混凝土結(jié)構(gòu)在全世界的土建工程中都占絕對(duì)主導(dǎo)地位，約占80%～90%。混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指其在環(huán)境作用下能夠長(zhǎng)期維持所需功能的能力，關(guān)系到工程的安全運(yùn)營(yíng)和服役壽命。與結(jié)構(gòu)安全性相比，土木工程的結(jié)構(gòu)耐久性問題更為突出，因耐久性不足帶來的龐大維修費(fèi)用在世界范圍內(nèi)都十分驚人。其中，氯鹽侵蝕是引起鋼筋銹蝕、混凝土結(jié)構(gòu)破壞的最主要原因，因氯鹽侵蝕產(chǎn)生的耐久性問題占比超過60%。耐久性直接關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命和安全性，是當(dāng)今最受關(guān)注的混凝土材料性能之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了長(zhǎng)期、大量的研發(fā)工作，取得一些效果，但預(yù)測(cè)和提高混凝土耐久性，仍是國(guó)際工程界的一大難題。

  混凝土結(jié)構(gòu)無一不是在荷載和特定環(huán)境下服役的，研究表明，混凝土在服役荷載與環(huán)境因素耦合作用下的耐久性問題遠(yuǎn)比單一環(huán)境因素作用下嚴(yán)重。海洋環(huán)境中，氯離子極易通過滲透、擴(kuò)散作用穿過混凝土保護(hù)層引發(fā)鋼筋銹蝕，造成海工建筑物和結(jié)構(gòu)物失效，涉及跨海大橋、港口碼頭、海底隧道、海上石油鉆井平臺(tái)等。實(shí)際工程中的混凝土材料處于應(yīng)力場(chǎng)、濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多場(chǎng)耦合環(huán)境作用下。深析已有損毀工程發(fā)現(xiàn)，因缺少相應(yīng)的檢測(cè)方法與設(shè)備，現(xiàn)有的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（Fib Model Code 2010，GB/T 50476-2008）通常僅選擇影響材料性能的單一環(huán)境因素，無法將荷載和環(huán)境耦合效應(yīng)計(jì)入。因此，荷載與環(huán)境因素耦合作用下混凝土耐久性評(píng)價(jià)和安全服役期預(yù)測(cè)方法引起世界同行的關(guān)注并成為研發(fā)熱點(diǎn)，但一直未取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。

突破創(chuàng)新多場(chǎng)耦合作用下混凝土耐久性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

  中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)建材總院）院長(zhǎng)姚燕自2002年開始關(guān)注到荷載與環(huán)境因素的耦合作用會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)，混凝土性能劣化速度和程度遠(yuǎn)大于人們常規(guī)考慮的單一環(huán)境因素作用。為此，她開始組織中國(guó)建材總院的混凝土耐久性研究團(tuán)隊(duì)，圍繞荷載和環(huán)境因素耦合作用下的測(cè)試設(shè)備、混凝土劣化規(guī)律和壽命預(yù)測(cè)模型開展研究工作。

  針對(duì)多場(chǎng)耦合作用下氯離子在混凝土材料中傳輸機(jī)理研究的不足，解決侵蝕環(huán)境下應(yīng)力場(chǎng)的穩(wěn)定和精確控制，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)與氯離子濃度場(chǎng)的穩(wěn)定耦合，闡明應(yīng)力場(chǎng)對(duì)混凝土材料中氯離子傳輸行為的影響，提出表征混凝土損傷的新方法，成為解決問題的關(guān)鍵所在。

  為模擬服役條件下混凝土的真實(shí)損傷過程和傳輸行為，研究團(tuán)隊(duì)首先圍繞應(yīng)力場(chǎng)與氯離子濃度場(chǎng)耦合作用下混凝土耐久性實(shí)驗(yàn)裝置開展工作。長(zhǎng)齡期、高濃度鹽腐蝕環(huán)境、高應(yīng)力比加載，給耐久性實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)帶來極大挑戰(zhàn)。

  經(jīng)過無數(shù)次的失敗、探索和實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)試件受力的有限元計(jì)算，設(shè)計(jì)了帶上、下球鉸和弧狀過渡的啞鈴型試件，保證了加載試件中段區(qū)域的應(yīng)力均勻分布和系統(tǒng)偏心率低于3%，實(shí)現(xiàn)了氯鹽擴(kuò)散區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的均勻穩(wěn)定；通過封閉回路，防止蒸發(fā)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的侵蝕介質(zhì)傳輸控制系統(tǒng)，消除了侵蝕介質(zhì)對(duì)加載裝置的腐蝕，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)散源濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定和氯離子一維定向自然擴(kuò)散效果。研發(fā)的耐久性實(shí)驗(yàn)裝置用于測(cè)定受荷混凝土在長(zhǎng)期自然擴(kuò)散條件下的氯離子濃度分布和擴(kuò)散系數(shù)，徹底解決了傳統(tǒng)測(cè)試方法存在的試件軸向偏心率高影響氯離子穩(wěn)定傳輸、氯離子擴(kuò)散表面濃度不穩(wěn)定和裝置易受腐蝕等難題，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力場(chǎng)和濃度場(chǎng)的完美耦合。該裝置獲得3項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利和1項(xiàng)實(shí)用新型專利。

  隨后，研究團(tuán)隊(duì)利用研發(fā)的混凝土耐久性試驗(yàn)裝置，提出了應(yīng)力對(duì)混凝土中氯鹽傳輸影響的測(cè)試方法，依據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn)的相關(guān)性和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中氯鹽濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，推導(dǎo)出拉/壓荷載對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響定量方程，獲得拉/壓荷載影響的臨界閾值，明確了荷載對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律。最后，研究團(tuán)隊(duì)編制完成了多場(chǎng)耦合作用下混凝土耐久性測(cè)試方法RILEM國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并發(fā)布執(zhí)行。

科學(xué)研究建立服役混凝土壽命預(yù)測(cè)模型

  實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測(cè)試方法的創(chuàng)新，為混凝土耐久性定量設(shè)計(jì)、評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

  為探明孔隙與微裂紋影響水泥基材料傳輸性能的機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)還采用ABAQUS有限元模擬軟件、工業(yè)CT、超聲波等無損測(cè)試方法量化荷載引起的混凝土劣化參數(shù)，建立表征混凝土材料損傷的圖像分析新方法，表征與評(píng)價(jià)不同應(yīng)力場(chǎng)作用下混凝土材料的累積損傷程度；基于損傷介質(zhì)力學(xué)，研究闡明微裂紋對(duì)氯離子傳輸?shù)挠绊憴C(jī)理，建立應(yīng)力—微結(jié)構(gòu)—傳輸性能關(guān)系模型；模擬混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際服役條件，首次以應(yīng)力作用下氯離子擴(kuò)散系數(shù)為特征參數(shù)，建立了服役混凝土中氯離子傳輸模型和荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)RSC模型，模型基于全概率方法和可靠度理論，消除了材料特性與環(huán)境參數(shù)的波動(dòng)對(duì)壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的影響，適用性強(qiáng)、可靠性高。

  研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和壽命預(yù)測(cè)模型被國(guó)內(nèi)外多個(gè)實(shí)驗(yàn)室和建設(shè)單位采用。慕尼黑工業(yè)大學(xué)建筑材料研究所和大連大學(xué)采用耦合作用下混凝土耐久性測(cè)試設(shè)備，進(jìn)行了應(yīng)力作用下混凝土氯離子傳輸性能研究；中國(guó)建材總院、大連市建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院股份有限公司、中鐵十九局集團(tuán)有限公司等單位運(yùn)用壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)港珠澳跨海大橋、大連新機(jī)場(chǎng)、大連地鐵、大連南部濱海大道跨海大橋、蕪湖長(zhǎng)江公路二橋等多個(gè)工程標(biāo)段進(jìn)行輔助混凝土配合比設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全服役期評(píng)價(jià)，提升了工程配合比設(shè)計(jì)的合理性、服役期評(píng)價(jià)的科學(xué)性及工程結(jié)構(gòu)的安全性，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)效益巨大、應(yīng)用前景廣闊。

  項(xiàng)目研究成果為氯鹽環(huán)境下服役的重大工程混凝土全壽命設(shè)計(jì)與安全服役提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)提升混凝土工程耐久性評(píng)價(jià)和壽命預(yù)測(cè)技術(shù)水平具有重要推動(dòng)作用，總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。該成果獲得2016年度中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)·中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。研究團(tuán)隊(duì)姚燕教授獲得第十一屆光華工程科技獎(jiǎng)，吳浩博士獲得第三屆杰出工程師青年獎(jiǎng)，王振地博士獲得中國(guó)科協(xié)首批“青年人才托舉工程”支持，項(xiàng)目還培養(yǎng)了多名博士后和研究生。

國(guó)際科技合作成果豐碩

  能夠取得這項(xiàng)具有國(guó)際領(lǐng)先水平的研究成果，一方面來自于中國(guó)建材總院科技團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)達(dá)15年的努力耕耘和工程驗(yàn)證，另一方面也得益于深入的國(guó)際科技合作。

  2010年，俄羅斯工程院院士、國(guó)際著名學(xué)術(shù)組織RILEM前任主席F. H. Wittmann教授訪問中國(guó)建材總院，了解到團(tuán)隊(duì)在基于拉、壓應(yīng)力與氯離子耦合作用平臺(tái)的建立和應(yīng)力場(chǎng)作用下氯離子在混凝土中傳輸規(guī)律研究方面取得的豐碩成果，很是贊賞，并建議中國(guó)建材總院院長(zhǎng)姚燕通過RILEM（“國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)”的法文縮寫）技術(shù)委員會(huì)，形成國(guó)際公認(rèn)的先進(jìn)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。RILEM是一個(gè)通過世界著名專家的合作，推動(dòng)建筑材料科學(xué)及結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)展的國(guó)際學(xué)術(shù)組織，其工作主要是對(duì)提出的科學(xué)方法在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)，以驗(yàn)證該方法的復(fù)演性、科學(xué)性，并最終出版國(guó)際推薦規(guī)范。

  2011年年初，中國(guó)建材總院正式向RILEM組織提出成立“荷載與環(huán)境因素耦合作用下混凝土耐久性測(cè)試方法”技術(shù)委員會(huì)。經(jīng)復(fù)雜和嚴(yán)格的審批程序，2011年9月，在RILEM第65次年會(huì)上，RILEM TC 246-TDC技術(shù)委員會(huì)正式獲批成立。該技術(shù)委員會(huì)共有來自澳大利亞、比利時(shí)、波蘭、德國(guó)、法國(guó)、芬蘭、荷蘭、加拿大、美國(guó)、南非、葡萄牙、日本、西班牙、印度和中國(guó)共15個(gè)國(guó)家的41名著名科學(xué)家共同開展工作，其主要目標(biāo)是通過國(guó)際比對(duì)試驗(yàn)，建立應(yīng)力作用下混凝土耐久性試驗(yàn)方法，為實(shí)際工程混凝土壽命預(yù)測(cè)評(píng)估提供支撐。

  2011年到2016年的5年間，RILEM TC 246-TDC技術(shù)委員會(huì)開展了大量艱苦、細(xì)致、系統(tǒng)的研究工作，先后在中國(guó)北京、南非開普敦、中國(guó)青島、法國(guó)巴黎、荷蘭代爾夫特、德國(guó)慕尼黑、比利時(shí)根特、中國(guó)深圳、丹麥靈比等城市召開了10次工作會(huì)議，在北京召開了1次國(guó)際研討會(huì)。中國(guó)建材總院也外派青年科技工作者到德國(guó)工作，利用德方先進(jìn)測(cè)試平臺(tái)開展深入理論與試驗(yàn)研究。最終，該技術(shù)委員會(huì)提出的測(cè)試方法經(jīng)過5個(gè)國(guó)際先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的多輪次對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該方法復(fù)演性好、科學(xué)性強(qiáng)，最終的成果報(bào)告發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Materials and Structures》上。同時(shí)，經(jīng)過多位國(guó)際專家審議的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法也通過RILEM發(fā)布實(shí)施。

  由于項(xiàng)目研究工作是國(guó)際前沿和難點(diǎn)問題，除了與RILEM技術(shù)委員會(huì)合作以外，中國(guó)建材總院還與德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)通過國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際科技合作項(xiàng)目平臺(tái)，互派訪問學(xué)者，分享先進(jìn)設(shè)備和軟件，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、國(guó)際合作與交流成效顯著。

  2016年8月23日，在丹麥第70次RILEM年會(huì)上，由姚燕擔(dān)任主席的RILEM TC 246-TDC技術(shù)委員會(huì)向全體委員作了總結(jié)報(bào)告，全面報(bào)告了該技術(shù)委員會(huì)運(yùn)行5年來開展的技術(shù)研究工作和取得的成果，經(jīng)過5年運(yùn)行，圓滿完成各項(xiàng)預(yù)定任務(wù)。RILEM TC 246-TDC技術(shù)委員會(huì)最終提出的“應(yīng)力作用下混凝土耐久性評(píng)估方法”得到國(guó)內(nèi)外同仁的一致好評(píng)。F.H.Wittmann教授認(rèn)為，現(xiàn)有的所有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，均只單獨(dú)考慮混凝土在不同單一環(huán)境下的耐久性，十分有必要建立荷載與環(huán)境因素耦合作用下的混凝土耐久性測(cè)試方法，為實(shí)際的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)教授C.Gehlen認(rèn)為，采用新方法獲取的數(shù)據(jù)補(bǔ)充了歐洲混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范fib Model Code的數(shù)據(jù)庫(kù)，為混凝土耐久性設(shè)計(jì)提供了更豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

  中國(guó)建材總院在多場(chǎng)耦合作用下氯離子在水泥基材料中傳輸行為和機(jī)理研究工作中，打破現(xiàn)有單一因素評(píng)價(jià)混凝土耐久性的局限，綜合考慮荷載與環(huán)境因素的耦合作用，解決了荷載和氯鹽等多因素耦合作用下混凝土耐久性評(píng)價(jià)的國(guó)際共性關(guān)鍵技術(shù)難題，在混凝土耐久性和服役期評(píng)價(jià)技術(shù)上完成了從單一因素到耦合多因素、從中國(guó)走向世界的跨越。

  雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越。研究團(tuán)隊(duì)在多因素耦合作用下混凝土耐久性研究方面的工作并沒有停止，他們深知混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處的實(shí)際服役環(huán)境是一個(gè)非常復(fù)雜的環(huán)境，有碳化、硫酸鹽及多種環(huán)境因素疊加，還存在疲勞、沖擊等動(dòng)態(tài)荷載類型，擴(kuò)大環(huán)境因素范圍和荷載類型是他們下一步工作的重點(diǎn)。目前，應(yīng)力與碳化、約束與鹽凍耦合作用下混凝土耐久性的研究工作又已經(jīng)起步，中國(guó)建材總院將繼續(xù)保持與國(guó)際先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的深度交流與合作，開展創(chuàng)新基礎(chǔ)研究，進(jìn)一步提高中國(guó)建材總院的國(guó)際影響力。