撐。通俗地說，將為百年工程護(hù)航。

千億工程缺乏有效耐久性評價方法

因為結(jié)合了鋼筋與混凝土的諸多優(yōu)點(diǎn),加上造價較低, 鋼筋混凝土成為目前土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中不錯的選擇,被廣泛用于公路、橋梁、機(jī)場、軌道交通、水利設(shè)施、海洋工程等領(lǐng)域。

但從世界范圍來看，在不少環(huán)境條件下，混凝土材料并不像當(dāng)初設(shè)想的那樣耐久,一些混凝土橋梁在服役約三四十年后，出現(xiàn)了一系列影響橋梁耐久性的現(xiàn)象, 如混凝土大面積開裂、表面剝落、保護(hù)層開裂、鋼筋生銹等問題。

相關(guān)資料顯示，因混凝土耐久性問題喪失使用功能，全世界每年用于工程修復(fù)和重建費(fèi)用高達(dá)數(shù)千億美元。

隨著混凝土工程的設(shè)計理論、材料性能及施工水平的不斷進(jìn)步，工程設(shè)計壽命也不斷延長，但在惡劣的自然環(huán)境與長期存在的力學(xué)荷載的雙重考驗下，工程能否達(dá)到設(shè)計壽命，亟須建立相關(guān)的評估模型進(jìn)行預(yù)測。

客觀耐久性測試方法成業(yè)界難題

“多方一致認(rèn)同，氯鹽環(huán)境中氯離子侵蝕引起的鋼筋腐蝕和寒冷地區(qū)凍融循環(huán)作用，是造成混凝土耐久性劣化的主要因素。”建材總院博士王振地說，破壞混凝土的因素多達(dá)9類，或者更多，包括鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、碳化、化學(xué)腐蝕、干濕循環(huán)等，協(xié)同作用造成的破壞會產(chǎn)生疊加效應(yīng)，其破壞速度和程度遠(yuǎn)大于單一因素作用。但到目前為止，這種耦合作用被普遍地忽略。

基于單一環(huán)境因素的耐久性評價和壽命預(yù)測方法聽起來保守安全，但模型輸入?yún)⒘看蠖嗖捎矛F(xiàn)有規(guī)范中的建議值，缺少大量數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析；重要性能參數(shù)與混凝土實際服役時間的關(guān)聯(lián)性研究也不足，這種方法的弊端是讓混凝土結(jié)構(gòu)在服役時存在達(dá)不到設(shè)計年限、提前破壞的風(fēng)險。

比如，前些年北京西直門北立交橋改造時，包括來自建材總院的多名專家為該橋破壞原因“會診”，給出的結(jié)論之一是混凝土凍融破壞加氯鹽破壞。

王振地解釋說，混凝土凍融破壞是寒冷地區(qū)混凝土工程常見的病害之一，主要原因是混凝土孔隙中的水，在凍融循環(huán)作用下，形成凍脹壓力和滲透壓力聯(lián)合作用的疲勞應(yīng)力。當(dāng)經(jīng)過反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴(kuò)大，發(fā)展成互相連通的裂紋，最后導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度逐步降低，甚至完全喪失。

不幸的是，北京在冬天要經(jīng)歷多次凍融循環(huán)，因此建筑會開裂、剝落、缺損等，尤其冬天雪后或者結(jié)冰后撒鹽，氯鹽加劇了對混凝土工程的破壞。

要找到客觀的耐久性測試方法，需要一種新思路。

耦合研究為工程益壽延年

“我們摒棄了單一因素研究，重點(diǎn)展開多因素耦合研究。”姚燕說，這一思路的轉(zhuǎn)變也是為了更真實模擬實際服役條件下混凝土失效過程的研究。

哈齊專線松花江特大橋工程面臨的是荷載+凍融環(huán)境，這也是研究測試混凝土耐久性的典型環(huán)境之一。

有人在做實驗時，采用彈簧加壓的辦法，一次性施加預(yù)設(shè)的荷載值后放入凍融循環(huán)的環(huán)境中，但這產(chǎn)生了新問題：在大溫差下（8℃/小時），由于熱脹冷縮以及結(jié)冰等作用，施加在混凝土上的荷載會迅速下降，就算采用國外進(jìn)口的彈簧也難以保證外加荷載值的靜態(tài)穩(wěn)定，結(jié)果荷載沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值，而且具體損失了多少也沒有監(jiān)測，當(dāng)然也無法重現(xiàn)荷載+凍融環(huán)境。

姚燕和她的團(tuán)隊采用一種閉環(huán)的控制思路。

“我們設(shè)置一個監(jiān)測荷載的傳感器，當(dāng)荷載損失到預(yù)設(shè)的區(qū)間外時，中央控制系統(tǒng)會觸發(fā)荷載輸出機(jī)構(gòu)進(jìn)行荷載的補(bǔ)償或卸載，荷載損失了就補(bǔ)償，荷載超過了就卸載，最終目的就是使外加的荷載重新回到預(yù)設(shè)的區(qū)間內(nèi)，最終實現(xiàn)了外部荷載的動態(tài)穩(wěn)定，從而解決了大難題。”姚燕說。

看起來很簡單的思路轉(zhuǎn)變背后是數(shù)十年的技術(shù)積淀。

從1996年起，作為項目牽頭組織單位，建材總院承擔(dān)了多個國家科技攻關(guān)項目，對影響混凝土耐久性的主要因素，開展了大量研究。

“每一步都是新的，都是摸著石頭過河。”王振地告訴記者，研究耐久性，有想法只是第一步，之后需要建立相關(guān)的評估模型進(jìn)行預(yù)測，因為市場上買不到現(xiàn)成的設(shè)備，為了更真實地模擬實際工程混凝土應(yīng)力和腐蝕因素條件下混凝土失效過程，王振地和同事研制出荷載與典型服役環(huán)境作用下耐久性測試設(shè)備，研究混凝土劣化規(guī)律，建立壽命預(yù)測模型，以指導(dǎo)工程耐久性評估與輔助設(shè)計。

在荷載+氯鹽環(huán)境下的港珠澳大橋耐久性評價中，多因素耦合研究方法再次得到了應(yīng)用與驗證。

“我們希望通過我們的方法，把我國重點(diǎn)工程壽命延長到百年以上。”姚燕說。

本文由魯科重工轉(zhuǎn)載自中國混凝土網(wǎng)，略有增減。

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