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土木工程结构耐久性机理的仿真研究—人工环境模拟试验

我国是自然灾害频发的国家,开展重大工程安全和耐久性研究,为保障军用和民用工程的安全建设和运营提供科学支撑,对缓解和解决目前国内重大工程安全和质量事故频发的现状,具有十分重要的意义。

混凝土结构在使用期限内的破坏往往是气候因素与侵蚀环境、正常使用时的力学环境等长期效应与风荷载、地震作用等瞬时效应综合作用的结果,由于所建造的时间和所处的环境不同,其安全性能也不相同。因此,需要综合考虑长期效应与瞬时效应作用下结构的安全问题,并在运营阶段对结构进行健康检测和监测,进行健康状况耐久性评估和加固,确保结构在使用期限内的安全。

混凝土结构根据所处环境的不同可以划分为大气环境、土壤环境、海洋环境和工业环境等。环境中的侵蚀性介质通过各种途径进入混凝土内部,使钢筋和混凝土的性能劣化、粘结性能降低,使得混凝土结构的承载力,适用性和安全性降低,最终会影响整个结构的工作状态,使结构可能没有达到设计寿命就提前发生破坏。混凝土结构根据引起耐久性损伤的原因,又可以将环境划分为一般环境、特殊环境和灾害环境。一般环境中的二氧化碳、酸雨、湿度与温度等能使混凝土中性化,并使混凝土中的钢筋产生锈蚀,而环境湿度与温度则是影响钢筋锈蚀的最主要因素;特殊环境中的盐、酸、碱是导致钢筋锈蚀破坏与混凝土腐蚀破坏的主要原因,如寒冷地区的冻害、沿海地区的盐害、腐蚀性土壤及工业环境中的酸碱腐蚀等;灾害环境主要指火灾、地震等对结构造成的偶发损伤,这些损伤与环境损伤造成的因素共同作用,将使结构性能随时间劣化。如果说结构承载能力极限状态的设计解决的是构件或结构承载能力问题,那么结构耐久性研究则解决的是混凝土抵抗环境作用能力问题。

混凝土结构大量应用于海洋、盐渍土、冻融、工业腐蚀等严酷环境的建筑、码头、桥梁、隧道、公路、机场等重要工程,因而混凝土结构的耐久性问题已经成为学术界和工程界的最重要前沿研究方向之一。

混凝土结构的耐久性、早期开裂及裂缝控制不仅与材料内在特性有关,更受控于各种环境参数的变化,如温度、湿度、阳光辐照、冰、雨、雪冻融、腐蚀等。随着全球工业化的快速推进特别是从上个世纪后期以来,各种工业废水、废气、废渣的大量排放使环境条件在不断地加剧恶化。

大气自然环境中各种酸雨的出现与水源的污染加重以及各种有害气体浸蚀等化学性侵害也给混凝土结构的耐久性等带来严重影响。而现场进行土木工程结构的耐久性试验,周期长、费用高,再现或者重复各种条件非常困难甚至不可能。因此需要创建一个室内模拟环境进行长期的、稳定的或加速的土木工程结构耐久性机理的仿真研究——人工环境模拟试验。

现代混凝土结构人工模拟环境试验技术包括环境模拟试验的设计、多种耦合环境的实现、加速试验与自然环境试验的相关性以及检测设备、仪器的应用等诸多关键环节。利用环境模拟技术,建设大型混凝土耐久性试验室即人工气候试验室,可从时间到空间模拟所需要的各种环境现象或者条件,如自然气候环境、工业环境、海洋环境、盐渍土环境、冻融环境等,并实现多种环境因素的耦合作用,同时能够与加载装置联合运用,模拟真实的荷载效应。在模拟的实际环境中进行各种工程材料与构件、结构的试验,可对环境效应进行定性、定量、全面、系统的仿真分析,对土木工程结构尤其是混凝土结构的耐久性、裂缝控制、各种早期特性的研究实现从源头创新,有积极的推动作用。

我公司和国内各大院校合作研发的混凝土(结构)耐久性试验室即ZHS系列多功能气候拟试验室,可在一定范围内模拟自然环境中的温度、湿度、日照、淋雨、盐雾、霜冻、大气酸雨(CO2、SO2气体)等环境。该试验室环境模拟采用了制冷、加热、除湿、加湿和紫外线辐射等设备,同时在室内布置喷液管、喷气管,用以喷入盐雾、酸雨、低浓度的CO2和SO2气体等。

环境模拟试验室分为2部分,一部分为高低温湿热交变日照雨淋实验区,另一部分为盐雾、腐蚀气体环境、海洋环境实验区。两部分可独立运行,单独进行有关试验,也可交替进行同批次结构模型试件的试验,即实现试验环境的综合性。实验室为30m3,60m3,120m3(具体尺寸可根据实际需要设计定制)

试验室各分系统主要有:主室体、空气循环系统、新风系统、日照系统、淋雨系统、加湿系统、除湿系统、制冷系统、加热系统、控制系统等。研究各分系统的技术及设备配套,在保证各分系统协调控制的基础上,进行智能化操作控制。试验室设备应使用防腐材料,以适应所模拟的腐蚀环境,保证试验系统的可靠性和长期运行。建成后将为承担土木工程领域的建筑、桥梁、隧道、码头、公路、铁路和城市轨道交通相关的国家重大基础科学项目和国家重点(重大)工程项目提供试验研究平台。各大院校建成拥有功能全、规模大、自动化控制的大型步入式人工环境模拟试验室,可以完善院校的土木工程结构耐久性研究系统,取得一批国内外先进的高水平研究成果,继续保持土木工程学科的混凝土结构耐久性研究方向在国内的优势学术地位,进一步提升研究水平,提高科技创新能力,加速人才培养,为今后争取国家重点科研计划项目和国家省部级重点土木工程科研项目提供科学研究平台。

可以实现的主要功能有:

  • 模拟自然条件下的气候环境、海洋环境、工业环境;
  • 人工气候环境下各种工程材料、结构的耐久性试验;
  • 人工气候环境混凝土结构热学性能及早期特性试验;
  • 人工气候环境混凝土结构裂缝控制研究;
  • 海洋环境下工程材料、结构的耐久性试验;
  • 海洋环境混凝土结构裂缝控制研究;
  • 工业腐蚀环境下工程材料、结构耐久性试验;
  • 其他有关的环境试验(综合环境、可靠性试验等)。

目前环境模拟试验技术发展迅速,科技成果不断涌现,需要掌握环境模拟技术的发展动态和技术水平,根据土木工程结构环境试验的具体要求,研究土木工程结构环境模拟试验室关键技术。在此基础上,建设高标准、高水平土木工程结构的环境模拟试验室,为各大院校校土木工程科学的快速发展就显得尤为必要。

因此,利用环境模拟技术,建设大型多功能自动控制混凝土结构环境模拟室,可以人工模拟各种大气环境、工业环境的单一因素或综合因素作用,开展混凝土环境试验及相关理论研究。在实验室对混凝土材料、结构的基本热学、力学、收缩、徐变、损伤等特性及其与各种气候环境、海洋环境、腐蚀环境的定量关系进行全面系统的仿真研究,加强材料与结构的学科交叉。针对小型构件或大型结构仿真模型,真实再现工程实际环境,进行结构裂缝的开裂机制、开裂应力发展变化、裂缝形成、结构破坏的全过程跟踪试验研究,达到从表观至本质、微观至宏观的规律解析,裂控研究将会有较大的突破。因此研究混凝土环境模拟试验室技术是非常必要的,对保证结构的安全性、耐久性有重要意义。

 

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