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想。近年來，我國的橋梁工程無論在建設(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)展和國家發(fā)展建設(shè)的需要，幾十公里長的跨海、海峽大橋，高速鐵路橋與輕軌運輸高架橋等宏偉工程也已逐漸開始建設(shè)。與此同時，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、中國臺灣海峽等的挑戰(zhàn)。同時也給橋梁工作者帶來了更多的發(fā)展機(jī)遇。
2019年已經(jīng)過去，在過去的一年中我國橋梁建設(shè)仍然繼續(xù)往年強(qiáng)勁的勢頭，飛速發(fā)展，為了在2020年中取得更加突出的成績，非常有必要對過去一年的研究進(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)^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)過近百年的發(fā)展，其主體研究已經(jīng)趨于成熟。從時間尺度上看，長期以來混凝土橋梁的研究重點集中在橋梁建設(shè)期。在大規(guī)模建設(shè)基本完成后，混凝土橋梁進(jìn)入運營與養(yǎng)護(hù)階段。2019年初，專家在“我國海洋橋梁工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及對策研究”一文中指出：我國橋梁結(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，著重研究其運營性能，特別是服役期復(fù)雜運營環(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)測理論、服役期抵抗災(zāi)害（地震、洪水和臺風(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。
近一年來，高性能混凝土的發(fā)展有以下幾個方向：綠色高性能混凝土，纖維增強(qiáng)混凝土，自密實混凝土。
近年來隨著路網(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，我國高速公路橋梁在運營不到五年內(nèi)，即出現(xiàn)大量的鋼筋混凝土病害，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題已成為我國橋梁結(jié)構(gòu)面臨的一個嚴(yán)峻問題。耐久性的提升往往從設(shè)計（尤其是細(xì)部設(shè)計）、抗環(huán)境影響、計算理論及材料層面（抗裂、增韌、抗?jié)B等微觀機(jī)理）等角度出發(fā)。
對于橋梁耐久性設(shè)計方面：大部分研究均來自工程一線人員，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價指標(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)計年限、構(gòu)造物設(shè)計要求、材料要求和其它保護(hù)性的耐久性設(shè)計措施等角度展開，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期服役性能問題和輕量化需求，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值的成果，但也存在一些不足，目前對于耐久性研究還存在以下問題：（1）設(shè)計方面的研究還不夠細(xì)化，過于籠統(tǒng)；（2）理論研究方面成果較少，有待繼續(xù)深化；（3）環(huán)境耐久性研究針對面較窄，目前主要針對高寒、腐蝕及海洋環(huán)境方面展開，對于高溫、高熱等其他環(huán)境下的研究并不多見，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，研究直徑對試件表面形貌、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)性能的試驗研究,同時對濕熱海洋環(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期性能三個層次展開研究，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算方法及FRP筋混凝土梁疲勞壽命的預(yù)測模型。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)計研發(fā)可實現(xiàn)低溫下力學(xué)加載和應(yīng)變測試的試驗裝置，對FRP筋混凝土試件進(jìn)行梁式拉拔試驗。
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)測方法兩個基本問題展開研究。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)測方法。
混凝土材料在長期環(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-干燥循環(huán)和現(xiàn)場環(huán)境。收集了1900多個實驗確定的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)計方法。從上述研究可見，目前FRP筋耐久性研究主要針對堿環(huán)境、海洋環(huán)境、循環(huán)荷載環(huán)境方面展開研究，對于酸性環(huán)境、凍融循環(huán)高溫、濕潤-干燥循環(huán)和現(xiàn)場環(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)測試程序，對FRP材料耐久性進(jìn)行評估還有待進(jìn)一步的研究。
目前環(huán)境模擬試驗技術(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)展動態(tài)和技術(shù)水平，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境試驗的具體要求，研究混凝土環(huán)境模擬試驗室關(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)境模擬試驗室，制定詳細(xì)的混凝土早期特性試驗、耐久性試驗、裂縫控制試驗的規(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，需要模擬的實際環(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)境試驗室,通過對現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境模擬試驗室技術(shù)的研究應(yīng)用十分有必要，可從時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，并實現(xiàn)多種耦合環(huán)境的共同作用。在模擬的實際環(huán)境中進(jìn)行各種工程材料的試驗，可對環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行定性定量的、全面系統(tǒng)的仿真分析，對混凝土的耐久性、裂縫控制、各種早期特性的研究實現(xiàn)從源頭創(chuàng)新，有積極的推動作用。
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