姚 燕，王 玲，王振地，曹 銀，唐官保，杜 鵬，黃鵬飛

(中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024)

1 前 言

混凝土結(jié)構(gòu)在全世界的土建工程中都占絕對主導(dǎo)地位，約為80%～90%，各種重要的基礎(chǔ)設(shè)施工程多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可或缺的工程材料，混凝土世界年產(chǎn)量近70億立方米，我國占世界總量的60%以上?；炷敛牧夏途眯允欠郗h(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)壽命的保障，因耐久性不足帶來的龐大維修費(fèi)用在世界范圍內(nèi)都十分驚人[1, 2]。在混凝土耐久性劣化的眾多因素當(dāng)中，凍融循環(huán)、氯鹽侵蝕和碳化作用是最普遍和最主要的因素[3, 4]，由此產(chǎn)生的耐久性問題占比超過80%。

由于絕大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)是在受荷狀態(tài)下服役的，現(xiàn)階段采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的單一的環(huán)境因素條件下的耐久性試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際工程并未獲得滿意的效果。理論和試驗(yàn)研究表明，忽略外部荷載作用，只考慮不持載時未損傷混凝土在單一環(huán)境因素下的劣化與實(shí)際情況存在很大差異[5-7]。近年來，越來越多的學(xué)者開始逐漸關(guān)注并重視機(jī)械荷載與環(huán)境因素耦合作用下的混凝土耐久性，并取得了一些研究成果[5-11]。然而，外部荷載對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與介質(zhì)傳輸性能的影響使得其劣化行為與機(jī)理更加復(fù)雜，如何預(yù)測和提升服役混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性，仍是國際工程界的一大難題。

本文分析了外部荷載對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)及介質(zhì)傳輸性能的影響，重點(diǎn)針對荷載與凍融循環(huán)、氯鹽侵蝕和碳化3種典型服役環(huán)境的耦合作用，綜述了近年來國內(nèi)外學(xué)者在荷載-凍融循環(huán)、荷載-氯鹽侵蝕和荷載-碳化耦合作用下混凝土耐久性方面的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀，介紹了荷載作用下混凝土耐久性評價方法和耦合作用下混凝土壽命預(yù)測方法最新研究進(jìn)展，并指出了該領(lǐng)域后續(xù)的研究方向。

2 荷載作用下混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)與介質(zhì)傳輸

硬化混凝土是一種多相多尺度的非均質(zhì)多孔材料。環(huán)境因素條件下，外界侵蝕性介質(zhì)以擴(kuò)散、滲透、毛細(xì)吸附、遷移等不同形式侵入混凝土內(nèi)部，發(fā)生各種物理與化學(xué)變化，造成混凝土劣化。外界侵蝕性介質(zhì)侵入混凝土材料內(nèi)部主要有連續(xù)傳輸、非連續(xù)傳輸和阻塞傳輸3種途徑[12]，如圖1所示。絕大多數(shù)介質(zhì)是通過裂紋和孔隙組成的連續(xù)路徑進(jìn)入混凝土內(nèi)部的，因此荷載作用下混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性的變化，是荷載與環(huán)境因素耦合作用下混凝土劣化較單一環(huán)境因素下更為復(fù)雜的主要原因。

圖1 水泥基材料中的3種傳輸路徑示意圖[12]Fig.1 Schematic of three transmission paths in cement-based materials [12]

2.1 孔隙與裂紋

圖2是壓應(yīng)力比(與極限應(yīng)力的百分比)與混凝土微裂紋擴(kuò)展的關(guān)系示意圖[13]。在軸壓應(yīng)力條件下，當(dāng)壓應(yīng)力比在30%以下時，混凝土中界面過渡區(qū)的原始缺陷和微裂紋保持穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎沒有擴(kuò)展傾向，應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎是直線(圖2中階段①)。當(dāng)應(yīng)力比超過30%時，界面過渡區(qū)中原始微裂紋發(fā)生變化，長度、寬度和數(shù)量隨著應(yīng)力比的提高而增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始明顯偏離直線階段，直到50%的應(yīng)力比之前，界面過渡區(qū)的微裂紋擴(kuò)展仍然是穩(wěn)態(tài)的，而混凝土基體新產(chǎn)生的微裂紋可以忽略(圖2中階段②)。在達(dá)到50%～60%壓應(yīng)力比時，基體中開始產(chǎn)生裂紋，隨著應(yīng)力比進(jìn)一步提高，界面過渡區(qū)的原始微裂紋和新生微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯彎曲并趨于水平(圖2中階段③)。在應(yīng)力比達(dá)到75%～80%時，應(yīng)變能的釋放速率達(dá)到裂紋擴(kuò)展所需的臨界水平，混凝土急劇變形直至破壞(圖2中階段④)。

圖2 壓應(yīng)力水平與混凝土微裂紋擴(kuò)展的關(guān)系示意圖[13]Fig.2 Schematic of relationship between crack propagation and compressive stress ratio[13]

混凝土在單軸受拉時，裂紋擴(kuò)展方向與應(yīng)力方向垂直，每條新裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)散都減小了混凝土有效承載面積，從而導(dǎo)致臨界裂紋尖端應(yīng)力增大。因此，拉伸荷載作用下混凝土微結(jié)構(gòu)破壞對所施加應(yīng)力大小的敏感程度要遠(yuǎn)大于壓荷載的作用。

不同形式的荷載作用造成混凝土微結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變化，可能引起裂紋的閉合、萌生與擴(kuò)展。原始裂紋的閉合延緩?fù)饨缃橘|(zhì)的侵入，而微裂紋的相互交錯會使孔隙曲折度降低、連通度增大，加速外界侵蝕性介質(zhì)侵入。典型的侵蝕性介質(zhì)(如氯離子、CO2、水等)在混凝土中傳輸行為的變化直接影響混凝土在氯鹽侵蝕、碳化或凍融循環(huán)等環(huán)境因素條件下的耐久性。以荷載-凍融循環(huán)耦合作用為例，研究表明[14-21]，凍結(jié)過程中隨著溫度的降低，混凝土孔隙水結(jié)冰量增加，結(jié)冰膨脹導(dǎo)致微裂紋萌生與擴(kuò)展、孔隙連通度增加；融解過程中，孔隙連通導(dǎo)致孔隙內(nèi)相對濕度和飽水度增大。凍融循環(huán)過程中，孔隙水在水、冰兩相之間重復(fù)變化(圖3)，導(dǎo)致微裂紋擴(kuò)展，混凝土出現(xiàn)明顯內(nèi)部損傷，外部荷載使得這種損傷加劇，基體產(chǎn)生的不可恢復(fù)變形緩慢增加。經(jīng)多次凍融循環(huán)，飽水度持續(xù)增大，不可恢復(fù)變形急速增加，直至混凝土材料完全破壞。

圖3 凍融過程中冰的形成與融化過程[19]Fig.3 Actions of ice formation and melting during freeze-thaw cycles[19]

2.2 介質(zhì)傳輸

一般情況下服役混凝土是帶裂紋工作的，外界荷載通過改變混凝土材料的微結(jié)構(gòu)而影響介質(zhì)傳輸性能。不同荷載形式下，混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化不同，一般用滲透性來表征混凝土材料抵抗外界侵蝕性介質(zhì)的能力。

圖4和圖5為典型研究中壓應(yīng)力和拉應(yīng)力對混凝土滲透性影響的結(jié)果[22-28]。可以看出，壓應(yīng)力作用下，不同介質(zhì)在混凝土中的滲透行為大致可以分為兩個階段：第一階段荷載的施加一定程度上使得混凝土內(nèi)孔隙閉合，混凝土基體變得更加密實(shí)，介質(zhì)在其中的傳輸速率表現(xiàn)為不同程度的下降；第二階段則是當(dāng)外加應(yīng)力超過某特定范圍或者特定值(也被稱為臨界應(yīng)力比)后，介質(zhì)在其中的傳輸速率明顯增大，混凝土滲透性顯著增大。與軸向壓應(yīng)力下的滲透性輕微下降不同，軸向拉應(yīng)力下混凝土第一階段的介質(zhì)傳輸能力隨著拉應(yīng)力的增加而緩慢增大，達(dá)到臨界應(yīng)力水平之前，介質(zhì)的傳輸速度未明顯加快。第二階段的傳輸行為與壓應(yīng)力下類似，超過臨界應(yīng)力水平之后，介質(zhì)的傳輸速度顯著增加。

圖4 壓應(yīng)力對混凝土滲透性的影響[22-24]Fig.4 Influence of compressive stress on concrete permeability[22-24]

圖5 拉應(yīng)力對混凝土滲透性的影響[25-28]Fig.5 Influence of tensile stress on concrete permeability[25-28]

圖6和圖7總結(jié)了文獻(xiàn)中壓應(yīng)力和拉應(yīng)力作用下混凝土滲透性顯著增大的臨界應(yīng)力比[22-52]。壓應(yīng)力作用下的臨界應(yīng)力比分布在0.3～0.9范圍內(nèi)，拉應(yīng)力下臨界應(yīng)力比相對集中分布在0.2～0.5范圍內(nèi)，但也有學(xué)者獲得了0.9的高臨界應(yīng)力比。

作為一種非均質(zhì)準(zhǔn)脆性材料，混凝土材料組成、滲透介質(zhì)、試驗(yàn)裝置與方法都會對滲透性測試結(jié)果造成影響，但以歸一化的應(yīng)力比為自變量時，臨界應(yīng)力比仍在如此寬的范圍內(nèi)波動，進(jìn)一步證明應(yīng)力水平與傳輸性能并不存在直接對應(yīng)關(guān)系，本質(zhì)的原因應(yīng)歸結(jié)于荷載對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)(孔隙率、孔隙曲折度和孔隙連通度等)與裂紋狀態(tài)(張開與閉合)的影響方面。因此，荷載與服役環(huán)境耦合作用下混凝土劣化行為與機(jī)理比單一環(huán)境因素作用更加復(fù)雜。

圖6 壓應(yīng)力下混凝土滲透性改變的臨界應(yīng)力比[22-24, 29-51]Fig.6 Critical stress ratio of permeability change of concrete under compressive stress[22-24, 29-51]

圖7 拉應(yīng)力下混凝土滲透性改變的臨界應(yīng)力比[25-28, 52]Fig.7 Critical stress ratio of permeability change of concrete under tensile stress[25-28, 52]

3 荷載作用下混凝土耐久性評價方法

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)考慮了混凝土在不同單一環(huán)境下的耐久性。然而，試驗(yàn)結(jié)果表明，荷載和環(huán)境因素的耦合作用會產(chǎn)生疊加效應(yīng)，造成混凝土的破壞速度和程度遠(yuǎn)大于單一作用，這是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)不到設(shè)計服役壽命的重要原因之一[5-11]。因此，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)際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命預(yù)測提供依據(jù)。

考慮耦合作用下的耐久性已經(jīng)成為共識，國內(nèi)外學(xué)者在傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上開展了多種探索性嘗試，基本存在荷載與環(huán)境因素“先后作用”[36, 46, 51]和“同時作用”[6, 9, 11, 20, 21, 53]兩個學(xué)術(shù)流派，但二者的“同時作用”更符合工程實(shí)際。然而，“同時作用”在試驗(yàn)設(shè)備與測試方法上存在諸多難點(diǎn)，一些傳統(tǒng)表征參數(shù)不適用。

下文重點(diǎn)針對荷載-凍融、荷載-氯鹽和荷載-碳化耦合作用，分析在測試設(shè)備、表征參數(shù)等方面存在的難點(diǎn)和問題，綜述近年來相關(guān)研究進(jìn)展。

3.1 荷載和凍融耦合作用

3.1.1 難點(diǎn)和問題

荷載-氯鹽耦合作用下混凝土耐久性測試設(shè)備與評價方法研究存在的難點(diǎn)和問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)劇烈、頻繁溫變條件下加載設(shè)備若無應(yīng)力補(bǔ)償，荷載損失較高。荷載-凍融循環(huán)耦合作用下混凝土耐久性測試設(shè)備需要在劇烈變溫、長期反復(fù)凍融條件下提供并保持穩(wěn)定荷載?，F(xiàn)有耦合試驗(yàn)研究中常用的加載裝置主要有彈簧式加載[8, 9]、千斤頂式加載[53]等。這幾種傳統(tǒng)的加載裝置與混凝土試件之間均為剛性接觸，不同材料之間熱膨脹系數(shù)差異，以及凍融循環(huán)過程中由于混凝土試件表面剝落、內(nèi)部孔隙水結(jié)冰膨脹-融解收縮等原因，都會在很大程度上影響施加荷載的穩(wěn)定性，反復(fù)凍融過程中混凝土產(chǎn)生的內(nèi)部損傷也會導(dǎo)致施加的外部荷載隨凍融循環(huán)而持續(xù)減小，甚至是迅速衰減。由于這幾種傳統(tǒng)加載裝置都沒有荷載監(jiān)測和周期性補(bǔ)償，都不能完全保證凍融環(huán)境下荷載的精確施加和穩(wěn)定保持。

(2)在表征參數(shù)方面，傳統(tǒng)方法僅能獲得質(zhì)量損失、相對動彈性模量和強(qiáng)度等傳統(tǒng)參數(shù)，不能在線連續(xù)監(jiān)測損傷參數(shù)，難以用于工程實(shí)際?，F(xiàn)有的研究中通常采用質(zhì)量損失率[8, 9, 54-57]、相對動彈性模量[8, 9, 54-57]、毛細(xì)吸水系數(shù)[54]、力學(xué)性能參數(shù)[56]等來表征混凝土在凍融循環(huán)作用下的表面剝落損傷和內(nèi)部損傷，但這些參數(shù)均是周期性測試參數(shù)，無法實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測量，不能連續(xù)獲得混凝土劣化的全過程信息，可能丟失重要的性能演化臨界點(diǎn)。另外，質(zhì)量損失只能反映凍融循環(huán)造成的表面剝落，相對動彈性模量、毛細(xì)吸水系數(shù)和強(qiáng)度只能間接表征凍融產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展，不能反映溫濕度梯度、孔隙溶液相變、試件體積變形等信息，不足以全面評估荷載-凍融循環(huán)耦合作用下混凝土的耐久性；耦合作用下混凝土材料耐久性評價尚停留在利用傳統(tǒng)參數(shù)描述劣化行為階段，難以用于工程實(shí)際的在線連續(xù)監(jiān)測與評價。

3.1.2 探索和成果

(1)測試設(shè)備與方法。中國建筑材料科學(xué)研究總院(CBMA)研究團(tuán)隊很早便開始了應(yīng)力作用下混凝土抗凍性測試設(shè)備的研發(fā)[53, 57]，發(fā)明了由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、荷載傳感器、程序控制和信號采集與反饋系統(tǒng)構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施加荷載的在線監(jiān)測和精確補(bǔ)償。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定施加外部荷載，荷載傳感器實(shí)時監(jiān)測試件實(shí)際受力大小，當(dāng)施加荷載發(fā)生變化時能夠自動啟動液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)載，實(shí)現(xiàn)了在-30～25 ℃范圍內(nèi)，26 ℃/h升降溫速率下外部荷載的精確施加和持續(xù)穩(wěn)定保持。經(jīng)過實(shí)踐過程中的多次更新?lián)Q代，得到了荷載和凍融作用下混凝土耐久性的測試設(shè)備與方法[20, 53, 57]。

(2)表征參數(shù)及劣化規(guī)律。CBMA研究團(tuán)隊[14-21, 53, 57, 58]在混凝土試件中預(yù)置多種傳感器，采用信號隔離技術(shù)，解決了長期劇烈溫變條件下凍融熱交換介質(zhì)對弱電信號的干擾、多參數(shù)采集時的信號干擾問題，實(shí)現(xiàn)了多種信號的實(shí)時連續(xù)采集。利用連續(xù)采集的耦合作用下混凝土試件的應(yīng)變、電阻率、相對濕度、溫度和荷載等參數(shù)，獲得了混凝土劣化的孔隙溶液結(jié)冰程度(電阻率表征)、裂紋萌生與擴(kuò)展(應(yīng)變和電阻率表征)、孔隙連通(電阻率表征)、飽水度增大(相對濕度和電阻率表征)等全過程信息[14-19]，并分析得出荷載-凍融循環(huán)協(xié)同作用下混凝土劣化規(guī)律[14-19]。結(jié)果表明，彎拉荷載-凍融耦合作用下，混凝土試件拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)均產(chǎn)生了不可逆的殘余應(yīng)變，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；施加應(yīng)力比越大，殘余應(yīng)變越大(圖8)；外加荷載加劇受凍混凝土的損傷。殘余應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈三段式發(fā)展(圖9)，分別為加速增長期、緩慢增長期和加劇破壞期[21]，可以通過連續(xù)監(jiān)測荷載-凍融循環(huán)過程中混凝土的應(yīng)變來獲取混凝土損傷演變信息。

圖8 荷載-凍融耦合作用下殘余應(yīng)變的變化[21]Fig.8 Residual strain of concrete under combined freeze-thaw cycles and load[21]

圖9 荷載-凍融耦合作用下殘余應(yīng)變演變規(guī)律[21]Fig.9 Residual strain evolution of concrete under combined freeze-thaw cycles and load[21]

3.2 荷載和氯鹽耦合作用

3.2.1 難點(diǎn)和問題

荷載-氯鹽耦合作用下混凝土耐久性測試設(shè)備與評價方法研究存在的難點(diǎn)和問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)受試件裝配方式的限制，拉伸試驗(yàn)普遍存在試件受力偏心和端部應(yīng)力集中問題，影響氯離子穩(wěn)定擴(kuò)散。國內(nèi)外開展較多的是壓荷載-氯鹽耦合作用[33-38, 40, 42, 43, 50, 51]和彎曲荷載-氯鹽耦合作用[59-62]下混凝土的性能試驗(yàn)研究，拉荷載-氯鹽耦合作用下的混凝土性能研究相對較少。這主要是由于缺乏能夠長期保證精確軸向拉應(yīng)力和氯鹽侵蝕耦合作用的試驗(yàn)裝置。由于混凝土材料的離散性以及試驗(yàn)裝置的限制，軸拉試驗(yàn)要完全避免偏心和端部應(yīng)力集中非常困難，國內(nèi)外至今尚未完全解決這一問題?，F(xiàn)有的單軸拉伸試驗(yàn)的試件裝配方法有粘接法、夾持法和內(nèi)埋法3種。粘接法操作繁瑣、對粘接水平要求苛刻、試件極易從粘接面脫落，試驗(yàn)成功率很低；夾持法和內(nèi)埋法極易造成試件端部的應(yīng)力集中，3種方法都不能有效解決偏心問題。

(2)采用浸泡實(shí)現(xiàn)氯離子自然擴(kuò)散，易腐蝕加載裝置造成應(yīng)力損失，且無氯鹽濃度的精確控制措施。現(xiàn)有的荷載-氯鹽侵蝕試驗(yàn)[33-38, 40, 42, 43, 50, 51]常將加載裝置連帶試件整體浸泡入侵蝕溶液，長期浸泡容易導(dǎo)致裝置腐蝕造成應(yīng)力損失；隨著氯鹽溶液不斷向混凝土內(nèi)部傳輸以及長齡期試驗(yàn)條件下的蒸發(fā)效應(yīng)，氯鹽溶液濃度存在較大波動，無法實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場與氯離子濃度場的長期穩(wěn)定。

(3)多采用電加速法測試氯離子擴(kuò)散系數(shù)，與工程實(shí)際不符。測試方法方面，現(xiàn)有的研究[33, 34, 37, 42, 51]多采用電加速法測試氯離子擴(kuò)散系數(shù)，與自然條件下的氯離子擴(kuò)散存在較大差異，耦合作用下混凝土材料耐久性評價尚停留在利用電加速氯離子擴(kuò)散系數(shù)描述劣化行為階段。

3.2.2 探索和成果

專利CN 101271103A[63]、CN 203191259U[64]和CN 102213660A[65]公開了拉應(yīng)力與環(huán)境共同作用下混凝土多因素耐久性實(shí)驗(yàn)裝置，采用不同的方法盡可能減小軸向偏心問題，但都沒有同時解決應(yīng)力偏心、裝置腐蝕和氯鹽濃度不穩(wěn)定等3個問題。

CBMA研究團(tuán)隊[66-69]分別對加載裝置和拉伸試件進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，有效解決了應(yīng)力偏心難題：① 設(shè)計啞鈴型混凝土試件，并通過在端頭預(yù)埋錨固螺栓、增加試件過渡段等措施，減輕試件夾持部位的應(yīng)力集中；② 設(shè)計帶上、下球鉸的加載裝置，通過球鉸的轉(zhuǎn)動，使啞鈴型試件在360°方向上具有自調(diào)節(jié)功能，防止偏心；③ 在立柱上粘貼應(yīng)變片，隨時監(jiān)測立柱的受力大小，及時微調(diào)保證立柱受力平衡，消除軸向偏心。此外，還創(chuàng)新性地設(shè)計了由外加溶液盒和溶液循環(huán)裝置組成的侵蝕介質(zhì)控制系統(tǒng)，通過在試件受力均勻區(qū)域粘貼溶液盒的方式避免了侵蝕溶液與加載裝置直接接觸，消除了侵蝕介質(zhì)對加載裝置的腐蝕，封閉的溶液循環(huán)系統(tǒng)可保證侵蝕溶液長期無蒸發(fā)和濃度恒定。另外，該控制系統(tǒng)中的侵蝕溶液種類、濃度范圍和流速可調(diào)，適應(yīng)不同腐蝕環(huán)境下的混凝土耐久性測試與評價。最終，形成了荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土耐久性測試設(shè)備及方法[66]。該測試設(shè)備由加載裝置和侵蝕介質(zhì)控制系統(tǒng)組成(圖10)，同時解決了耦合作用下試件軸向偏心影響氯離子穩(wěn)定傳輸、氯離子擴(kuò)散表面濃度不穩(wěn)定和裝置易受腐蝕的問題[66, 67]。

圖10 荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土耐久性測試設(shè)備示意圖[66, 67]：(a)拉荷載-氯鹽侵蝕，(b)壓荷載-氯鹽侵蝕Fig.10 Schematic diagram of test equipment for concrete durability under combined mechanical load and chloride attack[66, 67]：(a) tension and chloride attack，(b) compression and chloride attack

基于上述研究，CBMA研究團(tuán)隊向國際著名學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)RILEM申請成立了“荷載與環(huán)境作用耦合作用下混凝土耐久性測試方法”技術(shù)委員會(RILEM TC-246 TDC)。筆者任技術(shù)委員會主席，組織來自亞、歐、非、大洋和南美洲的40余名國際著名混凝土科學(xué)家共同展開工作，開展了多輪次國際對比試驗(yàn)，以驗(yàn)證測試方法的復(fù)演性和科學(xué)性。期間，組織召開了12次會議，包括一次荷載-氯鹽耦合作用下混凝土耐久性研究國際研討會。經(jīng)過多家單位的對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了提出的荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土耐久性測試方法原理科學(xué)、操作性強(qiáng)，測試方法和結(jié)果能清晰反映外部荷載對混凝土中氯鹽傳輸?shù)挠绊慬70]，形成首個荷載與服役環(huán)境作用下混凝土耐久性測試方法國際標(biāo)準(zhǔn)[71]。

3.3 荷載和碳化耦合作用

3.3.1 難點(diǎn)和問題

荷載-碳化耦合作用下混凝土耐久性研究存在的難點(diǎn)和問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)不同CO2濃度下，混凝土碳化產(chǎn)物、碳化深度發(fā)展規(guī)律和破壞機(jī)理的差異以及與自然碳化的關(guān)聯(lián)性還未明確。目前，世界各國的加速碳化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的CO2濃度不統(tǒng)一(如我國為20%，歐洲為2%)，不同加速碳化條件下的劣化進(jìn)程與自然碳化條件下(0.035% CO2)的關(guān)聯(lián)性不明朗。

(2)荷載-碳化耦合作用下的混凝土耐久性測試設(shè)備還不完善。我國科研單位率先開始關(guān)注荷載作用下的混凝土碳化破壞，開展了相應(yīng)研究，取得了一定的成果[72-79]。但在荷載和碳化耦合作用下的試驗(yàn)設(shè)備中，同時實(shí)現(xiàn)荷載精確施加與穩(wěn)定保持、CO2濃度和溫濕度高精度控制比較困難。

(3)由于混凝土的碳化進(jìn)程是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，外部荷載的施加使碳化作用下的混凝土劣化機(jī)理更為復(fù)雜。耦合作用下碳化機(jī)理的分析通常沒有從荷載作用導(dǎo)致混凝土氣體滲透性變化入手，缺乏本質(zhì)性的理論分析與研究。

3.3.2 探索和成果

目前國內(nèi)外針對荷載作用下混凝土氣體滲透和碳化作用的研究還不多，主要的探索和成果體現(xiàn)以下在3個方面:

(1)荷載作用下混凝土氣體滲透性。從圖6中壓應(yīng)力作用下混凝土滲透性研究結(jié)果來看，影響混凝土氣滲性的臨界壓應(yīng)力比分布在0.4～0.9范圍內(nèi)；由于拉應(yīng)力試驗(yàn)裝置的復(fù)雜性，拉應(yīng)力作用下混凝土的氣滲性研究較少。CBMA研究團(tuán)隊利用RILEM TC 246-TDC確定的軸壓和軸拉試驗(yàn)架、英國女王大學(xué)Autoclam滲透性測試裝置[80, 81]，測試獲得了荷載作用下的混凝土氣體滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)氣體滲透系數(shù)隨拉應(yīng)力的增大而增大，氣滲系數(shù)與拉應(yīng)力比近似呈指數(shù)關(guān)系；也證實(shí)了壓應(yīng)力下混凝土氣體滲透系數(shù)隨壓應(yīng)力增大均呈先減小后增大的趨勢，氣滲系數(shù)與壓應(yīng)力比近似呈二次函數(shù)關(guān)系[82]?；诖耍珻BMA研究團(tuán)隊還建立了基于荷載作用下氣滲系數(shù)的混凝土碳化深度預(yù)測模型，并在現(xiàn)有碳化模型的基礎(chǔ)上，探索形成了耦合作用下實(shí)際混凝土服役壽命可靠度計算模型。

(2)加速碳化與自然碳化相關(guān)性。針對國內(nèi)外加速碳化試驗(yàn)時使用的CO2濃度差異，CBMA團(tuán)隊開展了不同CO2濃度下加速碳化試驗(yàn)與自然碳化關(guān)系的對比研究[83, 84]。結(jié)果表明，與自然碳化相比，2%與20%的CO2濃度下加速碳化試驗(yàn)明顯提高了混凝土碳化深度、完全碳化區(qū)碳化程度、碳酸鈣生成量與收縮，降低了孔隙率、平均孔徑和氫氧化鈣(CH)含量，20%濃度的改變幅度遠(yuǎn)大于2%。與2% CO2加速碳化相比，20% CO2條件下混凝土早齡期碳化速度過快，碳化產(chǎn)物的生成會快速降低混凝土孔隙率，導(dǎo)致碳化系數(shù)隨著時間的增長而降低。2% CO2濃度下碳化產(chǎn)物以方解石和文石為主，20% CO2濃度下碳化產(chǎn)物以方解石和球霰石為主[83]。

(3)荷載作用下混凝土碳化試驗(yàn)設(shè)備及碳化規(guī)律。CBMA團(tuán)隊研究突破了低CO2濃度高精度控制和大容積試驗(yàn)箱內(nèi)加速循環(huán)技術(shù)難題，利用RILEM TC 246-TDC確定的軸壓和軸拉試驗(yàn)架[70, 71]，形成了一套完整的荷載與碳化耦合作用下混凝土耐久性測試設(shè)備與方法，獲得了拉、壓荷載對混凝土碳化深度、碳化系數(shù)的影響規(guī)律。荷載作用下，不同CO2濃度下混凝土碳化深度隨壓應(yīng)力比的增大呈先減小后增大的趨勢，隨拉應(yīng)力比的增大而增大；相同碳化齡期下，各應(yīng)力比的混凝土碳化深度均隨CO2濃度的提高而增大。這些研究結(jié)論與Wittmann研究團(tuán)隊[10, 72-74]得出的結(jié)論是一致的。Castel等[11]在研究荷載作用下混凝土的碳化行為時發(fā)現(xiàn)受拉區(qū)的混凝土界面過渡區(qū)處微裂紋增加，拉應(yīng)力加劇了混凝土碳化速度，CBMA團(tuán)隊的研究結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。

現(xiàn)有的國內(nèi)外研究團(tuán)隊并沒有得出統(tǒng)一的壓荷載下混凝土碳化深度曲線的臨界應(yīng)力比[10, 11, 72-74, 76-79](見表1)，分析其原因，在于加載模具、加載與碳化同時或分別進(jìn)行、碳化濃度控制等方面的差異，這也充分說明了建立統(tǒng)一的荷載-碳化耦合作用試驗(yàn)方法的必要性。

2017年，新成立的RILEM TC 281-CCC技術(shù)委員會(含有輔助性膠凝材料混凝土的碳化)[84]下設(shè)WG4工作組，在2017～2021年間專題開展荷載作用下混凝土碳化的表征和試驗(yàn)方法研究，CBMA研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)這個專題的組織工作，有望形成RILEM標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。

表1 外加荷載對混凝土碳化性能的影響Table 1 Effect of external load on concrete carbonation

4 荷載與服役環(huán)境耦合作用下混凝土壽命預(yù)測方法

荷載與服役環(huán)境耦合作用下混凝土壽命預(yù)測方法可用于新建結(jié)構(gòu)耐久性輔助設(shè)計，為混凝土結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行提供保障，也可用于既有混凝土結(jié)構(gòu)的安全性評估，為在役混凝土提供修復(fù)與維護(hù)決策建議。然而，現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測模型與方法研究中，多考慮荷載或環(huán)境的單一作用，不符合實(shí)際服役條件，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性較低。下文重點(diǎn)針對荷載-凍融和荷載-氯鹽耦合作用，分析在壽命預(yù)測模型與方法等方面存在的難點(diǎn)和問題，綜述近年來相關(guān)的研究進(jìn)展。

4.1 荷載和凍融耦合作用

4.1.1 難點(diǎn)和問題

荷載-凍融耦合作用下混凝土壽命預(yù)測模型還存在如下難點(diǎn)和問題：

(1)模型的建立基于傳統(tǒng)間歇性測試參數(shù)，模型相互之間的關(guān)聯(lián)度較低，缺乏統(tǒng)一性、規(guī)范性[85]。凍融循環(huán)條件下混凝土損傷模型主要有質(zhì)量衰減模型[86]、強(qiáng)度衰減模型[87, 88]、能量耗散模型[89, 90]、超聲波聲速變化規(guī)律模型[91]、相對動彈性模量衰減模型[92]、應(yīng)變變化規(guī)律模型[93]等，一般采用李金玉等[94]建立的不同地區(qū)混凝土室內(nèi)外凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系來進(jìn)行壽命預(yù)測。荷載-凍融耦合條件下的混凝土壽命預(yù)測模型研究相對較少[95-98]，選用最多的損傷表征參數(shù)是相對動彈性模量。由于相對動彈性模量測試屬于間歇性測試，無法實(shí)時監(jiān)測。

(2)另外，該領(lǐng)域建立的現(xiàn)有壽命預(yù)測模型多基于凍融單一因素進(jìn)行，未考慮荷載的影響，預(yù)測準(zhǔn)確性較低。

4.1.2 探索和成果

CBMA團(tuán)隊在總結(jié)現(xiàn)有模型[85]的基礎(chǔ)上，建立了首個凍融耐久性與壽命預(yù)測模型數(shù)據(jù)庫，以及基于殘余應(yīng)變的荷載-凍融耦合作用下混凝土壽命預(yù)測模型(FCB模型)[21]。

將環(huán)境因素進(jìn)行統(tǒng)一的力學(xué)等效轉(zhuǎn)化，凍結(jié)過程相當(dāng)于拉應(yīng)力加載過程，每個循環(huán)應(yīng)變值達(dá)到最大時所受到的凍融作用力為最大凍融作用力。以工程中可連續(xù)監(jiān)測的應(yīng)變?yōu)樘卣鲄?shù)，以殘余應(yīng)變來反映耦合作用下混凝土的損傷與破壞，以第二階段殘余應(yīng)變最大值εrm作為服役壽命極限狀態(tài)，彎曲荷載耦合作用下的混凝土構(gòu)件εrm取受拉區(qū)的εTm。通過受力平衡和力矩平衡，經(jīng)推導(dǎo)并修正后得到荷載-凍融耦合作用下混凝土壽命預(yù)測FCB模型(式(1))。結(jié)合快速凍融循環(huán)次數(shù)與自然凍融次數(shù)的內(nèi)在關(guān)系(式(2))[94]，可得出混凝土實(shí)際使用壽命T。

(1)

T=kNF/M

(2)

式中，各參數(shù)物理意義及取值方法詳見文獻(xiàn)[21, 94]。模型考慮了荷載-凍融循環(huán)的耦合作用，以連續(xù)監(jiān)測的應(yīng)變?yōu)樘卣鲄?shù)，預(yù)測結(jié)果更準(zhǔn)確。

建立的FCB模型和方法在哈齊專線松花江特大橋項(xiàng)目、蕪湖長江公路二橋項(xiàng)目等工程中獲得驗(yàn)證。預(yù)測得出的荷載-凍融作用下松花江特大橋混凝土連續(xù)梁的使用壽命為112年，滿足設(shè)計使用壽命100年；通過預(yù)測不同配合比的蕪湖長江公路二橋節(jié)段梁、塔柱混凝土在荷載-凍融作用下的使用壽命，對施工用節(jié)段梁、塔柱混凝土配合比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

4.2 荷載和氯鹽耦合作用

4.2.1 難點(diǎn)和問題

針對氯鹽侵蝕條件下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和壽命評價方法，國內(nèi)外開展了大量研究。文獻(xiàn)對氯鹽侵蝕環(huán)境下的混凝土壽命預(yù)測模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析和綜述[99-101]。受測試設(shè)備與方法的限制，荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土壽命預(yù)測模型與方法研究相對較少。荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土壽命預(yù)測模型還存在如下難點(diǎn)和問題：① 壽命預(yù)測模型多未考慮外部荷載的影響；② 多采用確定性方法計算服役壽命，沒有考慮模型中各輸入?yún)⒘?環(huán)境因素參量和材料特性參量)的不確定性，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性低。

4.2.2 探索和成果

CBMA團(tuán)隊在前人研究[99-106]的基礎(chǔ)上，基于Fick第二定律，以耦合作用下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為特征參數(shù)，建立了基于可靠度的荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測模型(RSC模型)(見式(3)～式(5))。

pf=p{Ccrit-C(x=c,t)<0}=Φ(-β)

(3)

(4)

(5)

式中各參數(shù)的物理意義及取值方法詳見文獻(xiàn)[67]。運(yùn)用RSC模型進(jìn)行壽命預(yù)測時，先利用研發(fā)的荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土耐久性測試設(shè)備與方法[67, 70, 71]開展實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得出D0、kL等參數(shù)，根據(jù)實(shí)際工程環(huán)境條件分析確定kT、kRH、Ccrit等參數(shù)，由工程技術(shù)文件確定c、C0等參數(shù)；再考慮各參數(shù)的概率特性，采用可靠度算法和Strurel軟件，由式(3)計算出可靠度指標(biāo)β和失效概率pf隨時間的演變曲線，對于給定可靠度指標(biāo)βtarget或失效概率ptarget，可直接得出混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命T。

RSC模型綜合考慮了混凝土結(jié)構(gòu)服役條件下影響氯離子傳輸?shù)母鞣N因素，如外部荷載、環(huán)境溫度、濕度等，與混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際服役條件一致。壽命預(yù)測方法采用了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。該壽命預(yù)測方法在港珠澳大橋工程受壓承臺混凝土和受拉承臺后澆孔混凝土中獲得驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與工程設(shè)計基本一致[67]。

5 結(jié) 語

多因素下的混凝土耐久性評價方法與壽命預(yù)測方法的研究非常必要，研究成果能更加精準(zhǔn)地評價服役混凝土耐久性、預(yù)測混凝土工程服役壽命，對我國混凝土工程安全可靠運(yùn)行和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。

通過發(fā)明荷載與典型服役環(huán)境下的混凝土耐久性測試設(shè)備與方法，建立荷載與典型服役環(huán)境下混凝土的耐久性評價技術(shù)與壽命預(yù)測方法，能解決單一耐久性加速破壞試驗(yàn)無法準(zhǔn)確反映實(shí)際服役混凝土耐久性的問題。為新建混凝土工程的配合比設(shè)計、制備與施工全過程提供指導(dǎo)，也可對現(xiàn)役混凝土工程的實(shí)際耐久性及安全服役年限進(jìn)行評估與判斷，并提出修復(fù)與維護(hù)建議，為提升混凝土工程的綜合使用年限提供重要支持。這將大大減少因混凝土性能劣化而產(chǎn)生的建造及修復(fù)費(fèi)用，為實(shí)現(xiàn)混凝土工程的綠色化、節(jié)能減排及可持續(xù)發(fā)展提供保障，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

現(xiàn)有的研究成果提供了荷載-氯鹽、荷載-凍融、荷載-碳化耦合條件下較為全面及完善的檢測設(shè)備和技術(shù)，在混凝土耐久性和服役壽命評價技術(shù)上完成了從單一因素到耦合多因素的跨越。但還存在一定的局限性，主要體現(xiàn)為：

(1)服役環(huán)境和荷載類型存在一定的局限性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處的實(shí)際服役環(huán)境非常復(fù)雜，還有硫酸鹽侵蝕等其他服役環(huán)境因素；荷載類型方面，除了軸拉、軸壓及彎曲等靜態(tài)荷載外，在實(shí)際中還存在疲勞、沖擊等動態(tài)荷載類型。今后的重點(diǎn)研究方向在于擴(kuò)大環(huán)境因素和荷載類型，需要在逐步闡明耦合作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，開發(fā)不同環(huán)境因素與荷載作用下的混凝土耐久性測試設(shè)備和方法，探索耦合作用下的耐久性表征與評價參數(shù)。

(2)碳化反應(yīng)生成CaCO3一定程度可填充裂紋縫，荷載作用又會導(dǎo)致裂紋的加速形成與擴(kuò)展，二者同時作用下的混凝土破壞機(jī)理還值得進(jìn)行更加深入的研究。