周勝軍 教授 澳大利亞ZCCPL首席顧問 中國三峽大學教授

    混凝土作為各種建筑中用量大的材料，在不斷發(fā)展的過程中其強度不斷提高。在高強度混凝土出現(xiàn)的同時，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題也愈來愈被人們所關(guān)注。我國對混凝土耐久性的研究起步于 20 世紀 50 年代初的治淮工程，但結(jié)構(gòu)耐久性問題在我國引起廣泛關(guān)注是在 1980 年以后，特別是在 1992 年，中國土木工程學會混凝土與預應力混凝土分會成立了混凝土耐久性專業(yè)委員會，極大地推動了我國混凝土耐久性方面的研究。

    混凝土是建筑行業(yè)的主體材料，提高混凝土耐久性具有非常重要的理論意義和經(jīng)濟價值。在各種設(shè)計規(guī)程中，均把耐久性列為混凝上的一項重要指標，尤其在一些大中型建筑物中，更加重視混凝土的耐久性。目前，在混凝土耐久性設(shè)計方面的科學研究和工程實踐的最新進展狀況如何，國際和國內(nèi)工程建設(shè)中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計及裂縫控制相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的有哪些關(guān)鍵新技術(shù)？為此，記者邀請到澳大利亞 ZCCPL 首席顧問，中國三峽大學周勝軍教授做相關(guān)方面的精彩解讀。

    周勝軍，現(xiàn)澳大利亞混凝土學會（CIA） 耐久性委員會耐久性模擬指南編寫組組長并任第一作者。美國混凝土學會服務壽命預測委員會委員、耐久性委員會委員、大體積混凝土委員會委員、裂縫委員會委員。是澳大利亞職業(yè)注冊工程師。

    記者：您長期從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計及早期熱裂縫控制的科學研究和工程實踐工作，請問目前混凝土耐久性設(shè)計及裂縫控制方面的科學研究和工程實踐的現(xiàn)狀如何？面臨哪些挑戰(zhàn)，相關(guān)的科學研究的意義如何？

    周教授：在這個問題中，我要從兩方面進行回答。一是關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計及模擬，另一個是關(guān)于混凝土早期熱裂縫控制。

    第一，關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計及模擬。

    目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的工程實踐 / 科學研究的現(xiàn)狀大概是這樣的。國際和國內(nèi)大多數(shù)工程項目的耐久性設(shè)計采用傳統(tǒng)的“視為滿足”的方法，即需要符合國內(nèi)或國際的相關(guān)標準。這種方法不能對混凝土結(jié)構(gòu)的壽命實現(xiàn)定量設(shè)計，其可靠性未知并且有很多耐久性失敗的工程實例。這種混凝土耐久性設(shè)計方法還屬于經(jīng)驗技術(shù)的層面，還不能達到科學的層次。

    現(xiàn)在國際上少數(shù)最先進工程項目，其中包括我參與負責的很多項目的耐久性設(shè)計方法已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向科學地和定量地預測和實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命，一般主要采用了數(shù)學模擬的方法進行設(shè)計。例如聞名中外港珠澳跨海大橋的耐久性設(shè)計采用了全概率模擬方法。在此方面的科學研究也已經(jīng)不斷進行新的探索，已經(jīng)取得了很大的進步。

    混凝土最常見的劣化模式是外部氯鹽侵入混凝土或混凝土發(fā)生碳化導致鋼筋的保護層破壞進而引起鋼筋的銹蝕以及鋼銹膨脹引起周邊混凝土的破壞。針對受此種劣化影響的混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計，經(jīng)過幾十年不斷研究和技術(shù)進步，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了用數(shù)學模擬方法對混凝土結(jié)構(gòu)的服務壽命進行很準確及可靠的定量計算和預測了。早期第一代氯鹽滲析數(shù)學模型只能模擬及預測在氯鹽滲析系數(shù)和混凝土表面氯鹽濃度均保持恒定的條件下混凝土中氯鹽的滲析過程。其后第二代氯鹽滲析模型可以模擬及預測在混凝土氯鹽滲析系數(shù)隨時間降低而表面濃度恒定的條件下混凝土中氯鹽的滲析過程。而我最近建立的第三代氯鹽滲析解析解模型可以用于模擬預測在氯鹽滲析系數(shù)隨時間降低而表面氯鹽濃度隨時間逐漸增加的條件下混凝土中氯鹽的滲析過程。至此氯鹽滲析模擬的模型和方法可以涵蓋解決主要現(xiàn)場混凝土可能發(fā)生的氯鹽滲析的情況了。

    另外用以模擬預測混凝土碳化速度的模型已經(jīng)漸漸發(fā)展得更加完善了。第一代碳化模型是簡單經(jīng)驗公式，沒有考慮環(huán)境（二氧化碳濃度，溫度，濕度，下雨天數(shù)，及混凝土表面情況）及施工（如養(yǎng)護時間）等因素的影響。第二代模型解決了環(huán)境因素及施工因素對碳化的影響，使預測范圍更加廣泛并且預測結(jié)果更加準確。我近期建立的第三代數(shù)值解碳化模型可以用于未來氣候環(huán)境逐漸改變的條件下（CO 2 ，溫度及濕度）混凝土碳化速度的模擬預測。至此碳化的模擬可以用于絕大多數(shù)處于碳化環(huán)境的混凝土構(gòu)件并且預測結(jié)果更加準確和可靠。

    我們在混凝土耐久性設(shè)計及耐久性模擬方面所面臨的第一個問題是，雖然氯鹽滲析和碳化模型已經(jīng)成熟了，混凝土氯鹽滲析和碳化模擬所需要的輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)量還需要更加充分，更加系統(tǒng)，并且涵蓋更加全面，這一定程度上影響進步提高耐久性設(shè)中的模擬結(jié)果的精確度和可靠度。對此方面的科學研究具有非常巨大的技術(shù)經(jīng)濟意義。研究結(jié)果可以為相關(guān)工程設(shè)計和模擬工作提供可靠的輸入?yún)?shù)，提高設(shè)計的精確度和可靠度。

    我們面臨的第二個問題是，我們目前還沒有非常可靠的模型用于其它混凝土劣化模式的模擬預測及工程設(shè)計。這些劣化模式包括很多種，如硫酸鹽侵蝕，鎂鹽腐蝕，酸腐蝕，凍融破壞，磨損，堿骨料反應等。對此方面的科學研究意義重大，可以對在這些環(huán)境的混凝土進行耐久性模擬，以實現(xiàn)設(shè)計壽命定量化。

    我們應該認識的一個重要觀念是越耐久的混凝土結(jié)構(gòu)，就是越為可持續(xù)的，因為平均單位服務年限所消耗的原材料和能源是最低的。另外更加耐久的混凝土結(jié)構(gòu)資產(chǎn)的保值性和安全性也是更好的。因而提升混凝土耐久性我們國家建筑業(yè)從業(yè)人員最需要關(guān)注的，應該提到國家的戰(zhàn)略高度上來認識和實施，這樣才能為我們子孫萬代留下一些寶貴的優(yōu)質(zhì)廉價原材料和能源。

    第二，關(guān)于混凝土早期熱裂縫控制。

    在混凝土結(jié)構(gòu)早期熱裂縫控制方面工程實踐和科學研究的現(xiàn)狀是這樣的。國際和國內(nèi)絕大多數(shù)的項目還是處于依靠各自積累經(jīng)驗進行裂縫分析和控制。因為對裂縫成因及機理認知不徹底和不定量，控制效果非常不佳或者不可靠，造成裂縫普遍發(fā)生于混凝土結(jié)構(gòu)中，極大地影響了這些混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。這種控制方法還是屬于經(jīng)驗技術(shù)層面，還沒有實現(xiàn)科學化。

    現(xiàn)在少數(shù)最先進國際工程項目，其中包括我參與負責的很多工程項目，都已經(jīng)采用預先進行混凝土早期熱工模擬和裂縫分析，以便更好的定量預測混凝土溫度變化及裂縫發(fā)生的風險及裂縫寬度，并可以提出和采用有效措施來控制或預防裂縫的發(fā)生及裂縫寬度。這是一種更加科學的控制方法，因而具有非常好的精確性和可靠性。

    這種方法的核心是較精確預測在不同環(huán)境天氣條件下混凝土構(gòu)建由于水泥水化熱引起的溫度變化過程，根據(jù)混凝土受到的各種不同的約束，根據(jù)構(gòu)件承受的約束收縮應變（及應力）及其與混凝土的最大抗拉應變能力（強度）的比較來判斷裂縫發(fā)生的風險，最后根據(jù)鋼筋的尺寸大小和間距預測裂縫寬度和間距。通過調(diào)整內(nèi)部和外部條件改變構(gòu)件溫度的變化過程，改變外部約束強弱，最終可以降低裂縫發(fā)生的風險。如果裂縫不能避免，通過這些措施及調(diào)整鋼筋密度可以定量預測和控制裂縫寬度。

    在此方面我們及國際其他專家們一起研究已經(jīng)取得了很大的進展。我們成功建立了混凝土水泥水化熱模擬的方法，裂縫風險的判斷準則，混凝土與地基換熱過程模擬及其對混凝土溫度分布的影響，混凝土內(nèi)外溫差的模擬和控制措施，復雜構(gòu)造條件下的約束評估方法及改變措施，大體積混凝土內(nèi)置冷卻水管系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，圓柱體混凝土的溫度模擬等。這些進展極大推動了在此方面的工程技術(shù)水平及施工質(zhì)量。

    在此方面我們所面對的主要問題是熱工模擬和裂縫分析方法的精度還可以進一步提高，以可靠控制裂縫發(fā)生風險。這主要因為模擬所需要很多輸入?yún)?shù)的研究數(shù)據(jù)的積累還在不斷地進行，數(shù)據(jù)還需要更加充分和更加系統(tǒng)，因而在有些情況下模擬預測的結(jié)果準確度有進一步提高的空間。另外現(xiàn)有一些模型本身也可以進一步發(fā)展完善。對此些方面的研究還需要繼續(xù)加強和擴展。

    有關(guān)裂縫模擬控制方面的研究有著非常重大意義。首先裂縫控制歷來是科學和技術(shù)上的國際性難題，解決此難題能夠極大推進科學和技術(shù)的進步。其次，裂縫控制技術(shù)的提升有利于提高混凝土結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)施的整體質(zhì)量，耐久性及可持續(xù)性。

    記者：作為業(yè)界專家，您多次主持完成國際重大工程項目的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和熱裂縫控制工作，請分享一下對您印象深刻的工程項目或研究項目，請分享一下您的感受？

    周教授：是的，我曾經(jīng)主持完成很多國際重大工程項目的耐久性設(shè)計和熱裂縫分析控制工作。其中印象最深刻的項目是位于澳大利亞布里斯班市的蓋特威（Gateway）高速公路升級項目。此項目包括設(shè)計壽命高達 300 年的當?shù)氐貥私ㄖ?- 蓋特威復線大橋。這樣長的設(shè)計壽命所需要的耐久性工程設(shè)計在國際建筑工程界也是一個巨大挑戰(zhàn)和難題。此設(shè)計要求同時對施工技術(shù)和質(zhì)量保證體系提出了極其嚴格的要求。我在項目建設(shè)開始不久后就加入項目，并擔任該項目的首席耐久性工程師。我覺得身上的壓力很大和負擔很重，但同時我和我們團隊全體又覺得這個項目是我們?nèi)松奥殬I(yè)生涯中最難得的寶貴機會和經(jīng)歷。

    首先對項目甲方業(yè)主昆士蘭州道路交通部非常令人欽佩。他們提出建造 300 年壽命的大橋具有超常前瞻性和巨大的勇氣。經(jīng)過評估，他們認為這樣長的設(shè)計壽命具有最佳的可持續(xù)，因為橋梁可以在這樣長的期間內(nèi)免于劣化，免于昂貴修理和維護，免于服務功能的頻繁中斷，避免了短壽命橋需要重復建設(shè)對原材料和能源巨大浪費，整體節(jié)省了大量的基建費用。另外他們也制定非常詳細和嚴格的技術(shù)規(guī)范和質(zhì)量管理系統(tǒng)。這些都是項目能夠成功的最為關(guān)鍵的要素。我覺得澳洲業(yè)主在這方面的長處是值得我們中國項目甲方或業(yè)主好好學習的。

    其次對設(shè)計壽命 300 年的橋梁進行耐久性設(shè)計是一個挑戰(zhàn)，需要對數(shù)學模擬的基礎(chǔ)理論和方法進行深入研究和探索，并通過找出最佳的材料組合及各項性能指標要求。另外橋梁項目在施工中也采取了非常嚴格的質(zhì)量控制措施。在材料選擇和施工質(zhì)量監(jiān)控措施也非常系統(tǒng)和完善。在項目實施過程中出現(xiàn)任何質(zhì)量不達標及設(shè)計變更都會進行進一步評估著是否符合技術(shù)，結(jié)構(gòu)功能，及耐久性要求。

    我還按照項目技術(shù)規(guī)范對整個項目主要混凝土結(jié)構(gòu)進行早期熱工模擬和裂縫分析控制。其中包括跨河大橋主跨的超厚大（3.4米厚）墩樁承臺的熱工模擬，冷卻管系統(tǒng)熱工模擬和設(shè)計工作。這是一個具有極大挑戰(zhàn)性的工作，我本人和團隊其他專家當時也缺少相關(guān)經(jīng)驗。為了完成設(shè)計任務，我查閱和學習了大量的技術(shù)資料和文獻，最后根據(jù)科學原理進行相關(guān)研究和探索，找到了模擬的關(guān)鍵技術(shù)，順利完成冷卻管系統(tǒng)的設(shè)計工作。施工結(jié)果證實模擬的方法精確可靠，還發(fā)表了一篇學術(shù)論文專門介紹這個工作成就及結(jié)果。后來又對主跨的橋墩結(jié)構(gòu)，其他跨墩樁承臺，以及其它橋的部分結(jié)構(gòu)進行了進行了熱工模擬和裂縫分析控制，取得了非常成功的效果。

    在項目收尾期間，根據(jù)項目的技術(shù)規(guī)范，我自己完成整個項目的耐久性評估并據(jù)此完成了項目竣工報告。在評估中主要對施工中所有受到技術(shù)和質(zhì)量不達標及設(shè)計變更影響的結(jié)構(gòu)進行耐久性評估，判斷所出現(xiàn)的問題是否對耐久性或?qū)崿F(xiàn)設(shè)計壽命有負面影響？如有影響，需要什么技術(shù)措施進行彌補？如果不能彌補，需要把這些問題記錄在運營和維護手冊中，以便定期觀察和檢測。我覺得澳洲在此方面的質(zhì)量體系非常好地保護了業(yè)主的利益，是值得我們中國項目管理方面學習的。

    記者：您致力于解決國際和國內(nèi)工程建設(shè)中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計及裂縫控制相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題，請問目前我們團隊研究的方向有哪些，請您介紹一下您的團隊以及近幾年的科研成果。

    周教授：我一直致力于通過科學研究來解決國際和國內(nèi)工程建設(shè)中的混凝土耐久性設(shè)計及熱裂縫控制相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題。我的團隊目前的主要研究方向包括這樣幾個方面：

    （1）進行混凝土氯鹽滲析，碳化及鋼筋銹蝕過程的模擬理論及應用研究以提高這些模擬方法的精確性及普遍接受性，并將耐久性設(shè)計的模擬方法逐漸推廣于國內(nèi)的工程實踐之中；

    （2）進行混凝土熱工模擬和裂縫分析控制技術(shù)的科學研究，建立成套技術(shù)并提高其精確性和可靠性，并將其逐漸推廣于國內(nèi)國際的工程實踐之中，有效解決裂縫這一困擾業(yè)界多年的大難題。

    （3）進行其它耐久性方向的深入研究，逐漸建立不同的數(shù)學模型用以模擬混凝土在不同機理下的劣化過程，使耐久性設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計壽命和可靠性的定量化。另外還有調(diào)查不同劣化機理的耦合作用的定量模擬的原理和并建立相應的應用技術(shù)。

    我們的團隊包括中國三峽大學土木水電學院的徐港教授，王青教授，高德軍副教授，彭艷周副教授，及研究助理趙鵬等 8 人。我和團隊近 5 年成果包括建立新一代混凝土氯鹽滲析和碳化數(shù)學模型，填補了此方面的國際空白。還負責很多國際重大工程項目的咨詢工作。另外團隊近 5 年完成了兩個國家自然科學基金項目，兩個省級自然科學基金項目等 8 個縱向耐久性相關(guān)研究項目及 10多個橫向科研項目。

    記者：請您談談混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計及早期熱裂縫控制技術(shù)的未來發(fā)展趨勢？高性能混凝土作為一種具有高耐久性的材料未來的發(fā)展趨勢是什么？

    周教授：混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和早期熱裂縫分析控制技術(shù)的未來發(fā)展有如下趨勢：

    1、隨著不斷深入地大量科學研究，混凝土耐久性及其它工程性能的表述逐漸實現(xiàn)科學化，數(shù)學化及系統(tǒng)化，即這些性能可以定量和可靠地預測和模擬。

    2、其中氯鹽滲析，碳化，及鋼筋銹蝕模擬理論和模擬耐久性設(shè)計技術(shù)更加成熟可靠，輸入?yún)?shù)更加全面和系統(tǒng)化，模擬的方法將會漸漸廣泛應用于工程項目中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的定量化設(shè)計。

    3、大量科學研究將投入到其它的混凝土劣化機理，將會逐漸建立模擬的數(shù)學模型，并將其應用于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性定量化設(shè)計。

    4、經(jīng)過大量科學研究，混凝土熱工模擬和裂縫分析控制技術(shù)將會越來越成熟可靠，在混凝土工程中的廣泛應用，大幅提高混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性。

    5、高性能混凝土作為一種具有很高耐久性的混凝土材料，會漸漸得到更加廣泛應用。但需要注意解決如下幾個問題：

    （1）其一是高性能混凝土的膠凝材料含量很大，水化熱高，化學收縮大，裂縫風險很大，影響其耐久性。其最好的解決方法是采用熱工模擬和裂縫分析控制裂縫。

    （2）其二是耐久性性能指標不要求全，要有針對性，根據(jù)環(huán)境條件及主要劣化機理來確定所需要的性能。否則會造成沒有重點，全面提升，造價太高，浪費巨大。

    （3）其三，未來需要開發(fā)并廣泛應用特種高性能混凝土，如抗氯鹽混凝土，抗酸混凝土，抗凍混凝土，抗硫酸鹽混凝土，抗碳化混凝土等。

    后記

    混凝土熱工模擬和裂縫分析控制技術(shù)將會越來越成熟可靠，隨著其在混凝土工程中的廣泛應用，混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性必將會大大地提高！

    人物簡介

    周勝軍，博士，澳大利亞 ZCCPL 首席顧問，中國三峽大學教授。任澳大利亞混凝土學會 （CIA） 耐久性委員會耐久性模擬指南編寫組組長并任第一作者。任美國混凝土學會多個技術(shù)委員會委員包括 ACI365 委員會 （ 服務壽命預測 ），ACI201 委員會 （ 耐久性 ），ACI207 委員會 （ 大體積混凝土 ）， 和 ACI224 委員會 （ 裂縫 ）。具有澳大利亞職業(yè)注冊工程師資格 （CPEng，NER，RPEQ）。獲得了英國鄧迪大學博士學位及清華大學碩士學位。此前先后在鄧迪大學及新加坡國立大學從事博士后研究工作。曾在國際頂級咨詢公司 AECOM，ANCONBeton 任首席材料工程師/咨詢顧問及澳洲最大商混公司Boral任研發(fā)經(jīng)理多年。具有30多年混凝土研究及重大國際工程實踐經(jīng)驗，在混凝土耐久性設(shè)計模擬及熱模擬裂縫分析控制等技術(shù)領(lǐng)域擁有豐富工程實踐經(jīng)驗及國際一流的技術(shù)科研成果。已建立了新一代解析解數(shù)學模型用以計算表面濃度按線性及平方根模式增加時氯鹽在混凝土中滲析速度及濃度曲線。還建立了新一代數(shù)值分析模型用以預測未來氣候變化（CO 2 ，溫度，濕度）時混凝土碳化速度。