混凝土載荷耐久性評價技術(shù)獲突破

  科研人員在進行新拌混凝土含氣量實驗

  今年3月，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、高性能混凝土科學家姚燕帶領(lǐng)的攻關(guān)團隊直面國際前沿熱點問題，提出了具有國際先進水平的荷載與凍融、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)團隊走在了世界的前列。

  一項從單一到辯證的科學蛻變

  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，被認為與混凝土強度同等重要。20世紀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)濟損失，全世界每年用于工程修復和重建費用高達數(shù)千億美元。我國當時正處在高速發(fā)展時期，一批重點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)境復雜多變，任何單一的環(huán)境因素或力學荷載都可能造成混凝土設計性能的降低，而多種因素的協(xié)同作用會使這一過程變得更加錯綜復雜和難以預測?！币ρ嗾f，“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，其破壞速度和程度遠大于單一因素作用。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測方法并不安全，混凝土結(jié)構(gòu)在服役時存在達不到設計年限、提前遭到破壞的風險。

  要想在混凝土耐久性的破壞機理及評價上有所突破，科學設備的開發(fā)與方法必須先行。然而，目前的研究仍存在力學加載不夠穩(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，設備無法實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等問題。與此同時，隨著混凝土工程的設計理論、材料性能及施工水平的不斷進步，工程的設計壽命也在不斷延長，但工程設計壽命能否在惡劣的自然環(huán)境與長期存在的力學荷載的共同考驗下實現(xiàn)，亟須建立相關(guān)的評估模型進行預測。

  一場敬畏建筑生命的科學探索

  做第一個吃螃蟹的人談何容易，理念、概念、實驗都是新的。用中國建材總院高級工程師王振地的話說，“這個實驗沒有經(jīng)驗可循，小到零件工具，大到設備裝置，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，僅實驗裝備就做了三個版本，耗時八年。

  “一般實驗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)的實驗裝置?！蓖跽竦卣f。

  他坦言，這臺裝置最初的一個版本相當“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”設備改造成了“半自動”，最終達到了“全自動”標準，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)常通宵達旦地跟團隊成員一起討論。中國建材總院水泥院混凝土所副所長吳浩回憶，這成為團隊繼續(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)人員在項目實施中不怕困難，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計與服役壽命預測方法、荷載與氯鹽作用下混凝土耐久性設計與服役壽命預測方法兩個方面。

  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)，采用應變、電阻率和相對濕度表征混凝土的劣化更為科學和準確；第二，在研究荷載—氯鹽侵蝕協(xié)同作用下，通過設計軸向拉伸試件，發(fā)明可實現(xiàn)上、下球鉸實現(xiàn)試件360°自調(diào)節(jié)的新裝置，實施應變計監(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，達到偏心率<3.0%。

  “我們開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)、能實現(xiàn)精確應力加載的兩種混凝土耐久性測試設備，成功模擬了實際工程混凝土的應力和化學介質(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理?！币ρ嗾f。

  2017年1月，這項成果獲得了“中國建筑材料聯(lián)合會·中國硅酸鹽學會建筑材料科學技術(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的方法和科學模型，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用與驗證，為促進我國混凝土工程耐久性設計從單一因素轉(zhuǎn)向多因素協(xié)同起到了引領(lǐng)作用。

  一群進軍國際舞臺的科學匠人

  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。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家共同工作。

  “在環(huán)境因素和機械應力的多因素耦合作用方面，姚燕的研究解決了具有挑戰(zhàn)性的科學難題?！敝袊こ淘?、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)達國家的研究者擔任，主席單位也被發(fā)達國家壟斷。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)邦理工大學建材實驗室主任、水泥混凝土領(lǐng)域的國際頂級期刊Cement and Concrete Research主編Karen Scrivener認為，姚燕團隊的研究反映了當前對實際應用條件下耐久性問題研究的熱點，對多因素耦合作用下混凝土的失效機理進行了前瞻性的研究。

  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，為實現(xiàn)國家“一帶一路”戰(zhàn)略、海洋開發(fā)、西部建設、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展不斷貢獻智慧和力量。