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(píng)價(jià)及壽命評(píng)估方法。
12位科研人員在努力15年后，終于迎來(lái)豐收的果實(shí)。
今年3月，國(guó)際上混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)權(quán)威機(jī)構(gòu)之一——有著70年歷史的國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)（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(cè)試方法”。這個(gè)有點(diǎn)拗口的名稱，是首個(gè)獲得國(guó)際認(rèn)可的混凝土耐久性測(cè)試方法，這也是來(lái)自中國(guó)的世界首個(gè)混凝土耐久性推薦規(guī)范。
美國(guó)國(guó)家工程院、中國(guó)工程院、印度工程院三院院士夏蘇魯教授曾這樣評(píng)價(jià)，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(guó)建筑材料科學(xué)研究總院（以下簡(jiǎn)稱建材總院）院長(zhǎng)、RILEM技術(shù)委員會(huì)首個(gè)中國(guó)大陸主席姚燕說(shuō)，規(guī)范提出了荷載與典型環(huán)境下混凝土的耐久性評(píng)價(jià)與壽命評(píng)估方法，這將為混凝土結(jié)構(gòu)的前期耐久性設(shè)計(jì)及后期壽命評(píng)估提供重要支撐。通俗地說(shuō)，將為百年工程護(hù)航。
千億工程缺乏有效耐久性評(píng)價(jià)方法
混凝土是世界最大宗建筑材料，因?yàn)榻Y(jié)合了鋼筋與混凝土的諸多優(yōu)點(diǎn),加上造價(jià)較低, 鋼筋混凝土成為目前土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的首選形式,被廣泛用于公路、橋梁、機(jī)場(chǎng)、軌道交通、水利設(shè)施、海洋工程等領(lǐng)域。
但從世界范圍來(lái)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(kāi)裂、表面剝落、保護(hù)層開(kāi)裂、鋼筋生銹等問(wèn)題。
相關(guān)資料顯示，因混凝土耐久性問(wèn)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(jì)理論、材料性能及施工水平的不斷進(jìn)步，工程設(shè)計(jì)壽命也不斷延長(zhǎng)，但在惡劣的自然環(huán)境與長(zhǎng)期存在的力學(xué)荷載的雙重考驗(yàn)下，工程能否達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，亟須建立相關(guān)的評(píng)估模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。
客觀耐久性測(cè)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最主要因素。”建材總院博士王振地說(shuō)，破壞混凝土的因素多達(dá)9類(lèi)，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(huì)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(píng)價(jià)和壽命預(yù)測(cè)方法聽(tīng)起來(lái)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(shí)際服役時(shí)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(shí)存在達(dá)不到設(shè)計(jì)年限、提前破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
比如，前些年北京西直門(mén)北立交橋改造時(shí)，包括來(lái)自建材總院的多名專(zhuān)家為該橋破壞原因“會(huì)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(shuō)，混凝土凍融破壞是寒冷地區(qū)混凝土工程最常見(jiàn)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(guò)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(huì)開(kāi)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(duì)混凝土工程的破壞。
要找到客觀的耐久性測(cè)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(kāi)多因素耦合研究。”姚燕說(shuō)，這一思路的轉(zhuǎn)變也是為了更真實(shí)模擬實(shí)際服役條件下混凝土失效過(guò)程的研究。
哈齊專(zhuān)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(cè)試混凝土耐久性的最典型環(huán)境之一。
有人在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(wèn)題：在大溫差下（8℃/小時(shí)），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(huì)迅速下降，就算采用國(guó)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(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)值，而且具體損失了多少也沒(méi)有監(jiān)測(cè)，當(dāng)然也無(wú)法重現(xiàn)荷載+凍融環(huán)境。
姚燕和她的團(tuán)隊(duì)采用一種閉環(huán)的控制思路。
“我們?cè)O(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)荷載的傳感器，當(dāng)荷載損失到預(yù)設(shè)的區(qū)間外時(shí)，中央控制系統(tǒng)會(huì)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(guò)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(shí)現(xiàn)了外部荷載的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，從而解決了大難題。”姚燕說(shuō)。
看起來(lái)很簡(jiǎn)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(xiàng)目牽頭組織單位，建材總院承擔(dān)了多個(gè)國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目，對(duì)影響混凝土耐久性的主要因素，開(kāi)展了大量研究。
“每一步都是新的，都是摸著石頭過(guò)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(píng)估模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，因?yàn)槭袌?chǎng)上買(mǎi)不到現(xiàn)成的設(shè)備，為了更真實(shí)地模擬實(shí)際工程混凝土應(yīng)力和腐蝕因素條件下混凝土失效過(guò)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(cè)試設(shè)備，研究混凝土劣化規(guī)律，建立壽命預(yù)測(cè)模型，以指導(dǎo)工程耐久性評(píng)估與輔助設(shè)計(jì)。
在荷載+氯鹽環(huán)境下的港珠澳大橋耐久性評(píng)價(jià)中，多因素耦合研究方法再次得到了應(yīng)用與驗(yàn)證。
“我們希望通過(guò)我們的方法，把我國(guó)重點(diǎn)工程壽命延長(zhǎng)到百年以上。”
