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新聞動態
土木工程結構耐久性機理的仿真研究—人工環境模擬試驗

我國是自然災害頻發的國家,開展重大工程安全和耐久性研究,為保障軍用和民用工程的安全建設和運營提供科學支撐,對緩解和解決目前國內重大工程安全和質量事故頻發的現狀,具有十分重要的意義。

混凝土結構在使用期限內的破壞往往是氣候因素與侵蝕環境、正常使用時的力學環境等長期效應與風荷載、地震作用等瞬時效應綜合作用的結果,由於所建造的時間和所處的環境不同,其安全性能也不相同。因此,需要綜合考慮長期效應與瞬時效應作用下結構的安全問題,並在運營階段對結構進行健康檢測和監測,進行健康狀況耐久性評估和加固,確保結構在使用期限內的安全。

混凝土結構根據所處環境的不同可以劃分為大氣環境、土壤環境、海洋環境和工業環境等。環境中的侵蝕性介質通過各種途徑進入混凝土內部,使鋼筋和混凝土的性能劣化、粘結性能降低,使得混凝土結構的承載力,適用性和安全性降低,終會影響整個結構的工作狀態,使結構可能沒有達到設計壽命就提前發生破壞。混凝土結構根據引起耐久性損傷的原因,又可以將環境劃分為一般環境、特殊環境和災害環境。一般環境中的二氧化碳、酸雨、濕度與溫度等能使混凝土中性化,並使混凝土中的鋼筋產生鏽蝕,而環境濕度與溫度則是影響鋼筋鏽蝕的主要因素;特殊環境中的鹽、酸、堿是導致鋼筋鏽蝕破壞與混凝土腐蝕破壞的主要原因,如寒冷地區的凍害、沿海地區的鹽害、腐蝕性土壤及工業環境中的酸堿腐蝕等;災害環境主要指火災、地震等對結構造成的偶發損傷,這些損傷與環境損傷造成的因素共同作用,將使結構性能隨時間劣化。如果說結構承載能力極限狀態的設計解決的是構件或結構承載能力問題,那麽結構耐久性研究則解決的是混凝土抵抗環境作用能力問題。

混凝土結構大量應用於海洋、鹽漬土、凍融、工業腐蝕等嚴酷環境的建築、碼頭、橋梁、隧道、公路、機場等重要工程,因而混凝土結構的耐久性問題已經成為學術界和工程界的重要前沿研究方向之一。

混凝土結構的耐久性、早期開裂及裂縫控製不僅與材料內在特性有關,更受控於各種環境參數的變化,如溫度、濕度、陽光輻照、冰、雨、雪凍融、腐蝕等。隨著全球工業化的快速推進特別是從上個世紀後期以來,各種工業廢水、廢氣、廢渣的大量排放使環境條件在不斷地加劇惡化。

大氣自然環境中各種酸雨的出現與水源的汙染加重以及各種有害氣體浸蝕等化學性侵害也給混凝土結構的耐久性等帶來嚴重影響。而現場進行土木工程結構的耐久性試驗,周期長、費用高,再現或者重複各種條件非常困難甚至不可能。因此需要創建一個室內模擬環境進行長期的、穩定的或加速的土木工程結構耐久性機理的仿真研究——人工環境模擬試驗。

現代混凝土結構人工模擬環境試驗技術包括環境模擬試驗的設計、多種耦合環境的實現、加速試驗與自然環境試驗的相關性以及檢測設備、儀器的應用等諸多關鍵環節。利用環境模擬技術,建設大型混凝土耐久性試驗室即人工氣候試驗室,可從時間到空間模擬所需要的各種環境現象或者條件,如自然氣候環境、工業環境、海洋環境、鹽漬土環境、凍融環境等,並實現多種環境因素的耦合作用,同時能夠與加載裝置聯合運用,模擬真實的荷載效應。在模擬的實際環境中進行各種工程材料與構件、結構的試驗,可對環境效應進行定性、定量、全麵、係統的仿真分析,對土木工程結構尤其是混凝土結構的耐久性、裂縫控製、各種早期特性的研究實現從源頭創新,有積極的推動作用。

我公司和國內各大院校合作研發的混凝土(結構)耐久性試驗室即ZHS係列多功能氣候擬試驗室,可在一定範圍內模擬自然環境中的溫度、濕度、日照、淋雨、鹽霧、霜凍、大氣酸雨(CO2、SO2氣體)等環境。該試驗室環境模擬采用了製冷、加熱、除濕、加濕和紫外線輻射等設備,同時在室內布置噴液管、噴氣管,用以噴入鹽霧、酸雨、低濃度的CO2和SO2氣體等。

環境模擬試驗室分為2部分,一部分為高低溫抖音黄版app下载安装交變日照雨淋實驗區,另一部分為鹽霧、腐蝕氣體環境、海洋環境實驗區。兩部分可獨立運行,單獨進行有關試驗,也可交替進行同批次結構模型試件的試驗,即實現試驗環境的綜合性。實驗室為30m3,60m3,120m3(具體尺寸可根據實際需要設計定製)

試驗室各分係統主要有:主室體、空氣循環係統、新風係統、日照係統、淋雨係統、加濕係統、除濕係統、製冷係統、加熱係統、控製係統等。研究各分係統的技術及設備配套,在保證各分係統協調控製的基礎上,進行智能化操作控製。試驗室設備應使用防腐材料,以適應所模擬的腐蝕環境,保證試驗係統的可靠性和長期運行。建成後將為承擔土木工程領域的建築、橋梁、隧道、碼頭、公路、鐵路和城市軌道交通相關的國家重大基礎科學項目和國家重點(重大)工程項目提供試驗研究平台。各大院校建成擁有功能全、規模大、自動化控製的大型步入式人工環境模擬試驗室,可以完善院校的土木工程結構耐久性研究係統,取得一批國內外先進的高水平研究成果,繼續保持土木工程學科的混凝土結構耐久性研究方向在國內的優勢學術地位,進一步提升研究水平,提高科技創新能力,加速人才培養,為今後爭取國家重點科研計劃項目和國家省部級重點土木工程科研項目提供科學研究平台。

可以實現的主要功能有:

  • 模擬自然條件下的氣候環境、海洋環境、工業環境;
  • 人工氣候環境下各種工程材料、結構的耐久性試驗;
  • 人工氣候環境混凝土結構熱學性能及早期特性試驗;
  • 人工氣候環境混凝土結構裂縫控製研究;
  • 海洋環境下工程材料、結構的耐久性試驗;
  • 海洋環境混凝土結構裂縫控製研究;
  • 工業腐蝕環境下工程材料、結構耐久性試驗;
  • 其他有關的環境試驗(綜合環境、可靠性試驗等)。

目前環境模擬試驗技術發展迅速,科技成果不斷湧現,需要掌握環境模擬技術的發展動態和技術水平,根據土木工程結構環境試驗的具體要求,研究土木工程結構環境模擬試驗室關鍵技術。在此基礎上,建設高標準、高水平土木工程結構的環境模擬試驗室,為各大院校校土木工程科學的快速發展就顯得尤為必要。

因此,利用環境模擬技術,建設大型多功能自動控製混凝土結構環境模擬室,可以人工模擬各種大氣環境、工業環境的單一因素或綜合因素作用,開展混凝土環境試驗及相關理論研究。在實驗室對混凝土材料、結構的基本熱學、力學、收縮、徐變、損傷等特性及其與各種氣候環境、海洋環境、腐蝕環境的定量關係進行全麵係統的仿真研究,加強材料與結構的學科交叉。針對小型構件或大型結構仿真模型,真實再現工程實際環境,進行結構裂縫的開裂機製、開裂應力發展變化、裂縫形成、結構破壞的全過程跟蹤試驗研究,達到從表觀至本質、微觀至宏觀的規律解析,裂控研究將會有較大的突破。因此研究混凝土環境模擬試驗室技術是非常必要的,對保證結構的安全性、耐久性有重要意義。

 

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