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《中国建材》:中国建材总院重要科技成果展示——混凝土在荷载与典型服役环境作用下的耐久性评价与寿命预测
    作者: 时间:2017-05-23 打印
     
 

来源:《中国建材》104页  作者:吴浩  发表时间:2017年第5期

  混凝土耐久性能的优劣往往决定着工程结构的服役行为和寿命,为保障混凝土工程的高耐久和长寿命,混凝土耐久性评价及寿命评估方法已引起工程界高度重视,也成为研究的热点与难点。

  混凝土结构的服役环境复杂多变,任何单一的环境因素或力学荷载都可能造成混凝土设计性能的降低,而多种因素的协同作用会使这一过程变得更加错综复杂和难以预测。因此要想在混凝土耐久性的破坏机理及评价上有所突破,科学设备的开发与方法必须先行,但目前的研究存在力学加载不够稳定,测试参数单一、精度低、不连续,测试过程受人为因素影响,关键性能不稳定,设备无法实现工业化生产等问题。

  随着混凝土工程设计理论、材料性能及施工水平的不断进步,工程的设计寿命也在不断地延长,但工程设计寿命能否在恶劣的自然环境与长期存在的力学荷载的共同考验下实现,亟需建立相关的评估模型进行预测。但目前的预测方法仅考虑某单一因素,且存在采用确定性方法进行预测,预测的结果不能使人信服;模型输入参量大多采用现有规范中的建议取值,缺少大量数据的总结和分析;重要性能参数与混凝土实际服役时间的关联性研究不足等缺陷。

  “混凝土在荷载与典型服役环境作用下的耐久性评价与寿命预测”是中国建材科学研究总院承担的《高性能水泥和水泥基材料的环境行为与失效机理》《水泥基材料水化产物和浆体微观结构稳定性》《荷载- 冻融-盐溶液侵蚀协同作用下钢筋混凝土破坏机理研究 》等3 个国家“973”计划研究课题及国家自然科学基金委重大国际合作项目《多场耦合作用下氯离子在水泥基材料中的传输行为和机理》与国际材料与结构研究实验联合会RILEM TC 246-TDC(Test methods to determinedurability of concrete under combined environmentalactions and mechanical load )技术委员会的研究成果。

  历时15 年,经12 位高级科研人员的共同努力,中国建材总院提出了具有国际先进水平的荷载与冻融、荷载与氯盐典型环境下混凝土的耐久性评价与寿命评估方法,为混凝土结构的前期耐久性设计及后期寿命评估提供了重要支撑,也带领中国混凝土耐久性研发团队走在了世界的前列。

  成果简介

  中国建材总院的成果包括荷载与冻融作用下混凝土耐久性设计与服役寿命预测方法、荷载与氯盐作用下混凝土耐久性设计与服役寿命预测方法两个方面。该成果的提出为混凝土耐久性的研究提供了先进的方法和科学的模型,并在大洋深处的港珠澳大桥工程及寒冷边陲的哈齐专线松花江特大桥工程中得到了应用与验证,为促进我国混凝土工程耐久性设计从单一因素转向多因素协同起到了引领作用。

  成果一:荷载与冻融作用下混凝土耐久性设计与服役寿命预测方法

  中国建材总院联合机械、电气、自动化、力学等专业人士进行攻关,研发了闭环控制与同步监测系统,解决了剧烈变温条件下荷载难以保持稳定的技术难题,从本质上实现了力学荷载的精确、稳定施加与实时补偿(精度±3%),发明了模拟混凝土荷载与冻融服役环境的耐久性评价方法和装置(图1),彻底改变了原有评价方法采用动弹性模量和质量损失、与耐久性相关度不够、不能连续监测、误差大等问题,并获得了冻融环境下混凝土性能劣化的应变、温度、湿度和电阻率等参数变化规律,可连续监测,实现对混凝土劣化信息的全过程捕捉,为寿命预测方法的建立提供了重要支撑。

  中国建材总院首次以工程中可连续监测的应变为特征参数,将冻融过程的作用力与外部荷载进行了等效转化,通过受力平衡和力矩平衡,基于混凝土损伤与残余应变的量化关系,建立了荷载- 冻融循环协同作用下混凝土寿命预测模型,并对芜湖长江公路二桥项目的混凝土配合比进行了耐久性辅助设计,对哈齐专线松花江特大桥的混凝土梁进行了服役寿命评估,结果与工程设计基本一致。

  成果二:荷载与氯盐作用下混凝土耐久性设计与服役寿命预测方法

  中国建材总院通过对试件和加载装置的创新设计(图2),解决了协同作用下试件轴向偏心影响氯离子稳定传输的世界性难题,实现偏心率<3.0% ;侵蚀介质控制系统保证了荷载条件下混凝土表面氯离子浓度稳定(浓度变化<0.05wt.%);形成了荷载- 氯盐侵蚀协同作用下混凝土耐久性测试方法。国际多家实验室进行了联合对比试验,验证了该成果复演性好、可靠性高,该成果成为著名国际学术组织RILEM 认可的首个混凝土耐久性测试方法,并在世界范围内推广。

  在得到国际认可的耐久性测试方法的基础上,中国建材总院揭示了轴向拉、压荷载对氯离子扩散的影响规律,并首次以可靠度理论的寿命预测方法、荷载- 氯盐侵蚀协同作用下的氯离子扩散系数为特征参数建立了寿命预测模型,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,并实现了对港珠澳大桥部分工程的验证与应用,验证结果与工程设计基本一致。

  展望

  随着经济社会发展,人类日益面临资源短缺困境,实施可持续发展战略应始终贯穿国民经济生活的各个方面。我国作为世界上最大的水泥生产国家和混凝土消耗国家,提高混凝土工程的耐久性和服役寿命是实现节能减排和可持续发展的重要举措。因此,混凝土的耐久性成为影响混凝土技术未来发展的关键问题。

  我国仍处于大规模建设时期,国家“一带一路”战略、海洋开发和西部建设混凝土工程量巨大,对耐久性要求愈来愈高。

  中国建材总院在混凝土耐久性评价及寿命评估方面的整体成果可用于公路、桥梁、机场、轨道交通、水利设施、海洋、建筑工程等基础设施建设及军事工程领域各类需要耐久性与寿命预测及评估的混凝土工程。项目成果可用于新建工程辅助设计,保证工程混凝土安全服役,又可用于既有工程混凝土安全评估,提供维护、修复决策建议,延长工程使用年限。可节省巨额的维修、维护和拆除重建费用。服役寿命的延长可以大大减少各类原材料的消耗,为节能减排做出巨大贡献;保证工程服役安全性,保障人民群众生命财产安全。推广应用该成果具有巨大经济和社会效益,对国民经济发展和国家战略实施意义重大。