混凝土结构耐久性的研究与发展

      1824 年,随着阿斯普丁发明了波特兰水泥,便开始了人类应用混凝土建造建筑物的历史,同时，混凝土结构的耐久性问题也随之出现。这一时期，波特兰水泥主要应用于兴建大量的海岸防波堤、码头、灯塔等。这些构筑物长期经受外部介质的强烈影响，其中包括物理作用(如波浪冲击、泥砂磨蚀以及冰冻作用)的影响和化学作用(溶解在海水中的盐的作用)的影响,这些作用均能导致上述构筑物的迅速破坏。因此,最初研究混凝土耐久性问题主要是为了了解海上构筑物中混凝土的腐蚀情况]。19 世纪 40 年代,为了探索在这一时期建成的码头被海水毁坏的原因,卓越的法国工程师维卡对水硬性石灰以及用石灰和火山灰制成的砂浆性能进行了研究,并著有《水硬性组分遭受海水腐蚀的化学原因及其防护方法的研究》一书,是研究海水对水硬性胶凝材料制成的混凝土腐蚀破坏的第-部科研著作。1880~1890 年,当第一批钢筋混凝土构件问世并首次应用于工业建筑物时,人们便开始研究钢筋混凝土能否在化学活性物质腐蚀条件下的安全使用及在工业区大气中的耐久性问题。
      20世纪 20年代初，随着结构计算理论及施工技术水平的相对成熟，钢筋混凝土结构开始被大规模采用,应用的领域也越来越广阔。因此,许多新的耐久性损伤类型逐渐出现,这直接促使了人们进行有针对性的钢筋混凝土耐久性研究。1925 年，在密勒领导下美国开始在硫酸盐含量极高的土壤内进行长期实验，其目的是获取 25 年、50 年以至更长时间的混凝土腐蚀数据;联邦德国钢筋混凝土协会利用混凝土构筑物遭受沼泽水腐蚀而损坏的事例,也对混凝土在自然条件下的腐蚀情况进行了一次长期试验;20 世纪 30 年代,美国学者 Stanton 首先发现并定义了碱-集料反应,此后在许多国家得到了重视1945 年,Powers 等从混凝土亚微观入手,分析了孔隙水对孔壁的作用,提出了静水压假说!2]和渗透压假说[13],开始了对混凝冻融破坏的研究。1951 年,苏联学者贝科夫、莫斯克文等最先开始了混凝土中钢筋锈蚀问题的研究,最初的目的是解决混凝土保护层最小的薄壁结构的防腐问题和使用高强度钢制作钢筋混凝土构件的问题,之后，他们又在这方面做了不少的工作，这些成果反映在莫斯克文的专著《混凝土的腐蚀》和《混凝土和钢筋混凝土的腐蚀及其防护方法》,并在大规模研究工作的基础上制定了防腐标准规范，为建筑足够耐久的混凝土和钢筋混凝土结构奠定了基础[14]。

      进入 20世纪 60 年代，钢筋混凝的使用进人高峰期,对混凝结构的耐久性研究也进入了一个高潮,并且开始朝系统化、国际化方向发展,这表现在各种国际学术组织的成立与国际学术会议的召开。这些学术组织的成立和学术活动的开展大大加强了各国学术界之间的合作与交流,取得了显著的成果,部分科研成果已应用于工程实践并成为指导工程设计、施工、维护等的标准性技术文件,如美国 ACI437 委员会于 1991 年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告,提出了检测实验的详细方法和步骤15]。日本土木学会混凝土委员会于 1989 年制定了《混凝土结构物耐久性设计准则》16],1992 年，欧洲混凝土委员会颁布的《耐久性混凝土结构设计指南》[17]反映了当今欧洲混凝结构耐久性研究的水平。近期,国际上逐渐关注基于全寿命理念的耐久性设计与管理，日本政府于2011 年立项重大国际合作课题“混凝土结构全寿命性能预测与管理”,旨在联合国际上的混凝土结构耐久性领域专家,共同解决混凝土结构的耐久性预测与全寿命管理问题。德国、英国等国的研究人员相继研发混凝土结构耐久性监测元件,可以监测结构内部的氯离子浓度等耐久性参数;这些耐久性监测元件在结构建设期就埋入结构中,为混凝土结构的耐久性能分析和全寿命管理提供重要的实测数据。

      我国从 20世纪60年代开始了混凝结构的耐久性研究,当时主要的研究内容是混凝土的碳化和钢筋的锈蚀[18]。90 年代以后,耐久性问题得到了政府层面的高度重视，先后设立多项混凝土结构耐久性相关重大科研项目,包括:国家科学技术委员会(现科学技术部,以下简称科技部)1994 年组织的国家基础性研究重大项目(攀登计划)“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”;2006 年国家自然科学基金委员会资助开展的“氯盐侵蚀环境的混凝土结构耐久性设计与评估基础理论研究”与“大气与冻融环境混凝土结构耐久性及其对策的基础研究”两项耐久性重点项目,目的是建立我国混凝土结构耐久性设计的基本理论:2009 年,科技部立项了的973 项目“环境友好现代混凝土的基础研究”等,这些科研项目的开展,使得我国在混凝土结构耐久性领域取得越来越多的成果[19-21],逐渐与世界接轨。

      为活跃学术气氛,增加学者学术交流,中国土木工程学会于 1982 年和1983 年连续召开了两次全国耐久性学术会议,为混凝土结构规范的科学修订奠定了基础,推动了耐久性研究工作的进一步开展。2001 年国内众多相关专家学者在清华大学举行的第 1届工程科技论坛上,就土建工程的安全性与耐久性问题进行了热烈的讨论[22];第4 届工程科技论坛则以混凝土结构的耐久性设计与评估方法为主题3],在浙江大学展开讨论，混凝土结构耐久性问题在我国得到了前所未有的重视。2008 年,由中、日、英三方联合组织的混凝土结构耐久性国际会议在浙江大学召开[24],标志着我国混凝结构耐久性领域研究已经进入与世界同行合作发展的新阶段。
基于国内外的研究成果,中国土木工程学会在 2004 年颁布了《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01-2004)2],住房与城乡建设部于2008 年正式颁布了《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)[26]。我国新颁布的《混凝结构设计规范(GB 50010-2010)[27]中，也列人了更多的混凝结构耐久性方面的内容。这些与混凝土结构耐久性相关的行业规范与标准的颁布，说明我国对混凝结构耐久性的研究已经由科研阶段转为科研与应用并存阶段，也反映出中国土木工程界对混凝土结构耐久性问题的重视。
      我国目前正以前所未有的巨大投资进行着历史上规模最大的基础设施建设,很多投资上百亿的混凝土工程刚刚建成,或正在酝酿、设计、建设之中,如 2008 年建成通车的全长 36km的杭州湾跨海大桥(图 1-11(a))、2011 年建成通车的全长 36.48km 的青岛胶州湾跨海大桥(图 1-11(b)),以及目前在建的投资超过 700亿元、长度预计达到49.97km的港珠澳大桥(图 1-12)等。要满足在这些恶劣环境下服役的重大混凝土工程的百年服役寿命要求，均基于对混凝土结构耐久性问题的深刻认识。这些重大工程的设计与建设,为我国混凝土结构耐久性研究领域的科研工作者提供了千载难逢的机遇和平台;我国数十年来在混凝土结构耐久性方面的研究成果,在这些工程上得以体现与应用,而我国陆续颁布的混凝土结构耐久性相关规范,则对这些工程的耐久性提供了重要的实施保障。