今年3月，國際上混凝土結(jié)構(gòu)學術(shù)權(quán)威機構(gòu)之一——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”。這個有點拗口的名稱，是首個獲得國際認可的混凝土耐久性測試方法，這也是來自中國的世界首個混凝土耐久性推薦規(guī)范。
在不少人的概念中，建筑建得越結(jié)實，它的使用壽命就應該越長，但人們往往會看到這樣的“悖論”——經(jīng)常有按照“百年工程”設計的建筑物在服役一段時間后,出現(xiàn)保護層剝落、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，國際上混凝土結(jié)構(gòu)學術(shù)權(quán)威機構(gòu)之一——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”。這個有點拗口的名稱，是首個獲得國際認可的混凝土耐久性測試方法，這也是來自中國的世界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)境因素和機械應力的多因素耦合作用方面，該方法解決了具有挑戰(zhàn)性的科學難題。
中國建筑材料科學研究總院(以下簡稱建材總院)院長、RILEM技術(shù)委員會首個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，將為百年工程護航。
千億工程缺乏有效耐久性評價方法,混凝土是世界最大宗建筑材料，因為結(jié)合了鋼筋與混凝土的諸多優(yōu)點,加上造價較低, 鋼筋混凝土成為目前土木工程結(jié)構(gòu)設計中的首選形式,被廣泛用于公路、橋梁、機場、軌道交通、水利設施、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初設想的那樣耐久,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和重建費用高達數(shù)千億美元。
隨著混凝土工程的設計理論、材料性能及施工水平的不斷進步，工程設計壽命也不斷延長，但在惡劣的自然環(huán)境與長期存在的力學荷載的雙重考驗下，工程能否達到設計壽命，亟須建立相關(guān)的評估模型進行預測。
客觀耐久性測試方法成業(yè)界難題
“多方一致認同，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最主要因素。”建材總院博士王振地說，破壞混凝土的因素多達9類，或者更多，包括鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、碳化、化學腐蝕、干濕循環(huán)等，協(xié)同作用造成的破壞會產(chǎn)生疊加效應，其破壞速度和程度遠大于單一因素作用。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)在服役時存在達不到設計年限、提前破壞的風險。
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)混凝土工程最常見的病害之一，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)合作用的疲勞應力。當經(jīng)過反復多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴大，發(fā)展成互相連通的裂紋，最后導致混凝土強度逐步降低，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，重點展開多因素耦合研究?！币ρ嗾f，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最典型環(huán)境之一。
有人在做實驗時，采用彈簧加壓的辦法，一次性施加預設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)果荷載沒有達到預設值，而且具體損失了多少也沒有監(jiān)測，當然也無法重現(xiàn)荷載+凍融環(huán)境。
姚燕和她的團隊采用一種閉環(huán)的控制思路。
“我們設置一個監(jiān)測荷載的傳感器，當荷載損失到預設的區(qū)間外時，中央控制系統(tǒng)會觸發(fā)荷載輸出機構(gòu)進行荷載的補償或卸載，荷載損失了就補償，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設的區(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?！币ρ嗾f。
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?！懊恳徊蕉际切碌模际敲^過河?！蓖跽竦馗嬖V記者，研究耐久性，有想法只是第一步，之后需要建立相關(guān)的評估模型進行預測，因為市場上買不到現(xiàn)成的設備，為了更真實地模擬實際工程混凝土應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備，研究混凝土劣化規(guī)律，建立壽命預測模型，以指導工程耐久性評估與輔助設計。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用與驗證。
“我們希望通過我們的方法，把我國重點工程壽命延長到百年以上?！币ρ嗾f。
礦山破碎生產(chǎn)設備