周胜军 教授 澳大利亚ZCCPL首席顾问 中国三峡大学教授

    混凝土作为各种建筑中用量大的材料，在不断发展的过程中其强度不断提高。在高强度混凝土出现的同时，混凝土结构的耐久性问题也愈来愈被人们所关注。我国对混凝土耐久性的研究起步于 20 世纪 50 年代初的治淮工程，但结构耐久性问题在我国引起广泛关注是在 1980 年以后，特别是在 1992 年，中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土分会成立了混凝土耐久性专业委员会，极大地推动了我国混凝土耐久性方面的研究。

    混凝土是建筑行业的主体材料，提高混凝土耐久性具有非常重要的理论意义和经济价值。在各种设计规程中，均把耐久性列为混凝上的一项重要指标，尤其在一些大中型建筑物中，更加重视混凝土的耐久性。目前，在混凝土耐久性设计方面的科学研究和工程实践的最新进展状况如何，国际和国内工程建设中的混凝土结构耐久性设计及裂缝控制相关技术领域的有哪些关键新技术？为此，记者邀请到澳大利亚 ZCCPL 首席顾问，中国三峡大学周胜军教授做相关方面的精彩解读。

    周胜军，现澳大利亚混凝土学会（CIA） 耐久性委员会耐久性模拟指南编写组组长并任第一作者。美国混凝土学会服务寿命预测委员会委员、耐久性委员会委员、大体积混凝土委员会委员、裂缝委员会委员。是澳大利亚职业注册工程师。

    记者：您长期从事混凝土结构耐久性设计及早期热裂缝控制的科学研究和工程实践工作，请问目前混凝土耐久性设计及裂缝控制方面的科学研究和工程实践的现状如何？面临哪些挑战，相关的科学研究的意义如何？

    周教授：在这个问题中，我要从两方面进行回答。一是关于混凝土结构耐久性设计及模拟，另一个是关于混凝土早期热裂缝控制。

    第一，关于混凝土结构耐久性设计及模拟。

    目前混凝土结构耐久性的工程实践 / 科学研究的现状大概是这样的。国际和国内大多数工程项目的耐久性设计采用传统的“视为满足”的方法，即需要符合国内或国际的相关标准。这种方法不能对混凝土结构的寿命实现定量设计，其可靠性未知并且有很多耐久性失败的工程实例。这种混凝土耐久性设计方法还属于经验技术的层面，还不能达到科学的层次。

    现在国际上少数最先进工程项目，其中包括我参与负责的很多项目的耐久性设计方法已经开始转向科学地和定量地预测和实现混凝土结构的设计寿命，一般主要采用了数学模拟的方法进行设计。例如闻名中外港珠澳跨海大桥的耐久性设计采用了全概率模拟方法。在此方面的科学研究也已经不断进行新的探索，已经取得了很大的进步。

    混凝土最常见的劣化模式是外部氯盐侵入混凝土或混凝土发生碳化导致钢筋的保护层破坏进而引起钢筋的锈蚀以及钢锈膨胀引起周边混凝土的破坏。针对受此种劣化影响的混凝土结构的耐久性设计，经过几十年不断研究和技术进步，现在已经实现了用数学模拟方法对混凝土结构的服务寿命进行很准确及可靠的定量计算和预测了。早期第一代氯盐渗析数学模型只能模拟及预测在氯盐渗析系数和混凝土表面氯盐浓度均保持恒定的条件下混凝土中氯盐的渗析过程。其后第二代氯盐渗析模型可以模拟及预测在混凝土氯盐渗析系数随时间降低而表面浓度恒定的条件下混凝土中氯盐的渗析过程。而我最近建立的第三代氯盐渗析解析解模型可以用于模拟预测在氯盐渗析系数随时间降低而表面氯盐浓度随时间逐渐增加的条件下混凝土中氯盐的渗析过程。至此氯盐渗析模拟的模型和方法可以涵盖解决主要现场混凝土可能发生的氯盐渗析的情况了。

    另外用以模拟预测混凝土碳化速度的模型已经渐渐发展得更加完善了。第一代碳化模型是简单经验公式，没有考虑环境（二氧化碳浓度，温度，湿度，下雨天数，及混凝土表面情况）及施工（如养护时间）等因素的影响。第二代模型解决了环境因素及施工因素对碳化的影响，使预测范围更加广泛并且预测结果更加准确。我近期建立的第三代数值解碳化模型可以用于未来气候环境逐渐改变的条件下（CO 2 ，温度及湿度）混凝土碳化速度的模拟预测。至此碳化的模拟可以用于绝大多数处于碳化环境的混凝土构件并且预测结果更加准确和可靠。

    我们在混凝土耐久性设计及耐久性模拟方面所面临的第一个问题是，虽然氯盐渗析和碳化模型已经成熟了，混凝土氯盐渗析和碳化模拟所需要的输入参数的数据量还需要更加充分，更加系统，并且涵盖更加全面，这一定程度上影响进步提高耐久性设中的模拟结果的精确度和可靠度。对此方面的科学研究具有非常巨大的技术经济意义。研究结果可以为相关工程设计和模拟工作提供可靠的输入参数，提高设计的精确度和可靠度。

    我们面临的第二个问题是，我们目前还没有非常可靠的模型用于其它混凝土劣化模式的模拟预测及工程设计。这些劣化模式包括很多种，如硫酸盐侵蚀，镁盐腐蚀，酸腐蚀，冻融破坏，磨损，碱骨料反应等。对此方面的科学研究意义重大，可以对在这些环境的混凝土进行耐久性模拟，以实现设计寿命定量化。

    我们应该认识的一个重要观念是越耐久的混凝土结构，就是越为可持续的，因为平均单位服务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结构资产的保值性和安全性也是更好的。因而提升混凝土耐久性我们国家建筑业从业人员最需要关注的，应该提到国家的战略高度上来认识和实施，这样才能为我们子孙万代留下一些宝贵的优质廉价原材料和能源。

    第二，关于混凝土早期热裂缝控制。

    在混凝土结构早期热裂缝控制方面工程实践和科学研究的现状是这样的。国际和国内绝大多数的项目还是处于依靠各自积累经验进行裂缝分析和控制。因为对裂缝成因及机理认知不彻底和不定量，控制效果非常不佳或者不可靠，造成裂缝普遍发生于混凝土结构中，极大地影响了这些混凝土结构的耐久性。这种控制方法还是属于经验技术层面，还没有实现科学化。

    现在少数最先进国际工程项目，其中包括我参与负责的很多工程项目，都已经采用预先进行混凝土早期热工模拟和裂缝分析，以便更好的定量预测混凝土温度变化及裂缝发生的风险及裂缝宽度，并可以提出和采用有效措施来控制或预防裂缝的发生及裂缝宽度。这是一种更加科学的控制方法，因而具有非常好的精确性和可靠性。

    这种方法的核心是较精确预测在不同环境天气条件下混凝土构建由于水泥水化热引起的温度变化过程，根据混凝土受到的各种不同的约束，根据构件承受的约束收缩应变（及应力）及其与混凝土的最大抗拉应变能力（强度）的比较来判断裂缝发生的风险，最后根据钢筋的尺寸大小和间距预测裂缝宽度和间距。通过调整内部和外部条件改变构件温度的变化过程，改变外部约束强弱，最终可以降低裂缝发生的风险。如果裂缝不能避免，通过这些措施及调整钢筋密度可以定量预测和控制裂缝宽度。

    在此方面我们及国际其他专家们一起研究已经取得了很大的进展。我们成功建立了混凝土水泥水化热模拟的方法，裂缝风险的判断准则，混凝土与地基换热过程模拟及其对混凝土温度分布的影响，混凝土内外温差的模拟和控制措施，复杂构造条件下的约束评估方法及改变措施，大体积混凝土内置冷却水管系统的优化设计，圆柱体混凝土的温度模拟等。这些进展极大推动了在此方面的工程技术水平及施工质量。

    在此方面我们所面对的主要问题是热工模拟和裂缝分析方法的精度还可以进一步提高，以可靠控制裂缝发生风险。这主要因为模拟所需要很多输入参数的研究数据的积累还在不断地进行，数据还需要更加充分和更加系统，因而在有些情况下模拟预测的结果准确度有进一步提高的空间。另外现有一些模型本身也可以进一步发展完善。对此些方面的研究还需要继续加强和扩展。

    有关裂缝模拟控制方面的研究有着非常重大意义。首先裂缝控制历来是科学和技术上的国际性难题，解决此难题能够极大推进科学和技术的进步。其次，裂缝控制技术的提升有利于提高混凝土结构及相关设施的整体质量，耐久性及可持续性。

    记者：作为业界专家，您多次主持完成国际重大工程项目的混凝土结构耐久性设计和热裂缝控制工作，请分享一下对您印象深刻的工程项目或研究项目，请分享一下您的感受？

    周教授：是的，我曾经主持完成很多国际重大工程项目的耐久性设计和热裂缝分析控制工作。其中印象最深刻的项目是位于澳大利亚布里斯班市的盖特威（Gateway）高速公路升级项目。此项目包括设计寿命高达 300 年的当地地标建筑物 - 盖特威复线大桥。这样长的设计寿命所需要的耐久性工程设计在国际建筑工程界也是一个巨大挑战和难题。此设计要求同时对施工技术和质量保证体系提出了极其严格的要求。我在项目建设开始不久后就加入项目，并担任该项目的首席耐久性工程师。我觉得身上的压力很大和负担很重，但同时我和我们团队全体又觉得这个项目是我们人生及职业生涯中最难得的宝贵机会和经历。

    首先对项目甲方业主昆士兰州道路交通部非常令人钦佩。他们提出建造 300 年寿命的大桥具有超常前瞻性和巨大的勇气。经过评估，他们认为这样长的设计寿命具有最佳的可持续，因为桥梁可以在这样长的期间内免于劣化，免于昂贵修理和维护，免于服务功能的频繁中断，避免了短寿命桥需要重复建设对原材料和能源巨大浪费，整体节省了大量的基建费用。另外他们也制定非常详细和严格的技术规范和质量管理系统。这些都是项目能够成功的最为关键的要素。我觉得澳洲业主在这方面的长处是值得我们中国项目甲方或业主好好学习的。

    其次对设计寿命 300 年的桥梁进行耐久性设计是一个挑战，需要对数学模拟的基础理论和方法进行深入研究和探索，并通过找出最佳的材料组合及各项性能指标要求。另外桥梁项目在施工中也采取了非常严格的质量控制措施。在材料选择和施工质量监控措施也非常系统和完善。在项目实施过程中出现任何质量不达标及设计变更都会进行进一步评估着是否符合技术，结构功能，及耐久性要求。

    我还按照项目技术规范对整个项目主要混凝土结构进行早期热工模拟和裂缝分析控制。其中包括跨河大桥主跨的超厚大（3.4米厚）墩桩承台的热工模拟，冷却管系统热工模拟和设计工作。这是一个具有极大挑战性的工作，我本人和团队其他专家当时也缺少相关经验。为了完成设计任务，我查阅和学习了大量的技术资料和文献，最后根据科学原理进行相关研究和探索，找到了模拟的关键技术，顺利完成冷却管系统的设计工作。施工结果证实模拟的方法精确可靠，还发表了一篇学术论文专门介绍这个工作成就及结果。后来又对主跨的桥墩结构，其他跨墩桩承台，以及其它桥的部分结构进行了进行了热工模拟和裂缝分析控制，取得了非常成功的效果。

    在项目收尾期间，根据项目的技术规范，我自己完成整个项目的耐久性评估并据此完成了项目竣工报告。在评估中主要对施工中所有受到技术和质量不达标及设计变更影响的结构进行耐久性评估，判断所出现的问题是否对耐久性或实现设计寿命有负面影响？如有影响，需要什么技术措施进行弥补？如果不能弥补，需要把这些问题记录在运营和维护手册中，以便定期观察和检测。我觉得澳洲在此方面的质量体系非常好地保护了业主的利益，是值得我们中国项目管理方面学习的。

    记者：您致力于解决国际和国内工程建设中的混凝土结构耐久性设计及裂缝控制相关技术领域的关键技术问题，请问目前我们团队研究的方向有哪些，请您介绍一下您的团队以及近几年的科研成果。

    周教授：我一直致力于通过科学研究来解决国际和国内工程建设中的混凝土耐久性设计及热裂缝控制相关技术领域的关键技术问题。我的团队目前的主要研究方向包括这样几个方面：

    （1）进行混凝土氯盐渗析，碳化及钢筋锈蚀过程的模拟理论及应用研究以提高这些模拟方法的精确性及普遍接受性，并将耐久性设计的模拟方法逐渐推广于国内的工程实践之中；

    （2）进行混凝土热工模拟和裂缝分析控制技术的科学研究，建立成套技术并提高其精确性和可靠性，并将其逐渐推广于国内国际的工程实践之中，有效解决裂缝这一困扰业界多年的大难题。

    （3）进行其它耐久性方向的深入研究，逐渐建立不同的数学模型用以模拟混凝土在不同机理下的劣化过程，使耐久性设计能够实现设计寿命和可靠性的定量化。另外还有调查不同劣化机理的耦合作用的定量模拟的原理和并建立相应的应用技术。

    我们的团队包括中国三峡大学土木水电学院的徐港教授，王青教授，高德军副教授，彭艳周副教授，及研究助理赵鹏等 8 人。我和团队近 5 年成果包括建立新一代混凝土氯盐渗析和碳化数学模型，填补了此方面的国际空白。还负责很多国际重大工程项目的咨询工作。另外团队近 5 年完成了两个国家自然科学基金项目，两个省级自然科学基金项目等 8 个纵向耐久性相关研究项目及 10多个横向科研项目。

    记者：请您谈谈混凝土结构耐久性设计及早期热裂缝控制技术的未来发展趋势？高性能混凝土作为一种具有高耐久性的材料未来的发展趋势是什么？

    周教授：混凝土结构耐久性设计和早期热裂缝分析控制技术的未来发展有如下趋势：

    1、随着不断深入地大量科学研究，混凝土耐久性及其它工程性能的表述逐渐实现科学化，数学化及系统化，即这些性能可以定量和可靠地预测和模拟。

    2、其中氯盐渗析，碳化，及钢筋锈蚀模拟理论和模拟耐久性设计技术更加成熟可靠，输入参数更加全面和系统化，模拟的方法将会渐渐广泛应用于工程项目中的混凝土结构耐久性的定量化设计。

    3、大量科学研究将投入到其它的混凝土劣化机理，将会逐渐建立模拟的数学模型，并将其应用于混凝土结构的耐久性定量化设计。

    4、经过大量科学研究，混凝土热工模拟和裂缝分析控制技术将会越来越成熟可靠，在混凝土工程中的广泛应用，大幅提高混凝土结构的质量和耐久性。

    5、高性能混凝土作为一种具有很高耐久性的混凝土材料，会渐渐得到更加广泛应用。但需要注意解决如下几个问题：

    （1）其一是高性能混凝土的胶凝材料含量很大，水化热高，化学收缩大，裂缝风险很大，影响其耐久性。其最好的解决方法是采用热工模拟和裂缝分析控制裂缝。

    （2）其二是耐久性性能指标不要求全，要有针对性，根据环境条件及主要劣化机理来确定所需要的性能。否则会造成没有重点，全面提升，造价太高，浪费巨大。

    （3）其三，未来需要开发并广泛应用特种高性能混凝土，如抗氯盐混凝土，抗酸混凝土，抗冻混凝土，抗硫酸盐混凝土，抗碳化混凝土等。

    后记

    混凝土热工模拟和裂缝分析控制技术将会越来越成熟可靠，随着其在混凝土工程中的广泛应用，混凝土结构的质量和耐久性必将会大大地提高！

    人物简介

    周胜军，博士，澳大利亚 ZCCPL 首席顾问，中国三峡大学教授。任澳大利亚混凝土学会 （CIA） 耐久性委员会耐久性模拟指南编写组组长并任第一作者。任美国混凝土学会多个技术委员会委员包括 ACI365 委员会 （ 服务寿命预测 ），ACI201 委员会 （ 耐久性 ），ACI207 委员会 （ 大体积混凝土 ）， 和 ACI224 委员会 （ 裂缝 ）。具有澳大利亚职业注册工程师资格 （CPEng，NER，RPEQ）。获得了英国邓迪大学博士学位及清华大学硕士学位。此前先后在邓迪大学及新加坡国立大学从事博士后研究工作。曾在国际顶级咨询公司 AECOM，ANCONBeton 任首席材料工程师/咨询顾问及澳洲最大商混公司Boral任研发经理多年。具有30多年混凝土研究及重大国际工程实践经验，在混凝土耐久性设计模拟及热模拟裂缝分析控制等技术领域拥有丰富工程实践经验及国际一流的技术科研成果。已建立了新一代解析解数学模型用以计算表面浓度按线性及平方根模式增加时氯盐在混凝土中渗析速度及浓度曲线。还建立了新一代数值分析模型用以预测未来气候变化（CO 2 ，温度，湿度）时混凝土碳化速度。