有了它,混凝土建筑能“长命百岁”吗

时间:2017-4-16 17:42:27  作者:admin  来源:互联网  评论:0
内容摘要:在不少人的概念中,建筑建得越结实,它的使用寿命就应该越长,但人们往往会看到这样的“悖论”——经常有按照“百年工程”设计的建筑物在服役一段时间后,出现保护层剥落、钢筋锈蚀等现象。  工程结构的服役行为和寿命与混凝土耐久性能优劣直接相关,但困扰工程界的另一大难点是混凝土耐久性评价及寿...

在不少人的概念中,建筑建得越结实,它的使用寿命就应该越长,但人们往往会看到这样的“悖论”——经常有按照“百年工程”设计的建筑物在服役一段时间后,出现保护层剥落、钢筋锈蚀等现象。
  工程结构的服役行为和寿命与混凝土耐久性能优劣直接相关,但困扰工程界的另一大难点是混凝土耐久性评价及寿命评估方法。

  12位科研人员在努力15年后,终于迎来丰收的果实。
  今年3月,国际上混凝土结构学术权威机构之一——有着70年历史的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“环境与荷载因素耦合作用下混凝土耐久性测试方法”。这个有点拗口的名称,是首个获得国际认可的混凝土耐久性测试方法,这也是来自中国的世界首个混凝土耐久性推荐规范。
  美国国家工程院、中国工程院、印度工程院三院院士夏苏鲁教授曾这样评价,在环境因素和机械应力的多因素耦合作用方面,该方法解决了具有挑战性的科学难题。
  中国建筑材料科学研究总院(以下简称建材总院)院长、RILEM技术委员会首个中国大陆主席姚燕说,规范提出了荷载与典型环境下混凝土的耐久性评价与寿命评估方法,这将为混凝土结构的前期耐久性设计及后期寿命评估提供重要支撑。通俗地说,将为百年工程护航。
  千亿工程缺乏有效耐久性评价方法
  混凝土是世界最大宗建筑材料,因为结合了钢筋与混凝土的诸多优点,加上造价较低, 钢筋混凝土成为目前土木工程结构设计中的首选形式,被广泛用于公路、桥梁、机场、轨道交通、水利设施、海洋工程等领域。
  但从世界范围来看,在不少环境条件下,混凝土材料并不像当初设想的那样耐久,一些混凝土桥梁在服役约三四十年后,出现了一系列影响桥梁耐久性的现象, 如混凝土大面积开裂、表面剥落、保护层开裂、钢筋生锈等问题。
  相关资料显示,因混凝土耐久性问题丧失使用功能,全世界每年用于工程修复和重建费用高达数千亿美元。
  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,工程设计寿命也不断延长,但在恶劣的自然环境与长期存在的力学荷载的双重考验下,工程能否达到设计寿命,亟须建立相关的评估模型进行预测。
  客观耐久性测试方法成业界难题
  “多方一致认同,氯盐环境中氯离子侵蚀引起的钢筋腐蚀和寒冷地区冻融循环作用,是造成混凝土耐久性劣化的最主要因素。”建材总院博士王振地说,破坏混凝土的因素多达9类,或者更多,包括钢筋锈蚀、冻融循环、碳化、化学腐蚀、干湿循环等,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。但到目前为止,这种耦合作用被普遍地忽略。
  基于单一环境因素的耐久性评价和寿命预测方法听起来保守安全,但模型输入参量大多采用现有规范中的建议值,缺少大量数据的总结和分析;重要性能参数与混凝土实际服役时间的关联性研究也不足,这种方法的弊端是让混凝土结构在服役时存在达不到设计年限、提前破坏的风险。
  比如,前些年北京西直门北立交桥改造时,包括来自建材总院的多名专家为该桥破坏原因“会诊”,给出的结论之一是混凝土冻融破坏加氯盐破坏。
  王振地解释说,混凝土冻融破坏是寒冷地区混凝土工程最常见的病害之一,主要原因是混凝土孔隙中的水,在冻融循环作用下,形成冻胀压力和渗透压力联合作用的疲劳应力。当经过反复多次的冻融循环以后,损伤逐步积累不断扩大,发展成互相连通的裂纹,最后导致混凝土强度逐步降低,甚至完全丧失。
  不幸的是,北京在冬天要经历多次冻融循环,因此建筑会开裂、剥落、缺损等,尤其冬天雪后或者结冰后撒盐,氯盐加剧了对混凝土工程的破坏。
  要找到客观的耐久性测试方法,需要一种新思路。
   耦合研究为工程益寿延年
  “我们摒弃了单一因素研究,重点展开多因素耦合研究。”姚燕说,这一思路的转变也是为了更真实模拟实际服役条件下混凝土失效过程的研究。
  哈齐专线松花江特大桥工程面临的是荷载+冻融环境,这也是研究测试混凝土耐久性的最典型环境之一。
  有人在做实验时,采用弹簧加压的办法,一次性施加预设的荷载值后放入冻融循环的环境中,但这产生了新问题:在大温差下(8℃/小时),由于热胀冷缩以及结冰等作用,施加在混凝土上的荷载会迅速下降,就算采用国外进口的弹簧也难以保证外加荷载值的静态稳定,结果荷载没有达到预设值,而且具体损失了多少也没有监测,当然也无法重现荷载+冻融环境。
  姚燕和她的团队采用一种闭环的控制思路。
  “我们设置一个监测荷载的传感器,当荷载损失到预设的区间外时,中央控制系统会触发荷载输出机构进行荷载的补偿或卸载,荷载损失了就补偿,荷载超过了就卸载,最终目的就是使外加的荷载重新回到预设的区间内,最终实现了外部荷载的动态稳定,从而解决了大难题。”姚燕说。
  看起来很简单的思路转变背后是数十年的技术积淀。
  从1996年起,作为项目牵头组织单位,建材总院承担了多个国家科技攻关项目,对影响混凝土耐久性的主要因素,开展了大量研究。
  “每一步都是新的,都是摸着石头过河。”王振地告诉记者,研究耐久性,有想法只是第一步,之后需要建立相关的评估模型进行预测,因为市场上买不到现成的设备,为了更真实地模拟实际工程混凝土应力和腐蚀因素条件下混凝土失效过程,王振地和同事研制出荷载与典型服役环境作用下耐久性测试设备,研究混凝土劣化规律,建立寿命预测模型,以指导工程耐久性评估与辅助设计。
  在荷载+氯盐环境下的港珠澳大桥耐久性评价中,多因素耦合研究方法再次得到了应用与验证。
  “我们希望通过我们的方法,把我国重点工程寿命延长到百年以上。”姚燕说。


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