混凝土橋梁耐久性研究-2019
橋梁建設(shè)和人類文明發(fā)展息息相關(guān)，也是人類文明的重要組成部分。建造橋梁，跨越障礙是人類不懈的追求與夢(mèng)想。近年來(lái)，我國(guó)的橋梁工程無(wú)論在建設(shè)規(guī)模還是科技水平上，均已躋身前列，隨著橋梁科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)家發(fā)展建設(shè)的需要，幾十公里長(zhǎng)的跨海、海峽大橋，高速鐵路橋與輕軌運(yùn)輸高架橋等宏偉工程也已逐漸開(kāi)始建設(shè)。與此同時(shí)，隨著橋梁工程領(lǐng)域相關(guān)研究的不斷深入，橋梁新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料等不斷涌現(xiàn)，新技術(shù)應(yīng)用水平和研究水平達(dá)到了新的廣度和深度。然而，未來(lái)的橋梁工程將面臨更加惡劣的建設(shè)條件，如大風(fēng)、強(qiáng)震、深水、惡劣氣候條件等（如川藏鐵路）；更多的功能需求，如公鐵合建、全天候通車、高速鐵路等；更加巨大的工程，如瓊州海峽、中國(guó)臺(tái)灣海峽等的挑戰(zhàn)。同時(shí)也給橋梁工作者帶來(lái)了更多的發(fā)展機(jī)遇。
2019年已經(jīng)過(guò)去，在過(guò)去的一年中我國(guó)橋梁建設(shè)仍然繼續(xù)往年強(qiáng)勁的勢(shì)頭，飛速發(fā)展，為了在2020年中取得更加突出的成績(jī)，非常有必要對(duì)過(guò)去一年的研究進(jìn)行分析、總結(jié)和展望，為此筆者僅就混凝土橋及新材料這一研究方向?qū)^(guò)去一年的部分主要研究進(jìn)行總結(jié)和探討，以為廣大混凝土橋及新材料方向的同行在新的一年開(kāi)展工作提供些許參考和思路，并期待與廣大同行共同促進(jìn)混凝土橋及其新材料方向的進(jìn)一步發(fā)展。
混凝土橋梁經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，其主體研究已經(jīng)趨于成熟。從時(shí)間尺度上看，長(zhǎng)期以來(lái)混凝土橋梁的研究重點(diǎn)集中在橋梁建設(shè)期。在大規(guī)模建設(shè)基本完成后，混凝土橋梁進(jìn)入運(yùn)營(yíng)與養(yǎng)護(hù)階段。2019年初，專家在“我國(guó)海洋橋梁工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及對(duì)策研究”一文中指出：我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)高度重視環(huán)境作用及其組合、結(jié)構(gòu)耐久性、抗疲勞和全壽命設(shè)計(jì)等理論研究，以此解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。因此，在混凝土橋研究領(lǐng)域，著重研究其運(yùn)營(yíng)性能，特別是服役期復(fù)雜運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的使用性能（主要是耐久性）、全壽命周期理念下混凝土橋的壽命預(yù)測(cè)理論、服役期抵抗災(zāi)害（地震、洪水和臺(tái)風(fēng)等）的能力等方面的研究理應(yīng)備受關(guān)注，成為混凝土橋領(lǐng)域2019年的主要研究點(diǎn)。
近一年來(lái)，高性能混凝土的發(fā)展有以下幾個(gè)方向：綠色高性能混凝土，纖維增強(qiáng)混凝土，自密實(shí)混凝土。
近年來(lái)隨著路網(wǎng)交通荷載的增加，橋梁在材料耐久性、結(jié)構(gòu)可靠性、整橋使用壽命等方面都存在不同衰變。據(jù)調(diào)查，我國(guó)高速公路橋梁在運(yùn)營(yíng)不到五年內(nèi)，即出現(xiàn)大量的鋼筋混凝土病害，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題已成為我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題。耐久性的提升往往從設(shè)計(jì)（尤其是細(xì)部設(shè)計(jì)）、抗環(huán)境影響、計(jì)算理論及材料層面（抗裂、增韌、抗?jié)B等微觀機(jī)理）等角度出發(fā)。
對(duì)于橋梁耐久性設(shè)計(jì)方面：大部分研究均來(lái)自工程一線人員，研究指出必須在傳統(tǒng)理念的強(qiáng)度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加強(qiáng)強(qiáng)度與耐久性，研究中提出了特殊工況下的混凝土耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及高溫高濕強(qiáng)腐蝕海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕強(qiáng)化措施?？绾４髽蚰途眯詰?yīng)從橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)年限、構(gòu)造物設(shè)計(jì)要求、材料要求和其它保護(hù)性的耐久性設(shè)計(jì)措施等角度展開(kāi)，其中氯離子滲透是影響混凝土耐久性的關(guān)鍵因素，應(yīng)嚴(yán)格控制。在耐久性理論研究方面：大多研究均來(lái)自高校、科研院所。在環(huán)境作用下橋梁結(jié)構(gòu)耐久性研究,探討了海洋環(huán)境下大跨橋梁突出的長(zhǎng)期服役性能問(wèn)題和輕量化需求，提出海洋橋梁工程輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久材料發(fā)展的戰(zhàn)略建議。通過(guò)上述研究的總結(jié)不難發(fā)現(xiàn)，2019年在混凝土橋耐久性研究方面收獲了不少有價(jià)值的成果，但也存在一些不足，目前對(duì)于耐久性研究還存在以下問(wèn)題：（1）設(shè)計(jì)方面的研究還不夠細(xì)化，過(guò)于籠統(tǒng)；（2）理論研究方面成果較少，有待繼續(xù)深化；（3）環(huán)境耐久性研究針對(duì)面較窄，目前主要針對(duì)高寒、腐蝕及海洋環(huán)境方面展開(kāi)，對(duì)于高溫、高熱等其他環(huán)境下的研究并不多見(jiàn)，還有待進(jìn)一步的研究。
堿環(huán)境：混凝土構(gòu)件及材料在40℃和80℃的堿溶液中進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，研究直徑對(duì)試件表面形貌、破壞形態(tài)和抗壓強(qiáng)度的影響。
海洋環(huán)境：不同類型的纖維增強(qiáng)塑料筋(碳纖維CFRP、玻璃纖維GFRP)與珊瑚混凝土間粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究,同時(shí)對(duì)濕熱海洋環(huán)境下FRP筋-珊瑚混凝土粘結(jié)性能進(jìn)行劣化研究。提出了高溫海洋環(huán)境下FRP筋-珊瑚混凝土粘結(jié)強(qiáng)度折減系數(shù)公式。從海洋環(huán)境下BFRP筋蠕變、松弛、疲勞性能，體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋關(guān)鍵區(qū)域(錨固和轉(zhuǎn)向區(qū))力學(xué)性能，體外預(yù)應(yīng)力BFRP筋加固混凝土梁短長(zhǎng)期性能三個(gè)層次展開(kāi)研究，提出了恒定荷載作用下BFRP筋體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁的變形和預(yù)應(yīng)力值預(yù)測(cè)方法。
高/低溫環(huán)境：研究不同高溫條件作用后FRP筋的拉伸疲勞性能以及高溫暴露后靜載和疲勞荷載作用下FRP筋混凝土梁的受彎性能，以及高溫對(duì)不同F(xiàn)RP筋混凝土梁的大裂縫寬度、剛度和剩余承載力的影響規(guī)律。提出了高溫后FRP筋混凝土梁的大裂縫寬度、剛度及剩余抗彎承載力的計(jì)算方法及FRP筋混凝土梁疲勞壽命的預(yù)測(cè)模型。研究在低溫下纖維增強(qiáng)塑料(FRP)筋與混凝土的粘結(jié)性能，設(shè)計(jì)研發(fā)可實(shí)現(xiàn)低溫下力學(xué)加載和應(yīng)變測(cè)試的試驗(yàn)裝置，對(duì)FRP筋混凝土試件進(jìn)行梁式拉拔試驗(yàn)。
循環(huán)荷載環(huán)境：以不同載荷工況為主線，圍繞FRP的剩余強(qiáng)度模型和壽命預(yù)測(cè)方法兩個(gè)基本問(wèn)題展開(kāi)研究。建立了多種循環(huán)載荷作用下FRP的剩余強(qiáng)度模型以及疲勞載荷和自然老化共存環(huán)境下FRP的剩余強(qiáng)度模型。提出應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值共同影響下FRP的壽命預(yù)測(cè)方法。
混凝土材料在長(zhǎng)期環(huán)境影響下的機(jī)械性能，包括水/濕氣，堿性溶液，酸性溶液，低溫/高溫，紫外線輻射，凍融循環(huán)，濕潤(rùn)-干燥循環(huán)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。收集了1900多個(gè)實(shí)驗(yàn)確定的FRP材料的機(jī)械性能，包括拉伸，壓縮，彎曲和剪切強(qiáng)度和模量。討論了每種環(huán)境影響的退化機(jī)理，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。從上述研究可見(jiàn)，目前FRP筋耐久性研究主要針對(duì)堿環(huán)境、海洋環(huán)境、循環(huán)荷載環(huán)境方面展開(kāi)研究，對(duì)于酸性環(huán)境、凍融循環(huán)高溫、濕潤(rùn)-干燥循環(huán)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的研究較缺乏，并且缺乏一套有效的FRP材料耐久性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，對(duì)FRP材料耐久性進(jìn)行評(píng)估還有待進(jìn)一步的研究。
目前環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展迅速，科技成果不斷涌現(xiàn)，需要掌握環(huán)境模擬技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和技術(shù)水平，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗(yàn)的具體要求，研究混凝土環(huán)境模擬試驗(yàn)室關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)、高水平混凝土環(huán)境模擬試驗(yàn)室，制定詳細(xì)的混凝土早期特性試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、裂縫控制試驗(yàn)的規(guī)劃藍(lán)本，為下一步科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的快速發(fā)展。
進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗(yàn)，需要模擬的實(shí)際環(huán)境多種多樣，如單一環(huán)境因素的模擬，包括高溫、低溫、濕度循環(huán)、濕度循環(huán)、寒潮襲擊、劇烈干燥、淋雨、結(jié)露、凍融循環(huán)、鹽類及化學(xué)物質(zhì)浸蝕、酸性氣體腐蝕等各種氣候及腐蝕環(huán)境，以及力學(xué)加載環(huán)境等。此外，還要實(shí)現(xiàn)多種耦合環(huán)境的模擬，包括氣候環(huán)境與力學(xué)荷載作用的綜合、氣候環(huán)境與腐蝕工業(yè)環(huán)境的綜合，等等，充分考慮試驗(yàn)的綜合環(huán)境設(shè)置、荷載施加力架的布置、腐蝕環(huán)境下加載方式和設(shè)備防護(hù)等技術(shù)問(wèn)題。
因此利用環(huán)境模擬技術(shù)，建設(shè)大型多功能混凝土結(jié)構(gòu)(材料)環(huán)境試驗(yàn)室,通過(guò)對(duì)現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗(yàn)室技術(shù)的研究應(yīng)用十分有必要，可從時(shí)間到空間模擬所需要的各種環(huán)境，如自然氣候環(huán)境、工業(yè)環(huán)境、海洋環(huán)境等，并實(shí)現(xiàn)多種耦合環(huán)境的共同作用。在模擬的實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行各種工程材料的試驗(yàn)，可對(duì)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行定性定量的、全面系統(tǒng)的仿真分析，對(duì)混凝土的耐久性、裂縫控制、各種早期特性的研究實(shí)現(xiàn)從源頭創(chuàng)新，有積極的推動(dòng)作用。
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