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金伟良:混凝土结构耐久性研究是国家基础设施 建设的基石

2017-11-21 11:28:55
作者:王元
来源:《腐蚀防护之友》

混凝土是世界工程建设中使用量大面广的材料,每年耗用量达 100多亿吨。在我国,混凝土的使用量占有整个工程建设材料的 80% ~ 90%。混凝土的发展经历了从钢筋混凝土到预应力混凝土至如今的高性能高强混凝土约180 年的历程。

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金伟良 浙江大学宁波理工学院院长、浙江大学结构工程研究所所长

 

    混凝土是世界工程建设中使用量大面广的材料,每年耗用量达 100多亿吨。在我国,混凝土的使用量占有整个工程建设材料的 80% ~ 90%。混凝土的发展经历了从钢筋混凝土到预应力混凝土至如今的高性能高强混凝土约180 年的历程。在其迅猛发展的同时,混凝土结构的耐久性问题也随之凸显,许多混凝土结构由于不同原因而提前失效,轻则致使工程停用维修,重则导致重大工程的梁塌路垮,造成巨大的经济损失。随着工程结构服役环境的复杂化,混凝土结构耐久性功能要求越来越高,加大对混凝土结构耐久性的认识力度和研究力度,延长其使用寿命是现阶段急需攻克的重要课题。


    为了全面加强人们对钢筋混凝土结构耐久性研究的重视,了解钢筋混凝土结构耐久性提升技术研究进展,促进钢筋混凝土结构的技术创新,确保我国重大建设工程的安全,值此 2017 第四届海洋材料与腐蚀防护大会即将召开之际,记者特邀请到与会专家、浙江大学宁波理工学院院长、浙江大学结构工程研究所所长金伟良教授做相关方面的精彩解读。

    金伟良,现任浙江大学宁波理工学院院长、浙江大学结构工程研究所所长。他在钢筋混凝土结构耐久性方面进行了较为深入的研究,取得了众多丰硕的成果,其中包括多次获得国家级和省部级重要奖项。在国内外混凝土结构研究领域享有较高的知名度。

    重视混凝土结构研究 夯实国家建设基石
 
    钢筋和混凝土的组合被誉为土木工程结构发展史中一次重大技术革命,两者实现优势互补,钢筋有效改善了混凝土的韧性,提高了其抗拉抗弯性能,而混凝土的碱性环境则保持了钢筋表层的钝化,同时又隔离了钢筋与外界,特别是侵蚀性介质的接触,防止钢筋的锈蚀,因此,这类组合材料形成的混凝土结构已成为世界上应用最为广泛的结构形式。

    然而,任何事情并不是一劳永逸的。金教授强调,随着时间的推移,钢筋混凝土结构的耐久性问题日益突出,由于钢筋锈蚀引起混凝土结构的过早破坏,已成为全世界关注的一大灾害。美国标准局(NBS)的调查显示:在美国,目前整个混凝土工程的价值约为 6 万亿美元,而每年用于维修或重建的费用预计高达 3000 亿美元;中国的“腐蚀调查”结果显示,2014 年中国腐蚀总成本超过 2 万亿元人民币,约占当年 GDP 的3.34%,其中在工业、民用建筑中的主要腐蚀问题表现为混凝土结构的失效。

    我国有着广阔的海域和漫长的海岸线,而沿海地区又是大规模经济建设的集中地,有着大量的钢筋混凝土建筑结构,由于混凝土结构腐蚀造成的损失令人痛心疾首!我国交通部四航局科研所曾于1980 年主持了对华南地区 18 座码头的调查,结果发现 80% 以上的码头在使用 5 ~ 10 年后都发生了较为严重的钢筋锈蚀现象。近些年,浙江大学结构工程研究所对浙江省内 37 座现役桥梁和11 座码头开展了大量而广泛的耐久性调研工作,结果发现钢筋锈蚀及由此引发的保护层开裂现象非常普遍,对结构的安全和正常使用造成了严重危害,如浙江东部某国家重点工程 10 万吨级矿石中转码头不到 10 年就不得不进行腐蚀修补;南部沿海几十座服役 3 ~ 25 年的码头,因钢筋锈蚀造成的耐久性问题占 80% 以上,有的仅使用 3 ~ 7 年即出现顺筋开裂。

    因此,研究钢筋混凝土结构耐久性问题是一项急切和必需开展的课题,大力发展高性能混凝土结构材料,提高工程的设计水平和施工质量,延长工程使用寿命,对推动我们国家工程建设的发展具有重要意义!

    各路防护显神通 利弊不一需权衡
 
    众所周知,钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种材料组成,广泛应用于民用和工业建筑中,也大量用于公路、桥梁、隧道、矿井、水利工程、海洋工程以及特种结构。

    金教授强调,安全性、适用性、耐久性是保证工程结构可靠的三要素。在过去,由于人们对工程结构设计规范中的安全性考虑较多,对耐久性缺乏考虑,进而导致工程结构提前失效的案例时有发生,从而造成巨大的经济损失。钢筋混凝土结构失效主要表现为:混凝土的碳化、碱 - 集料反应和冻融破坏、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀、混凝土构件耐久性和混凝土结构体系耐久性等方面。目前国内外对于混凝土钢筋锈蚀的修复和防治方法主要分为两种:传统修补法和电化学修复法。

    一、传统修补法
 
    钢筋混凝土在建造、使用过程中受到人为影响、自然损坏或受到外力破坏,造成如麻面、露筋、孔洞、裂缝、钢筋锈蚀等缺陷,传统修复手段主要是先凿除已经劣化的混凝土保护层,对钢筋进行除锈防锈处理,对严重锈蚀的钢筋,进行旁焊补强或更换,然后对锈蚀的钢筋做除锈及阻锈处理,再使用环丙砂浆、丙乳砂浆等进行填补。

    其存在的主要问题在于修复效果难以满足长期耐久性要求,尤其对于已遭受氯盐侵蚀的海洋环境中的钢筋混凝土结构。原因是钢筋处于新旧混凝土的交界处,修补会造成钢筋表面产生电位差,且处于钢筋内侧的混凝土中氯离子难以被彻底去除,钢筋仍有再次锈蚀的可能。如美国俄勒冈州 Alsea 海湾上的多拱大桥在钢筋发生严重锈蚀后,即采用了传统修补法对破坏处进行修补,然而不久却发现其附近钢筋锈蚀加剧。

    二、常用电化学修复方法
 
    1、阴极保护法
 
    阴极保护技术是以抑制钢筋表面形成腐蚀电池为目的的电化学防腐方法,主要包括牺牲阳极法和外加电流辅助阳极法。牺牲阳极的阴极保护方法施工简便,无需提供辅助电源,维护管理更加容易,而且不易引起预应力钢筋产生氢脆危险。

    采用外加电流阴极保护的方法,大多数结构可长期可靠地抑制钢筋的腐蚀,大大降低维修成本。

    阴极保护技术应用于钢筋混凝土结构中,总体是可行的。但该方法不仅从结构建设期就需要专人管理和维护,并且需要长期维护,成本较高,因此其推广应用受到了一定的限制。此外,阴极保护技术主要应用于在建结构物,对于已经建成并已经出现钢筋锈蚀的结构物其应用效果仍有待进一步研究。

    2、电化学再碱化法
 
    电化学再碱化法是 20 世纪 70 年代末在美国和欧洲兴起的一种用于修复碳化混凝土内钢筋腐蚀的重要方法,它主要通过无损伤的电化学手段来提高被碳化混凝土保护层的碱性,使其pH值恢复,从而降低钢筋腐蚀活性,使钢筋表面恢复钝化,以减缓或阻止锈蚀钢筋的继续腐蚀。电化学再碱化,可以用于所有碳化的混凝土构筑物,已经成为世界各国公认的事实。但目前国内外对再碱化技术研究结果不尽相同。

    3、电沉积修复法
 
    电沉积修复法是最近兴起的一种修复混凝土裂缝的新方法,特别是海水中的钢筋混凝土结构,由于海水本身就是良好的电沉积溶液,因此电沉积修复法用于海工和水工结构都有很好的修复效果。但当该技术应用于陆地混凝土结构裂缝的修复时,仍存在一定的局限性。

    4、电化学除氯法
 
    目前,电化学除氯法可能对钢筋混凝土造成影响的研究比较广泛,包括钢筋-混凝土界面结合强度、碱骨料反应、氢脆及混凝土微裂缝的变化等多方面。

    值得注意的是,电化学除氯虽然对受氯盐侵蚀的钢筋混凝土结构具有较好的修复效果,但却会对其产生一些不利影响。研究发现,电化学除盐时钢筋表面会发生析氢反应,即氢脆,钢筋表面发生电化学反应生成的氢气,产生膨胀压力,导致钢筋-混凝土间黏结力下降,同时氢气也会降低钢筋的延性。另外,当混凝土中使用的集料中含有 SiO 2 等活性组分时,电化学除氯会使 K + 、Na + 向钢筋阴极附近大量聚集,从而加剧局部碱骨料反应,造成骨料破坏。

    5、电渗阻锈法
 
    近十几年来,钢筋阻锈剂作为一种使用简单、经济有效的钢筋防腐措施,被大量应用于工程中。但有研究指出,迁移型阻锈剂的渗透深度与混凝土保护层厚度、混凝土密实程度有密切关系,当混凝土保护层较厚或密实度较大时,阻锈剂不能到达钢筋表面或钢筋附近阻锈剂浓度不足,无法起到应有的阻锈效果。

    利用电场将有效阻锈剂基团输送至钢筋表面的这种技术采用的有机阻锈剂较为昂贵,且需要较长的通电时间才能达到满意的效果,因此发展较慢,直到最近几年才有所进展。有研究表明,与单一的电化学除氯及阻锈剂自然渗透修复技术相比,电迁移阻锈技术可加速阻锈剂基团迁移到钢筋表面,能显著提高防腐修复效果,并通过试验提出了以钢筋的腐蚀电位作为电迁移阻锈效果的评判方法。

    众人划桨开大船 硕果累累报祖国
 
    据记者了解,金伟良教授所带领的浙江大学混凝土结构耐久性研究团队自上个世纪 90 年代以来一直致力于混凝土材料与结构耐久性基本理论和工程应用中的关键技术问题研究。经过二十余年的发展,逐步形成了以金伟良教授为学术带头人,包括教授、副教授、讲师、博士后、博士和硕士等不同层次的科研梯队和混凝土结构耐久性研究方向的学术群体。

    他们的科研基地与实验室建设分两大部分:国家科技部混凝土结构耐久性国际合作研究基地、宁波市工程结构性能提升重点实验室。

    国家科技部“混凝土结构耐久性国际合作研究基地”(以下简称基地)于2010 年 8 月经科技部国际合作司批准成立,依托单位为浙江大学宁波理工学院。基地主要开展有关混凝土结构耐久性基本理论和耐久性维护技术创新与应用等方面的研究。现用房总建筑面积达600 m 2 ,仪器设备总投资 900 多万元。目前,基地新增建 1 处 300 m 2 的“土木工程结构疲劳与耐久性试验室”,主要用于开展混凝土结构在重载等疲劳荷载和钢筋锈蚀耦合作用下的损伤机理、灾变演化过程及其防治措施研究。依托于此平台,研究团队与浙江省第二建设集团有限公司、宁波大达化学有限公司、宁波市轨道交通集团有限公司和浙江舟山跨海大桥有限公司等单位建立了稳定的合作关系,部分成果已经在上述单位进行技术转化,并取得了一定社会和经济效益。

    宁波市工程结构性能提升重点实验室整合浙江大学宁波理工学院、浙江大学和宁波市相关企业研究力量,积极搭建产学研联合创新平台,吸引国内外高层次科技人才,重点解决浙江省沿海工程结构服役过程结构安全的关键技术问题,对确保浙江省沿海工程结构安全具有重要意义。实验室拥有 200 吨脉动式疲劳试验机、25吨电液伺服疲劳试验机、加载式多功能气候模拟试验箱、台式扫面电镜、RCM 非稳态电迁移法氯离子扩散系数测定仪等先进的试验仪器设备,可对土木工程结构构件性能进行全面试验和分析,从而针对结构性能提升提出具体措施。目前该实验室已将多项研究成果直接应用于实际工程中,取得了显着的社会、经济效益,在工程结构性能提升方面形成了特色鲜明的研究成果。

    他们的研究团队已经完成和正在进行的相关研究涵盖了混凝土结构耐久性研究的环境、材料、构件和结构各个层面的内容,主要包括:氯离子在混凝土内部的输运机理,混凝土内钢筋锈蚀的规律,钢筋锈胀力对混凝土开裂及裂宽的影响,锈后钢筋和混凝土黏结力的衰退规律,锈后钢筋混凝土构件承载力性能,预应力混凝土结构的耐久性问题,混凝土结构耐久性无损监测系统,混凝土结构的耐久性检测与评估,混凝土结构耐久性的电化学提升技术,高性能混凝土与防腐材料的应用,基于耐久性的混凝土结构全寿命设计方法等研究。已在国内外学术期刊上发表学术论文数百篇,出版学术专著 6 部,编著 2 部,主编或参与编著混凝土结构与耐久性规程5 部,在耐久性研究方面获得国家科技进步奖 3 项。2002 年编著的《混凝土结构耐久性》被中国工程院赵国藩院士认为“国内第一部全面介绍混凝土结构耐久性研究的专著,具有较高的学术水平和应用价值”。

    他们的研究团队在进行混凝土结构耐久性基本理论研究的同时,注重理论联系实际,解决重大工程的关键技术问题,与宁波市杭州湾大桥发展有限公司、浙江舟山跨海大桥有限公司等投资达百亿以上的重大工程项目已建立长期科研协作关系,为混凝土结构耐久性研究的顺利开展和研究成果的推广应用提供了很好的工程背景。

    在学术合作与交流方面,他们的研究团队与国际上该领域著名的大学和研究机构建立了长期的合作关系,开展多边国际科研合作。分别于 2008、2010、2012、2014、2016 年在中国杭州、日本札幌、英国贝尔法斯特、美国西拉法叶城以及中国深圳组织了系列混凝土结构耐久性国际学术会议“InternationalConference on Durability of ConcreteStructures(ICDCS)”。

    他们科学研究亮点表现在多重环境时间相似理论(METS)、耐久性设计区划(DEZS)、混凝土结构耐久性动态评估(PPM)、锈蚀钢筋混凝土构件性能、混凝土中多离子输运机理、钢筋锈胀机制与力学性能、混凝土结构耐久性检/监技术、全寿命设计理论体系、基于双向电迁的混凝土耐久性提升技术等多方面。

    据金教授回忆,在他的科研生涯中,他和他的团队创造了许多个“第一”的辉煌。比如说,他们承担了国内第一个混凝土结构耐久性国家重点基金项目,第一个重点工程的混凝土结构耐久性项目,完成国内第一本混凝土结构耐久性学术专著。研究成果及专利均已应用于国家的重大工程中,服务于国家建设。

    令他最为印象深刻是他们提出的混凝土结构耐久性设计方法在杭州湾跨海大桥上的应用,当时建设杭州湾跨海大桥应用了六个关键技术,其中一个关键技术就是耐久性问题。杭州湾跨海大桥全长 36 公里,是目前世界上最长的跨海大桥之一。其所处的环境复杂、恶劣,而海洋气候环境中百年设计寿命的重大混凝土结构的耐久性问题在理论和实践上尚未妥善地解决,还存在一系列有待解决的问题。能否真正达到百年大计的要求还需理论与实践予以验证。为此,金伟良课题组坚持不懈、刻苦攻关。他们运用多种试验方法实现跨海大桥的耐久性寿命预测与评估;提出了多重环境时间相似理论,解决了室内试验与实际工程耐久时间相关性的技术难题;设计并建设了杭州湾跨海大桥耐久性长期性能试验的暴露试验站,为跨海大桥的耐久性能和寿命评估的完善提供了实际依据。该项目获得国家科技进步二等奖。并且在之后的重大工程中如舟山连岛、港珠澳跨海大桥中也同样成功地采用了该方法,得到了国内外同行的广泛认可。

    谈及这些,金教授十分地感慨说:“获奖只是我们的研究工作得到了同行的认可,这是对我们在某阶段工作成果的一种认定。但并不意味着这项研究工作的终结,我们仍需继续努力、创新,去解决那些亟待解决的问题。能把我们的科研成果应用到国家的重大工程建设中,能为祖国的建设出一份力是我们共同的心愿!”

    提升技术结新果 开拓创新迎发展
 
    钢筋锈蚀破坏,特别是由于氯盐引起的钢筋锈蚀破坏,已成为严重威胁钢筋混凝土结构耐久性的最主要和最普遍的危害因素。目前,在混凝土耐久性提升技术方面,国内外学者主要从防、抗、治这三个角度开展研究。涂层 - 阻锈法是从“防”的角度对新建结构进行防护或是对已有结构进行维护;特种钢筋是从“抗”的角度提高结构材料本身抵抗介质侵蚀的能力;电化学修复法则是从“治”的角度对已腐蚀的混凝土结构进行修复治理。

    尽管国内外在电化学除盐方法和阻锈材料研发等方面已开展了大量的研究工作,但如何最大化地提高受氯盐侵蚀的混凝土结构耐久性病害维修效率仍是工程界的一大难题。

    金教授谈到,近些年来,他的课题组提出了双向电迁修复技术的概念,并在双向电迁的研究基础上提出将纳米材料引入双向电迁的新方法。

    一种新型混凝土耐久性提升方法:双向电迁技术
 
    双向电迁的基本原理是在外加电场的作用下,电解质溶液中的阳离子阻锈剂向阴极钢筋处迁移,混凝土孔隙液及钢筋表面的 Cl - 向阳极迁移进入电解质溶液中,双向电迁必须考虑电化学除氯与电迁阻锈剂的耦合作用,合理化相应的双向电迁影响参数,才能得到良好的阻锈效果。实践证明,无论是从短期试验还是长期试验的效果来看,双向电迁对于钢筋的锈蚀都具有明显的抑制和修复作用。具体表现在:双向电迁处理后,保护层中的 Cl - 浓度减小,阻锈剂浓度提高,钢筋腐蚀电流密度的真实值降低,特别是在处理后的长期效果方面,双向电迁技术在抑制钢筋后期锈蚀发展方面存在明显的优势。

    后期会将纳米材料引入双向电迁
 
    金教授表示,双向电迁中引入纳米材料是一种全新的技术,该研究在国内基本处于空白状态,国外研究也刚处于起步阶段。他强调,将纳米材料引入双向电迁主要有两种思路。

    (1)将阻锈剂制备成纳米材料使用。国外已有学者对电动纳米粒子修复技术减轻钢筋混凝土锈蚀的效果及其对混凝土耐久性的长期效果进行了研究。研究结果表明,其微观结构的变化可有效减轻新浇筑的混凝土和成熟混凝土中钢筋的腐蚀。

    (2)将纳米材料和阻锈剂一起使用。使用纳米水溶胶等材料将阻锈剂包裹,通过双向电迁迁入混凝土中,这种思路主要来源于对氧化铝粉体在硅溶胶中的分散机理和稳定性的研究,具体实施仍然需要大量试验研究。将阻锈剂与纳米材料结合,可以使阻锈剂更加适合双向电迁试验,使其达到更佳的阻锈效果,并且经济环保,具有实际的研究价值。

    绘就宏伟新愿景 三大方向需遵循
 
    混凝土结构耐久性问题是当今工程界所普遍关注的问题,随着对资源的保护,混凝土结构耐久性设计超过 100 年将成为必须,需要混凝土实现常规化的生产,对于混凝土配合比设计、生产、供应链中的质量保证提出更高的要求,也需要完善的技术手段。应如何实施呢?金教授提出了两方面发展观点:

    1、加强混凝土结构耐久性的基础研究
 
    混凝土结构的耐久性是一个十分复杂的结构工程问题,虽然已在这方面进行了许多工作,但仍有许多不完善的地方有待解决。

    (1)了解材料的耐久性能是研究钢筋混凝土结构耐久性能的基本前提。

    (2)钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性降低的最主要因素,因此建立一个合理的钢筋锈蚀率模型是至关重要的。(3)氯离子是导致混凝土结构耐久性失效最主要的原因之一,氯离子渗透模型可以预测钢筋锈蚀开始时间和锈蚀程度,氯离子渗透模型需进一步深入的研究。

    (4)开发混凝土结构的钢筋锈蚀状态的无损检测技术将是一个新的研究方向,它将随着其他相关学科的发展而发展。如果能在这方面取得突破,那么将使钢筋混凝土结构耐久性评估的费用大大得到降低,这样大范围、系统的检测与评估将成为可能,另一方面,耐久性评估的结果也将更精确、更可靠。

    (5)腐蚀环境下钢筋混凝土结构的疲劳性能。虽然腐蚀环境下钢筋混凝土结构疲劳的分析方法已有一定的研究,但尚需要了解腐蚀对钢筋疲劳性能的影响,以及不同环境和不同混凝土材料特性下钢筋疲劳性随时间变化的试验或实测数据。

    (6)目前关于钢筋混凝土结构在正常使用极限状态下的目标可靠指标的研究才刚刚起步,今后也应该在这方面进行更多的研究,它的成果将是钢筋混凝土结构的耐久性设计的重要依据。(7)结构使用寿命的评估应以结构或构件本身的性能随时间的变化规律为依据,但如何根据为数不多的检测资料来揭示结构性能随时间的变化规律是一个难度较大的课题,需要进行深入的研究,这将涉及到信息的不完善性问题。

    2、提高混凝土结构耐久性设计、施工和维护水平
 
    我国加入 WTO 以后,建筑市场正逐步向国际开放,我国的建筑设计、施工、监理等部门将面临国际竞争的挑战。

    为了减小与先进国际标准之间的差距,应提高或改进我国现有混凝土结构耐久性设计、施工和维护的水平。

    3、提高混凝土耐久性和开发新材料
 
    深入研究并提高混凝土耐久性综合技术,如减少水泥用量、提高矿物掺合料掺量、提高混凝土密实性等,来提高结构混凝土的耐久性;开发高耐锈钢筋及钢筋阻锈新技术;开发完善提高混凝土耐久性能的混凝土外防护材料和外防护施工技术;研究高性能混凝土在工程中的应用技术。

    后记:

    科技兴则国家兴,科技强则国家强。随着建设世界科技强国号角的吹响,科技创新摆在更加重要位置。开拓创新,追求卓越!加强混凝土结构耐久性研究,研发高性能混凝土结构材料,是国家重大工程建设发展新引擎!是国家发展的基石!

    ●  人物简介
 
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    金伟良,博士生导师、教授。浙江大学宁波理工学院院长、浙江大学结构工程研究所所长;浙江大学求是特聘教授、英国女王大学荣誉教授。先后承担国家自然科学基金、国家 863 计划、国家教育部、国家住房与建设部、国家交通运输部等 30 余项科研项目的研究工作,已在国内外学术期刊上发表论文 400 余篇,出版学术专著 7 本。获得国家科技进步二等奖 3 项,浙江省科技奖一等奖 1 项,浙江省科技奖二等奖 4 项,教育部科技进步二等奖 1 项,发明专利 20 余项。现为中国土木工程学会工程结构可靠性委员会副主任委员,中国建筑学会混凝土结构基本理论与工程应用委员会副主任委员,中国工程建设标准化协会砌体结构委员会副主任,中国土木工程学会理事,中国海洋工程学会常务理事,浙江省基本建设优化研究会理事长,杭州市结构与地基处理协会理事长。

标签: 金伟良, 混凝土, 钢筋锈蚀, 修复, 腐蚀防护

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