作者:王超 丁佳 来源:中国科学报 发布时间:2017/4/13 8:45:19
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你“耐”我“荷”
混凝土载荷耐久性评价技术获突破

科研人员在进行新拌混凝土含气量实验 

■本报记者 王超 丁佳

今年3月,国际材料与结构研究实验联合会(RILEM)正式在全世界范围内发布了《环境与荷载因素耦合作用下混凝土耐久性测试方法》,这是首个获得国际认可的环境因素和荷载耦合作用下混凝土耐久性测试方法,这项完全自主创新研发的科技成果来自中国。

历经15年、12位科研人员的共同努力,中国建材总院院长、高性能混凝土科学家姚燕带领的攻关团队直面国际前沿热点问题,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。

一项从单一到辩证的科学蜕变

混凝土是最大宗建筑材料,其耐久性能的优劣往往决定着工程结构的服役行为和寿命,被认为与混凝土强度同等重要。20世纪90年代初,国外有大量建(构)筑工程因混凝土耐久性问题而丧失使用功能,这带来巨额经济损失,全世界每年用于工程修复和重建费用高达数千亿美元。我国当时正处在高速发展时期,一批重点工程正在兴建和筹划,每年混凝土用量巨大,提高混凝土耐久性,在我国同样重要和紧迫。

“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。”姚燕说,“比如,寒冷地区冻融循环破坏和海洋环境氯离子侵蚀引起钢筋腐蚀破坏,这两种环境因素是破坏混凝土耐久性的最主要因素。”

而混凝土除了受到环境因素的影响,还要承受各种服役荷载,两者的叠加形成“协同作用”。协同作用造成的破坏会产生叠加效应,其破坏速度和程度远大于单一因素作用。但是,这种耦合作用被普遍忽略了,原有的基于单一环境因素的耐久性评价和寿命预测方法并不安全,混凝土结构在服役时存在达不到设计年限、提前遭到破坏的风险。

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。然而,目前的研究仍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。与此同时,随着混凝土工程的设计理论、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,亟须建立相关的评估模型进行预测。

一场敬畏建筑生命的科学探索

做第一个吃螃蟹的人谈何容易,理念、概念、实验都是新的。用中国建材总院高级工程师王振地的话说,“这个实验没有经验可循,小到零件工具,大到设备装置,都得自己摸着石头过河。”

以王振地参与的载荷与冻融研究为例,仅实验装备就做了三个版本,耗时八年。

“一般实验研究使用的是弹簧制成的小型加载装置,只能做砂浆或净浆试件,荷载损失特别快,难以模拟实际环境中冻融循环对混凝土的影响,所以我们想要研发出一种保载性能好、可以做混凝土试件、能够采集劣化参数的实验装置。”王振地说。

他坦言,这台装置最初的一个版本相当“简陋”——一个一百多公斤的架子搭载着混凝土,每次都要用千斤顶举上去,放到环境箱中,还无法采集到内部的信号数据。

后来,科研人员又将这台“纯手动”设备改造成了“半自动”,最终达到了“全自动”标准,不但解放了人力,还能够一次测量就拿下变形、电阻率等全部数据。

过程 “熬人”,遇到技术瓶颈时,姚燕经常通宵达旦地跟团队成员一起讨论。中国建材总院水泥院混凝土所副所长吴浩回忆,这成为团队继续坚持下去的动力。

姚燕本人也常说:“混凝土耐久性的研究工作是艰苦的、乏味的,但我们的工程技术人员在项目实施中不怕困难,以苦为乐。”

在互相支撑的氛围下,科研人员共同化解了一个又一个难题,最终啃下了这块“硬骨头”。

一举揭开砼耐久性的神秘面纱

通过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典型环境下混凝土的耐久性评价与寿命评估方法。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。

第一,在研究荷载—冻融循环协同作用下时,针对原有评价方法中采用动弹性模量和质量损失不能连续监测,无法获得内部劣化参数的现状,首次提出劣化过程新的表征参数,采用应变、电阻率和相对湿度表征混凝土的劣化更为科学和准确;第二,在研究荷载—氯盐侵蚀协同作用下,通过设计轴向拉伸试件,发明可实现上、下球铰实现试件360°自调节的新装置,实施应变计监测和及时微调,有效解决试件轴向偏心影响氯离子稳定传输难题,达到偏心率<3.0%。

“我们开发了具有自主知识产权、能实现精确应力加载的两种混凝土耐久性测试设备,成功模拟了实际工程混凝土的应力和化学介质腐蚀、冻融循环等协同作用状态,阐明了水泥基材料在多因素协同作用下的损伤失效行为和机理。”姚燕说。

2017年1月,这项成果获得了“中国建筑材料联合会·中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖”技术发明类一等奖,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依据。

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。

一群进军国际舞台的科学匠人

深受恩师中国工程院院士吴中伟影响,姚燕立志要“把我国重点工程寿命延长到百年以上”,在她看来,做科研,不但要在国内领先,还要能走出国门,在国际学术界争得一席之地。

2011年,中国建材总院向RILEM申请成立“环境与荷载因素耦合作用下混凝土耐久性测试方法”技术委员会并获得批准。而姚燕也成为了中国大陆首个RILEM技术委员会主席,组织15个国家的41名国际著名混凝土科学家共同工作。

“在环境因素和机械应力的多因素耦合作用方面,姚燕的研究解决了具有挑战性的科学难题。”中国工程院、美国国家工程院、印度工程院三院院士Surendra P. Shah 教授评价道。

从RILEM成立至今70年间,RILEM每个技术委员会的主席均由欧美等发达国家的研究者担任,主席单位也被发达国家垄断。中国建材总院耐久性测试方法技术委员会的成功获批改写了这一历史。

瑞士联邦理工大学建材实验室主任、水泥混凝土领域的国际顶级期刊Cement and Concrete Research主编Karen Scrivener认为,姚燕团队的研究反映了当前对实际应用条件下耐久性问题研究的热点,对多因素耦合作用下混凝土的失效机理进行了前瞻性的研究。

据了解,“环境与荷载因素耦合作用下混凝土耐久性测试方法”技术委员会的最终研究成果报告已被RILEM官方杂志Materials and Structures接收,并已在全世界正式推广。

自此,“总院人”站上了一个更大的舞台。而在这个舞台上,中国建材总院还将继续为中国混凝土和建材事业发声、发力,为实现国家“一带一路”战略、海洋开发、西部建设、节能减排和可持续发展不断贡献智慧和力量。

《中国科学报》 (2017-04-13 第5版 技术经济周刊)
 
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