混凝土載荷耐久性評價技術(shù)獲突破

科研人員在進(jìn)行新拌混凝土含氣量實(shí)驗(yàn)

今年3月，國際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會（RILEM）正式在全世界范圍內(nèi)發(fā)布了《環(huán)境與荷載因素耦合作用下混凝土耐久性測試方法》，這是首個獲得國際認(rèn)可的環(huán)境因素和荷載耦合作用下混凝土耐久性測試方法，這項(xiàng)完全自主創(chuàng)新研發(fā)的科技成果來自中國。

歷經(jīng)15年、12位科研人員的共同努力，中國建材總院院長、高性能混凝土科學(xué)家姚燕帶領(lǐng)的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)直面國際前沿?zé)狳c(diǎn)問題，提出了具有國際先進(jìn)水平的荷載與凍融、荷載與氯鹽典型環(huán)境下混凝土的耐久性評價與壽命評估方法，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了重要支撐，也帶領(lǐng)中國混凝土耐久性研發(fā)團(tuán)隊(duì)走在了世界的前列。

一項(xiàng)從單一到辯證的科學(xué)蛻變

混凝土是最大宗建筑材料，其耐久性能的優(yōu)劣往往決定著工程結(jié)構(gòu)的服役行為和壽命，被認(rèn)為與混凝土強(qiáng)度同等重要。20世紀(jì)90年代初，國外有大量建（構(gòu)）筑工程因混凝土耐久性問題而喪失使用功能，這帶來巨額經(jīng)濟(jì)損失，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。我國當(dāng)時正處在高速發(fā)展時期，一批重點(diǎn)工程正在興建和籌劃，每年混凝土用量巨大，提高混凝土耐久性，在我國同樣重要和緊迫。

“混凝土結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境復(fù)雜多變，任何單一的環(huán)境因素或力學(xué)荷載都可能造成混凝土設(shè)計性能的降低，而多種因素的協(xié)同作用會使這一過程變得更加錯綜復(fù)雜和難以預(yù)測。”姚燕說，“比如，寒冷地區(qū)凍融循環(huán)破壞和海洋環(huán)境氯離子侵蝕引起鋼筋腐蝕破壞，這兩種環(huán)境因素是破壞混凝土耐久性的最主要因素。”

而混凝土除了受到環(huán)境因素的影響，還要承受各種服役荷載，兩者的疊加形成“協(xié)同作用”。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。但是，這種耦合作用被普遍忽略了，原有的基于單一環(huán)境因素的耐久性評價和壽命預(yù)測方法并不安全，混凝土結(jié)構(gòu)在服役時存在達(dá)不到設(shè)計年限、提前遭到破壞的風(fēng)險。

要想在混凝土耐久性的破壞機(jī)理及評價上有所突破，科學(xué)設(shè)備的開發(fā)與方法必須先行。然而，目前的研究仍存在力學(xué)加載不夠穩(wěn)定，測試參數(shù)單一、精度低、不連續(xù)，測試過程受人為因素影響，關(guān)鍵性能不穩(wěn)定，設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等問題。與此同時，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，工程的設(shè)計壽命也在不斷延長，但工程設(shè)計壽命能否在惡劣的自然環(huán)境與長期存在的力學(xué)荷載的共同考驗(yàn)下實(shí)現(xiàn)，亟須建立相關(guān)的評估模型進(jìn)行預(yù)測。

一場敬畏建筑生命的科學(xué)探索

做第一個吃螃蟹的人談何容易，理念、概念、實(shí)驗(yàn)都是新的。用中國建材總院高級工程師王振地的話說，“這個實(shí)驗(yàn)沒有經(jīng)驗(yàn)可循，小到零件工具，大到設(shè)備裝置，都得自己摸著石頭過河。”

以王振地參與的載荷與凍融研究為例，僅實(shí)驗(yàn)裝備就做了三個版本，耗時八年。

“一般實(shí)驗(yàn)研究使用的是彈簧制成的小型加載裝置，只能做砂漿或凈漿試件，荷載損失特別快，難以模擬實(shí)際環(huán)境中凍融循環(huán)對混凝土的影響，所以我們想要研發(fā)出一種保載性能好、可以做混凝土試件、能夠采集劣化參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置。”王振地說。

他坦言，這臺裝置最初的一個版本相當(dāng)“簡陋”——一個一百多公斤的架子搭載著混凝土，每次都要用千斤頂舉上去，放到環(huán)境箱中，還無法采集到內(nèi)部的信號數(shù)據(jù)。

后來，科研人員又將這臺“純手動”設(shè)備改造成了“半自動”，最終達(dá)到了“全自動”標(biāo)準(zhǔn)，不但解放了人力，還能夠一次測量就拿下變形、電阻率等全部數(shù)據(jù)。

過程 “熬人”，遇到技術(shù)瓶頸時，姚燕經(jīng)常通宵達(dá)旦地跟團(tuán)隊(duì)成員一起討論。中國建材總院水泥院混凝土所副所長吳浩回憶，這成為團(tuán)隊(duì)繼續(xù)堅持下去的動力。

姚燕本人也常說：“混凝土耐久性的研究工作是艱苦的、乏味的，但我們的工程技術(shù)人員在項(xiàng)目實(shí)施中不怕困難，以苦為樂。”

在互相支撐的氛圍下，科研人員共同化解了一個又一個難題，最終啃下了這塊“硬骨頭”。

一舉揭開砼耐久性的神秘面紗

通過科研人員的共同努力，中國建材總院提出了具有國際先進(jìn)水平的荷載與典型環(huán)境下混凝土的耐久性評價與壽命評估方法。成果包括荷載與凍融作用下混凝土耐久性設(shè)計與服役壽命預(yù)測方法、荷載與氯鹽作用下混凝土耐久性設(shè)計與服役壽命預(yù)測方法兩個方面。

第一，在研究荷載—凍融循環(huán)協(xié)同作用下時，針對原有評價方法中采用動彈性模量和質(zhì)量損失不能連續(xù)監(jiān)測，無法獲得內(nèi)部劣化參數(shù)的現(xiàn)狀，首次提出劣化過程新的表征參數(shù)，采用應(yīng)變、電阻率和相對濕度表征混凝土的劣化更為科學(xué)和準(zhǔn)確；第二，在研究荷載—氯鹽侵蝕協(xié)同作用下，通過設(shè)計軸向拉伸試件，發(fā)明可實(shí)現(xiàn)上、下球鉸實(shí)現(xiàn)試件360°自調(diào)節(jié)的新裝置，實(shí)施應(yīng)變計監(jiān)測和及時微調(diào)，有效解決試件軸向偏心影響氯離子穩(wěn)定傳輸難題，達(dá)到偏心率<3.0%。

“我們開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)、能實(shí)現(xiàn)精確應(yīng)力加載的兩種混凝土耐久性測試設(shè)備，成功模擬了實(shí)際工程混凝土的應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)腐蝕、凍融循環(huán)等協(xié)同作用狀態(tài)，闡明了水泥基材料在多因素協(xié)同作用下的損傷失效行為和機(jī)理。”姚燕說。

2017年1月，這項(xiàng)成果獲得了“中國建筑材料聯(lián)合會·中國硅酸鹽學(xué)會建筑材料科學(xué)技術(shù)獎”技術(shù)發(fā)明類一等獎，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了重要依據(jù)。

該成果的提出為混凝土耐久性的研究提供了先進(jìn)的方法和科學(xué)模型，并在“大洋深處”的港珠澳大橋工程及“寒冷邊陲”的哈齊專線松花江特大橋工程得到了應(yīng)用與驗(yàn)證，為促進(jìn)我國混凝土工程耐久性設(shè)計從單一因素轉(zhuǎn)向多因素協(xié)同起到了引領(lǐng)作用。

一群進(jìn)軍國際舞臺的科學(xué)匠人

深受恩師中國工程院院士吳中偉影響，姚燕立志要“把我國重點(diǎn)工程壽命延長到百年以上”，在她看來，做科研，不但要在國內(nèi)領(lǐng)先，還要能走出國門，在國際學(xué)術(shù)界爭得一席之地。

2011年，中國建材總院向RILEM申請成立“環(huán)境與荷載因素耦合作用下混凝土耐久性測試方法”技術(shù)委員會并獲得批準(zhǔn)。而姚燕也成為了中國大陸首個RILEM技術(shù)委員會主席，組織15個國家的41名國際著名混凝土科學(xué)家共同工作。

“在環(huán)境因素和機(jī)械應(yīng)力的多因素耦合作用方面，姚燕的研究解決了具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。”中國工程院、美國國家工程院、印度工程院三院院士Surendra P. Shah 教授評價道。

從RILEM成立至今70年間，RILEM每個技術(shù)委員會的主席均由歐美等發(fā)達(dá)國家的研究者擔(dān)任，主席單位也被發(fā)達(dá)國家壟斷。中國建材總院耐久性測試方法技術(shù)委員會的成功獲批改寫了這一歷史。

瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)建材實(shí)驗(yàn)室主任、水泥混凝土領(lǐng)域的國際頂級期刊Cement and Concrete Research主編Karen Scrivener認(rèn)為，姚燕團(tuán)隊(duì)的研究反映了當(dāng)前對實(shí)際應(yīng)用條件下耐久性問題研究的熱點(diǎn)，對多因素耦合作用下混凝土的失效機(jī)理進(jìn)行了前瞻性的研究。

據(jù)了解，“環(huán)境與荷載因素耦合作用下混凝土耐久性測試方法”技術(shù)委員會的最終研究成果報告已被RILEM官方雜志Materials and Structures接收，并已在全世界正式推廣。

自此，“總院人”站上了一個更大的舞臺。而在這個舞臺上，中國建材總院還將繼續(xù)為中國混凝土和建材事業(yè)發(fā)聲、發(fā)力，為實(shí)現(xiàn)國家“一帶一路”戰(zhàn)略、海洋開發(fā)、西部建設(shè)、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展不斷貢獻(xiàn)智慧和力量。

文章摘自微信公眾號“混凝土與水泥制品網(wǎng) 混凝土與