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混凝土結構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比單一環(huán)境因素作用下嚴重。海洋環(huán)境中，氯離子極易通過滲透、擴散作用穿過混凝土保護層引發(fā)鋼筋銹蝕，造成海工建筑物和結構物失效，涉及跨海大橋、港口碼頭、海底隧道、海上石油鉆井平臺等。實際工程中的混凝土材料處于應力場、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)，因缺少相應的檢測方法與設備，現(xiàn)有的《混凝土結構耐久性設計規(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)境耦合效應計入。因此，荷載與環(huán)境因素耦合作用下混凝土耐久性評價和安全服役期預測方法引起世界同行的關注并成為研發(fā)熱點，但一直未取得實質(zhì)進展。
突破創(chuàng)新多場耦合作用下混凝土耐久性實驗平臺
中國建筑材料科學研究總院有限公司（以下簡稱中國建材總院）院長姚燕自2002年開始關注到荷載與環(huán)境因素的耦合作用會產(chǎn)生疊加效應，混凝土性能劣化速度和程度遠大于人們常規(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隊，圍繞荷載和環(huán)境因素耦合作用下的測試設備、混凝土劣化規(guī)律和壽命預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理研究的不足，解決侵蝕環(huán)境下應力場的穩(wěn)定和精確控制，實現(xiàn)應力場與氯離子濃度場的穩(wěn)定耦合，闡明應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，成為解決問題的關鍵所在。
為模擬服役條件下混凝土的真實損傷過程和傳輸行為，研究團隊首先圍繞應力場與氯離子濃度場耦合作用下混凝土耐久性實驗裝置開展工作。長齡期、高濃度鹽腐蝕環(huán)境、高應力比加載，給耐久性實驗裝置設計帶來極大挑戰(zhàn)。
隨后，研究團隊利用研發(fā)的混凝土耐久性試驗裝置，提出了應力對混凝土中氯鹽傳輸影響的測試方法，依據(jù)室內(nèi)外試驗的相關性和非穩(wěn)態(tài)擴散過程中氯鹽濃度隨時間的變化規(guī)律，推導出拉/壓荷載對氯離子擴散系數(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散系數(shù)的影響規(guī)律。很后，研究團隊編制完成了多場耦合作用下混凝土耐久性測試方法RILEM國際標準，并發(fā)布執(zhí)行。
科學研究建立服役混凝土壽命預測模型
實驗平臺和測試方法的創(chuàng)新，為混凝土耐久性定量設計、評估及壽命預測提供了堅實支撐。
為探明孔隙與微裂紋影響水泥基材料傳輸性能的機理，研究團隊還采用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，表征與評價不同應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，研究闡明微裂紋對氯離子傳輸?shù)挠绊憴C理，建立應力—微結構—傳輸性能關系模型；模擬混凝土結構實際服役條件，首次以應力作用下氯離子擴散系數(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構壽命預測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)的波動對壽命預測準確性的影響，適用性強、可靠性高。
研發(fā)的實驗平臺和壽命預測模型被國內(nèi)外多個實驗室和建設單位采用。慕尼黑工業(yè)大學建筑材料研究所和大連大學采用耦合作用下混凝土耐久性測試設備，進行了應力作用下混凝土氯離子傳輸性能研究；中國建材總院、大連市建筑科學研究設計院股份有限公司、中鐵十九局集團有限公司等單位運用壽命預測模型，對港珠澳跨海大橋、大連新機場、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工程標段進行輔助混凝土配合比設計和結構安全服役期評價，提升了工程配合比設計的合理性、服役期評價的科學性及工程結構的安全性，取得了顯著的技術經(jīng)濟效益，社會效益巨大、應用前景廣闊。
項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計與安全服役提供了堅實基礎，對提升混凝土工程耐久性評價和壽命預測技術水平具有重要推動作用，總體達到國際領先水平。該成果獲得2016年度中國建筑材料聯(lián)合會·中國硅酸鹽學會技術發(fā)明一等獎。研究團隊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
能夠取得這項具有國際領先水平的研究成果，一方面來自于中國建材總院科技團隊長達15年的努力耕耘和工程驗證，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、國際著名學術組織RILEM前任主席F. H. Wittmann教授訪問中國建材總院，了解到團隊在基于拉、壓應力與氯離子耦合作用平臺的建立和應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（“國際材料與結構研究實驗聯(lián)合會”的法文縮寫）技術委員會，形成國際公認的先進試驗方法標準規(guī)范。RILEM是一個通過世界著名專家的合作，推動建筑材料科學及結構持續(xù)發(fā)展的國際學術組織，其工作主要是對提出的科學方法在全世界范圍內(nèi)進行循環(huán)對比試驗，以驗證該方法的復演性、科學性，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”技術委員會。經(jīng)復雜和嚴格的審批程序，2011年9月，在RILEM第65次年會上，RILEM TC 246-TDC技術委員會正式獲批成立。該技術委員會共有來自澳大利亞、比利時、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個國家的41名著名科學家共同開展工作，其主要目標是通過國際比對試驗，建立應力作用下混凝土耐久性試驗方法，為實際工程混凝土壽命預測評估提供支撐。
2011年到2016年的5年間，RILEM TC 246-TDC技術委員會開展了大量艱苦、細致、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，利用德方先進測試平臺開展深入理論與試驗研究。很終，該技術委員會提出的測試方法經(jīng)過5個國際先進實驗室的多輪次對比試驗驗證，證明了該方法復演性好、科學性強，很終的成果報告發(fā)表在國際著名期刊《Materials and Structures》上。同時，經(jīng)過多位國際專家審議的測試與評價方法也通過RILEM發(fā)布實施。
由于項目研究工作是國際前沿和難點問題，除了與RILEM技術委員會合作以外，中國建材總院還與德國慕尼黑工業(yè)大學通過國家自然科學基金國際科技合作項目平臺，互派訪問學者，分享先進設備和軟件，強強聯(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，由姚燕擔任主席的RILEM TC 246-TDC技術委員會向全體委員作了總結報告，全面報告了該技術委員會運行5年來開展的技術研究工作和取得的成果，經(jīng)過5年運行，圓滿完成各項預定任務。RILEM TC 246-TDC技術委員會很終提出的“應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教授認為，現(xiàn)有的所有國家標準和國際標準中，均只單獨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，為實際的鋼筋混凝土結構服役壽命預測提供依據(jù)。德國慕尼黑工業(yè)大學教授C.Gehlen認為，采用新方法獲取的數(shù)據(jù)補充了歐洲混凝土耐久性設計規(guī)范fib Model Code的數(shù)據(jù)庫，為混凝土耐久性設計提供了更豐富的數(shù)據(jù)基礎。
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理研究工作中，打破現(xiàn)有單一因素評價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的國際共性關鍵技術難題，在混凝土耐久性和服役期評價技術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。
雄關漫道真如鐵，而今邁步從頭越。研究團隊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構所處的實際服役環(huán)境是一個非常復雜的環(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，擴大環(huán)境因素范圍和荷載類型是他們下一步工作的重點。目前，應力與碳化、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)保持與國際先進實驗室的深度交流與合作，開展創(chuàng)新基礎研究，進一步提高中國建材總院的國際影響力。
