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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、海上石油鉆井平臺等。實(shí)際工程中的混凝土材料處于應(yīng)力場、濃度場、溫度場等多場耦合環(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價(jià)和安全服役期預(yù)測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)新多場耦合作用下混凝土耐久性實(shí)驗(yàn)平臺
中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司（以下簡稱中國建材總院）院長姚燕自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試設(shè)備、混凝土劣化規(guī)律和壽命預(yù)測模型開展研究工作。
針對多場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)力場的穩(wěn)定和精確控制，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場與氯離子濃度場的穩(wěn)定耦合，闡明應(yīng)力場對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)力場與氯離子濃度場耦合作用下混凝土耐久性實(shí)驗(yàn)裝置開展工作。長齡期、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)。
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)力對混凝土中氯鹽傳輸影響的測試方法，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，明確了荷載對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律。很后，研究團(tuán)隊(duì)編制完成了多場耦合作用下混凝土耐久性測試方法RILEM國際標(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)測模型
實(shí)驗(yàn)平臺和測試方法的創(chuàng)新，為混凝土耐久性定量設(shè)計(jì)、評估及壽命預(yù)測提供了堅(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，表征與評價(jià)不同應(yīng)力場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)的波動對壽命預(yù)測準(zhǔn)確性的影響，適用性強(qiáng)、可靠性高。
研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺和壽命預(yù)測模型被國內(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)測模型，對港珠澳跨海大橋、大連新機(jī)場、大連地鐵、大連南部濱海大道跨海大橋、蕪湖長江公路二橋等多個(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)安全服役期評價(jià)，提升了工程配合比設(shè)計(jì)的合理性、服役期評價(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)，對提升混凝土工程耐久性評價(jià)和壽命預(yù)測技術(shù)水平具有重要推動作用，總體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。該成果獲得2016年度中國建筑材料聯(lián)合會·中國硅酸鹽學(xué)會技術(shù)發(fā)明一等獎。研究團(tuán)隊(duì)姚燕教授獲得第十一屆光華工程科技獎，吳浩博士獲得第三屆杰出工程師青年獎，王振地博士獲得中國科協(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。
國際科技合作成果豐碩
能夠取得這項(xiàng)具有國際領(lǐng)先水平的研究成果，一方面來自于中國建材總院科技團(tuán)隊(duì)長達(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際科技合作。
2010年，俄羅斯工程院院士、國際著名學(xué)術(shù)組織RILEM前任主席F. H. Wittmann教授訪問中國建材總院，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的建立和應(yīng)力場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，并建議中國建材總院院長姚燕通過RILEM（“國際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會”的法文縮寫）技術(shù)委員會，形成國際公認(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，推動建筑材料科學(xué)及結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)展的國際學(xué)術(shù)組織，其工作主要是對提出的科學(xué)方法在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)對比試驗(yàn)，以驗(yàn)證該方法的復(fù)演性、科學(xué)性，并很終出版國際推薦規(guī)范。
2011年年初，中國建材總院正式向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試方法”技術(shù)委員會。經(jīng)復(fù)雜和嚴(yán)格的審批程序，2011年9月，在RILEM第65次年會上，RILEM TC 246-TDC技術(shù)委員會正式獲批成立。該技術(shù)委員會共有來自澳大利亞、比利時(shí)、波蘭、德國、法國、芬蘭、荷蘭、加拿大、美國、南非、葡萄牙、日本、西班牙、印度和中國共15個(gè)國家的41名著名科學(xué)家共同開展工作，其主要目標(biāo)是通過國際比對試驗(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)測評估提供支撐。
2011年到2016年的5年間，RILEM TC 246-TDC技術(shù)委員會開展了大量艱苦、細(xì)致、系統(tǒng)的研究工作，先后在中國北京、南非開普敦、中國青島、法國巴黎、荷蘭代爾夫特、德國慕尼黑、比利時(shí)根特、中國深圳、丹麥靈比等城市召開了10次工作會議，在北京召開了1次國際研討會。中國建材總院也外派青年科技工作者到德國工作，利用德方先進(jìn)測試平臺開展深入理論與試驗(yàn)研究。很終，該技術(shù)委員會提出的測試方法經(jīng)過5個(gè)國際先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的多輪次對比試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該方法復(fù)演性好、科學(xué)性強(qiáng)，很終的成果報(bào)告發(fā)表在國際著名期刊《Materials and Structures》上。同時(shí)，經(jīng)過多位國際專家審議的測試與評價(jià)方法也通過RILEM發(fā)布實(shí)施。
由于項(xiàng)目研究工作是國際前沿和難點(diǎn)問題，除了與RILEM技術(shù)委員會合作以外，中國建材總院還與德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)通過國家自然科學(xué)基金國際科技合作項(xiàng)目平臺，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年會上，由姚燕擔(dān)任主席的RILEM TC 246-TDC技術(shù)委員會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)委員會很終提出的“應(yīng)力作用下混凝土耐久性評估方法”得到國內(nèi)外同仁的一致好評。F.H.Wittmann教授認(rèn)為，現(xiàn)有的所有國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(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試方法，為實(shí)際的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測提供依據(jù)。德國慕尼黑工業(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，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)。
中國建材總院在多場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價(jià)的國際共性關(guān)鍵技術(shù)難題，在混凝土耐久性和服役期評價(jià)技術(shù)上完成了從單一因素到耦合多因素、從中國走向世界的跨越。
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，中國建材總院將繼續(xù)保持與國際先進(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)一步提高中國建材總院的國際影響力。
