海洋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性

【摘要】基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性很大程度取決于混凝土保護(hù)層質(zhì)量，應(yīng)對(duì)混凝土保護(hù)層進(jìn)行主動(dòng)增強(qiáng)來(lái)提高，針對(duì)海洋工程耐久性問(wèn)題，提出混凝土的梯度設(shè)計(jì)理論，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，為海洋工程耐久性防護(hù)提供了新的理念和相關(guān)資料。

1、隨著沿海區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展一體化進(jìn)程的快速形成，帶動(dòng)了各類港口、海塘、海上平臺(tái)、濱海電廠及跨海大橋等重要和重大海洋工程的建設(shè)熱潮

僅浙東沿海地區(qū)而言，就有嘉紹跨海大橋、象山港跨海大橋及規(guī)劃中的杭州灣跨海鐵路大橋，等。這些基礎(chǔ)設(shè)施大多采用混凝土結(jié)構(gòu)且投資巨大，其服役壽命往往在100年以上。然而海洋服役環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早劣化已成為普遍現(xiàn)象[1-3]，尤其處于浪濺區(qū)的混凝土構(gòu)件，因該區(qū)供養(yǎng)充足、浪花不斷沖擊和潤(rùn)濕，加上干濕交替及鹽分濃縮，最先破壞，進(jìn)而引起工程整體功能失效，因而浪濺區(qū)直接決定著海洋基礎(chǔ)設(shè)施的服役壽命?？梢?jiàn)在建設(shè)高峰期時(shí)，從保障運(yùn)行質(zhì)量、提高投資效益，都迫切需要全面提升海洋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。

2、目前針對(duì)耐久性問(wèn)題，工程中一般采取“以防為主”的措施

如：使用礦物摻合料、環(huán)氧鋼筋、鋼筋阻銹劑及陰極保護(hù)等。事實(shí)上，海洋工程病害往往首先表現(xiàn)為保護(hù)層耐久性不足而后引起深層的破壞，有害物質(zhì)通過(guò)保護(hù)層的孔隙和裂縫滲透和抵達(dá)到鋼筋表面，引起鋼筋脫鈍及腐蝕，因此混凝土結(jié)構(gòu)耐久性很大程度上取決于混凝土保護(hù)層。目前常采用表面涂層或硅烷浸漬來(lái)封閉保護(hù)層裂縫和隔離介質(zhì)侵入，然而表面涂層，如：聚氨酯、環(huán)氧類等，其綜合性能難以滿足嚴(yán)酷的海洋環(huán)境要求，尤其浪濺區(qū)，在100年的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)不發(fā)生破壞尚不得而知，長(zhǎng)效型涂層的設(shè)計(jì)年限也就20年，大量工程應(yīng)用也表明10年左右就得重新涂裝，但海洋工程往往是難維修、甚至不可維修；硅烷浸漬雖能深入混凝土表層一定區(qū)域，其相容性得到改善，但浸漬深度通常只有3-8mm，易受到泥砂、海浪沖刷破壞；此外，也有采用FRP、纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料預(yù)制成永久模板，再在永久模板上澆筑混凝土，使兩者共同構(gòu)成結(jié)構(gòu)構(gòu)件，利用面層抵抗海洋環(huán)境作用，但永久模板與混凝土相容性不好，易因界面剪切破壞而失效。

近年來(lái)，將梯度功能材料理念用于混凝土設(shè)計(jì)中，使物性參數(shù)的漸變可有效地緩和熱應(yīng)力，同時(shí)克服界面結(jié)合差的問(wèn)題，這樣的研究越來(lái)越多，與普通材料相比功能梯度板具有優(yōu)越的抗沖擊性。

可見(jiàn)合適的FGC可通過(guò)功能的漸變，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土保護(hù)層的主動(dòng)增強(qiáng)，進(jìn)而提高混凝土的耐久性。采用加速腐蝕試驗(yàn)研究功能梯度混凝土梁和普通混凝土梁在腐蝕環(huán)境下的抗蝕性，結(jié)果表明，功能梯度混凝土梁表現(xiàn)出更優(yōu)異的抵抗腐蝕介質(zhì)侵蝕能力，如圖1。但總體上看仍處于研究初步階段，僅利用功能梯度的概念去提高混凝土的性能，現(xiàn)迫切需要建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

（a）普通混凝土梁

（b）功能梯度混凝土梁

如果能對(duì)浪濺區(qū)混凝土進(jìn)行功能梯度化，利用上述材料作為FGC的面層，則主動(dòng)抵抗浪濺環(huán)境破壞的能力可大幅度提升。

FGC雖然可緩解傳統(tǒng)防護(hù)處理技術(shù)（永久模板上澆筑混凝土）中面層與基材間相容性問(wèn)題，但從材料的角度看，在一定尺度范圍存在界面過(guò)渡層，此區(qū)域更易成為薄弱區(qū)，易因面層、結(jié)構(gòu)層材料的變形不匹配發(fā)生破壞，一旦失效其功能梯度也失去意義。因此，服役環(huán)境與傳輸性交互下FGC界面過(guò)渡層耦合破壞屬于粘結(jié)新問(wèn)題，也是功能梯度混凝土應(yīng)用基礎(chǔ)研究的核心問(wèn)題。為此，擬對(duì)海洋浪濺區(qū)混凝土進(jìn)行功能梯度化，即：利用PVA纖維優(yōu)異的控裂性及硅烷憎水作用以改性MIF材料并用作面層，采用常用C50混凝土作為結(jié)構(gòu)層，并從功能梯度混凝土核心區(qū)-“界面過(guò)渡層”入手，研究其破壞機(jī)理和設(shè)計(jì)方法，以提高FGC的粘結(jié)性。研究成果無(wú)疑對(duì)豐富功能梯度混凝土的理論基礎(chǔ)和拓寬其發(fā)展方向具有重大意義，同時(shí)也對(duì)我國(guó)海岸、淺海及深海開(kāi)發(fā)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3、研究?jī)?nèi)容

⑴功能梯度混凝土的傳輸性研究。FGC在結(jié)構(gòu)上具有成層性，各層對(duì)介質(zhì)傳輸?shù)挠绊?、抵抗環(huán)境作用因材料差異而響應(yīng)不一，這些特點(diǎn)導(dǎo)致介質(zhì)在FGC中的運(yùn)移情況不同。

⑵功能梯度混凝土的粘結(jié)性研究。由于各層材料傳輸性差異，F(xiàn)GC中各層微環(huán)境隨外界環(huán)境變化不一，將導(dǎo)致各層變形不協(xié)調(diào)，使得界面受到局部荷載作用；另外界面過(guò)渡層粘結(jié)性能也受環(huán)境的影響。

⑶功能梯度混凝土防護(hù)作用的時(shí)效性研究。結(jié)合目前常用的分層澆筑再壓印的工藝，對(duì)比研究振動(dòng)拔板工藝制備的FGC縮尺構(gòu)件經(jīng)過(guò)加速試驗(yàn)后Cl-濃度、鋼筋電位變化及界面粘結(jié)情況；通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證FGC的防護(hù)性，進(jìn)一步完善FGC設(shè)計(jì)方法和探討增強(qiáng)措施。

4、研究方法

擬發(fā)揮海洋工程、力學(xué)、材料學(xué)及現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)等多學(xué)科交叉的綜合優(yōu)勢(shì)，以材料科學(xué)與海洋工程學(xué)科為基礎(chǔ)，根據(jù)典型的浪濺環(huán)境特點(diǎn)和功能梯度混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于環(huán)境相似分析方法，確立人工加速模擬試驗(yàn)的主要參數(shù)和方法；應(yīng)用損傷力學(xué)、多孔介質(zhì)理論及現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)研究，宏觀測(cè)試、現(xiàn)象觀察與微觀分析，及室內(nèi)模擬試驗(yàn)與暴露試驗(yàn)相互映證的研究方法，開(kāi)展本項(xiàng)目的研究工作。

5、技術(shù)路線

按照?qǐng)D2技術(shù)路線進(jìn)行，主要包括三大方面的研究：

6、結(jié)論

針對(duì)海洋工程耐久性問(wèn)題，提出混凝土的梯度設(shè)計(jì)理論，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，為海洋工程耐久性防護(hù)提供了新的理念和相關(guān)資料。因此，該項(xiàng)目的研究具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

結(jié)合服役環(huán)境特點(diǎn)和功能梯度混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得FGC傳輸行為；研究FGC在傳輸性與環(huán)境交互下的耦合破壞機(jī)理，并構(gòu)建界面力學(xué)模型、強(qiáng)度準(zhǔn)則，進(jìn)而提出初步的FGC設(shè)計(jì)方法與增強(qiáng)措施；最后采用加速試驗(yàn)對(duì)功能梯度混凝土防護(hù)作用時(shí)效性研究，繼續(xù)完善設(shè)計(jì)方法和增強(qiáng)措施。