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混凝土耐久性评价和寿命预测方法取得重大突破

发布时间:2019-09-09    字号:【

    混凝土结构在全世界的土建工程中都占绝对主导地位,约占80%~90%。混凝土结构的耐久性是指其在环境作用下能够长期维持所需功能的能力,关系到工程的安全运营和服役寿命。与结构安全性相比,土木工程的结构耐久性问题更为突出,因耐久性不足带来的庞大维修费用在世界范围内都十分惊人。其中,氯盐侵蚀是引起钢筋锈蚀、混凝土结构破坏的最主要原因,因氯盐侵蚀产生的耐久性问题占比超过60%。耐久性直接关系到混凝土结构的服役寿命和安全性,是当今最受关注的混凝土材料性能之一,国内外学者进行了长期、大量的研发工作,取得一些效果,但预测和提高混凝土耐久性,仍是国际工程界的一大难题。

??混凝土结构无一不是在荷载和特定环境下服役的,研究表明,混凝土在服役荷载与环境因素耦合作用下的耐久性问题远比单一环境因素作用下严重。海洋环境中,氯离子极易通过渗透、扩散作用穿过混凝土保护层引发钢筋锈蚀,造成海工建筑物和结构物失效,涉及跨海大桥、港口码头、海底隧道、海上石油钻井平台等。实际工程中的混凝土材料处于应力场、浓度场、温度场等多场耦合环境作用下。深析已有损毁工程发现,因缺少相应的检测方法与设备,现有的《混凝土结构耐久性设计规范》(Fib Model Code 2010,GB/T 50476-2008)通常仅选择影响材料性能的单一环境因素,无法将荷载和环境耦合效应计入。因此,荷载与环境因素耦合作用下混凝土耐久性评价和安全服役期预测方法引起世界同行的关注并成为研发热点,但一直未取得实质进展。

??突破创新多场耦合作用下混凝土耐久性实验平台 

??中国建筑材料科学研究总院有限公司(以下简称中国建材总院)院长姚燕自2002年开始关注到荷载与环境因素的耦合作用会产生叠加效应,混凝土性能劣化速度和程度远大于人们常规考虑的单一环境因素作用。为此,她开始组织中国建材总院的混凝土耐久性研究团队,围绕荷载和环境因素耦合作用下的测试设备、混凝土劣化规律和寿命预测模型开展研究工作。

??针对多场耦合作用下氯离子在混凝土材料中传输机理研究的不足,解决侵蚀环境下应力场的稳定和精确控制,实现应力场与氯离子浓度场的稳定耦合,阐明应力场对混凝土材料中氯离子传输行为的影响,提出表征混凝土损伤的新方法,成为解决问题的关键所在。

??为模拟服役条件下混凝土的真实损伤过程和传输行为,研究团队首先围绕应力场与氯离子浓度场耦合作用下混凝土耐久性实验装置开展工作。长龄期、高浓度盐腐蚀环境、高应力比加载,给耐久性实验装置设计带来极大挑战。

??经过无数次的失败、探索和实验,研究团队通过对试件受力的有限元计算,设计了带上、下球铰和弧状过渡的哑铃型试件,保证了加载试件中段区域的应力均匀分布和系统偏心率低于3%,实现了氯盐扩散区应力场的均匀稳定;通过封闭回路,防止蒸发,创新设计的侵蚀介质传输控制系统,消除了侵蚀介质对加载装置的腐蚀,实现了扩散源浓度长期稳定和氯离子一维定向自然扩散效果。研发的耐久性实验装置用于测定受荷混凝土在长期自然扩散条件下的氯离子浓度分布和扩散系数,彻底解决了传统测试方法存在的试件轴向偏心率高影响氯离子稳定传输、氯离子扩散表面浓度不稳定和装置易受腐蚀等难题,实现了应力场和浓度场的完美耦合。该装置获得3项国家发明专利和1项实用新型专利。

??随后,研究团队利用研发的混凝土耐久性试验装置,提出了应力对混凝土中氯盐传输影响的测试方法,依据室内外试验的相关性和非稳态扩散过程中氯盐浓度随时间的变化规律,推导出拉/压荷载对氯离子扩散系数影响定量方程,获得拉/压荷载影响的临界阈值,明确了荷载对氯离子扩散系数的影响规律。最后,研究团队编制完成了多场耦合作用下混凝土耐久性测试方法RILEM国际标准,并发布执行。

??科学研究建立服役混凝土寿命预测模型 

??实验平台和测试方法的创新,为混凝土耐久性定量设计、评估及寿命预测提供了坚实支撑。

??为探明孔隙与微裂纹影响水泥基材料传输性能的机理,研究团队还采用ABAQUS有限元模拟软件、工业CT、超声波等无损测试方法量化荷载引起的混凝土劣化参数,建立表征混凝土材料损伤的图像分析新方法,表征与评价不同应力场作用下混凝土材料的累积损伤程度;基于损伤介质力学,研究阐明微裂纹对氯离子传输的影响机理,建立应力—微结构—传输性能关系模型;模拟混凝土结构实际服役条件,首次以应力作用下氯离子扩散系数为特征参数,建立了服役混凝土中氯离子传输模型和荷载-氯盐侵蚀耦合作用下混凝土结构寿命预测RSC模型,模型基于全概率方法和可靠度理论,消除了材料特性与环境参数的波动对寿命预测准确性的影响,适用性强、可靠性高。

??研发的实验平台和寿命预测模型被国内外多个实验室和建设单位采用。慕尼黑工业大学建筑材料研究所和大连大学采用耦合作用下混凝土耐久性测试设备,进行了应力作用下混凝土氯离子传输性能研究;中国建材总院、大连市建筑科学研究设计院股份有限公司、中铁十九局集团有限公司等单位运用寿命预测模型,对港珠澳跨海大桥、大连新机场、大连地铁、大连南部滨海大道跨海大桥、芜湖长江公路二桥等多个工程标段进行辅助混凝土配合比设计和结构安全服役期评价,提升了工程配合比设计的合理性、服役期评价的科学性及工程结构的安全性,取得了显着的技术经济效益,社会效益巨大、应用前景广阔。

??项目研究成果为氯盐环境下服役的重大工程混凝土全寿命设计与安全服役提供了坚实基础,对提升混凝土工程耐久性评价和寿命预测技术水平具有重要推动作用,总体达到国际领先水平。该成果获得2016年度中国建筑材料联合会·中国硅酸盐学会技术发明一等奖。研究团队姚燕教授获得第十一届光华工程科技奖,吴浩博士获得第三届杰出工程师青年奖,王振地博士获得中国科协首批“青年人才托举工程”支持,项目还培养了多名博士后和研究生。

??国际科技合作成果丰硕 

??能够取得这项具有国际领先水平的研究成果,一方面来自于中国建材总院科技团队长达15年的努力耕耘和工程验证,另一方面也得益于深入的国际科技合作。

??2010年,俄罗斯工程院院士、国际着名学术组织RILEM前任主席F. H. Wittmann教授访问中国建材总院,了解到团队在基于拉、压应力与氯离子耦合作用平台的建立和应力场作用下氯离子在混凝土中传输规律研究方面取得的丰硕成果,很是赞赏,并建议中国建材总院院长姚燕通过RILEM(“国际材料与结构研究实验联合会”的法文缩写)技术委员会,形成国际公认的先进试验方法标准规范。RILEM是一个通过世界着名专家的合作,推动建筑材料科学及结构持续发展的国际学术组织,其工作主要是对提出的科学方法在全世界范围内进行循环对比试验,以验证该方法的复演性、科学性,并最终出版国际推荐规范。

??2011年年初,中国建材总院正式向RILEM组织提出成立“荷载与环境因素耦合作用下混凝土耐久性测试方法”技术委员会。经复杂和严格的审批程序,2011年9月,在RILEM第65次年会上,RILEM TC 246-TDC技术委员会正式获批成立。该技术委员会共有来自澳大利亚、比利时、波兰、德国、法国、芬兰、荷兰、加拿大、美国、南非、葡萄牙、日本、西班牙、印度和中国共15个国家的41名着名科学家共同开展工作,其主要目标是通过国际比对试验,建立应力作用下混凝土耐久性试验方法,为实际工程混凝土寿命预测评估提供支撑。

??2011年到2016年的5年间,RILEM TC 246-TDC技术委员会开展了大量艰苦、细致、系统的研究工作,先后在中国北京、南非开普敦、中国青岛、法国巴黎、荷兰代尔夫特、德国慕尼黑、比利时根特、中国深圳、丹麦灵比等城市召开了10次工作会议,在北京召开了1次国际研讨会。中国建材总院也外派青年科技工作者到德国工作,利用德方先进测试平台开展深入理论与试验研究。最终,该技术委员会提出的测试方法经过5个国际先进实验室的多轮次对比试验验证,证明了该方法复演性好、科学性强,最终的成果报告发表在国际着名期刊《Materials and Structures》上。同时,经过多位国际专家审议的测试与评价方法也通过RILEM发布实施。

??由于项目研究工作是国际前沿和难点问题,除了与RILEM技术委员会合作以外,中国建材总院还与德国慕尼黑工业大学通过国家自然科学基金国际科技合作项目平台,互派访问学者,分享先进设备和软件,强强联合、国际合作与交流成效显着。

??2016年8月23日,在丹麦第70次RILEM年会上,由姚燕担任主席的RILEM TC 246-TDC技术委员会向全体委员作了总结报告,全面报告了该技术委员会运行5年来开展的技术研究工作和取得的成果,经过5年运行,圆满完成各项预定任务。RILEM TC 246-TDC技术委员会最终提出的“应力作用下混凝土耐久性评估方法”得到国内外同仁的一致好评。F.H.Wittmann教授认为,现有的所有国家标准和国际标准中,均只单独考虑混凝土在不同单一环境下的耐久性,十分有必要建立荷载与环境因素耦合作用下的混凝土耐久性测试方法,为实际的钢筋混凝土结构服役寿命预测提供依据。德国慕尼黑工业大学教授C.Gehlen认为,采用新方法获取的数据补充了欧洲混凝土耐久性设计规范fib Model Code的数据库,为混凝土耐久性设计提供了更丰富的数据基础。

??中国建材总院在多场耦合作用下氯离子在水泥基材料中传输行为和机理研究工作中,打破现有单一因素评价混凝土耐久性的局限,综合考虑荷载与环境因素的耦合作用,解决了荷载和氯盐等多因素耦合作用下混凝土耐久性评价的国际共性关键技术难题,在混凝土耐久性和服役期评价技术上完成了从单一因素到耦合多因素、从中国走向世界的跨越。

??雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。研究团队在多因素耦合作用下混凝土耐久性研究方面的工作并没有停止,他们深知混凝土与钢筋混凝土结构所处的实际服役环境是一个非常复杂的环境,有碳化、硫酸盐及多种环境因素叠加,还存在疲劳、冲击等动态荷载类型,扩大环境因素范围和荷载类型是他们下一步工作的重点。目前,应力与碳化、约束与盐冻耦合作用下混凝土耐久性的研究工作又已经起步,中国建材总院将继续保持与国际先进实验室的深度交流与合作,开展创新基础研究,进一步提高中国建材总院的国际影响力。

 

文章来源:中国混凝土与水泥制品协会网  

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