让混凝土的使用更加安全耐久

氯离子等有害介质的侵蚀是导致混凝土结构耐久性能降低的主要原因，也是亟待解决的世界性课题。值得注意的是，混凝土无论是在服役期间还是在测试、修复过程中，其内部呈现的均是一种含有多离子成分的孔隙电解液状态，各类离子之间会产生不可忽视的相互作用，并反作用于氯离子的传输。然而长期以来，国内外对混凝土离子传输规律的研究大都集中在单一的氯离子，难以反映氯盐侵蚀的真实情况，也影响了人们对混凝土劣化机理的深刻认识。为填补上述知识空缺，自2011年以来，本项目在1项国家重点研发计划课题和3项国家自然科学基金的支持下，基于结构工程学、建筑材料学、电化学、物理化学等多个学科的基础理论，深入阐释了多离子传输机制，系统构建了细微观数值表征体系，并在此基础上发展了电化学修复技术和耐久性能评价预测方法，取得了一系列具有国际领先水平的研究成果和较高的学术影响。

“氯离子等有害介质的侵蚀是导致混凝土结构耐久性能降低的首要原因，也是亟待解决的世界性课题。”上海交通大学教授刘清风在《基于多离子传输机制的混凝土耐久性能劣化与修复机理》的项目研究中明确指出，水泥基材料中的多离子传输问题，是认清混凝土耐久性劣化机理并实现长期性能预测与提升的关键。

混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、工作性的能力。它的耐久性与建筑工程的使用寿命息息相关，是影响结构安全性最重要的因素之一。

那么，破坏混凝土耐久性的因素到底是什么？目前的评估方法又存在哪些缺陷？《基于多离子传输机制的混凝土耐久性能劣化与修复机理》这一课题攻克了哪些技术瓶颈？带着诸多疑问，《中国建材报》记者采访了该项目主要完成人刘清风。

“由氯离子等有害介质侵蚀所导致的钢筋混凝土结构耐久性问题，逐渐成为威胁工程项目安全的最主要和最普遍的病害。如何加强混凝土结构对于离子侵蚀的防治和对受侵蚀构件进行修复处理，是一项世界性的课题。”刘清风说，“长期以来，国内外对混凝土离子传输规律的研究大都集中在单一的氯离子，难以反映氯盐侵蚀的真实情况，也阻碍了人们对混凝土劣化机理的深刻认识。”

刘清风表示，当前我国滨海和沿江区域中的钢筋混凝土结构在服役过程中遭受氯离子侵蚀的同时，还会受到其他多种耐久性劣化病害的威胁。这些病害往往同时出现、彼此加剧，严重降低了基础设施、建筑物的寿命和长期性能。现有的混凝土耐久性评估方法难以对处于复杂的服役环境下的钢筋混凝土结构作出准确预测。如何从机理层面探明不同劣化过程彼此间的内在联系和影响规律，更加可靠地评价服役结构的长期性能，也是长期困扰学界和行业的一道难题。

为此，自2011年，刘清风就开始了混凝土多相结构中的多离子传输理论研究，并带领项目团队在这一理论基础上面向钢筋混凝土既有结构，发展了电化学除氯技术和复杂环境下耐久性预测方法。具体围绕混凝土中的多离子传输理论的建立与数值表征、电化学除氯修复机理与改进方法、复杂环境下混凝土耐久性劣化机理与预测方法等技术难点作出了一些突破。

刘清风说，“我们团队着眼于混凝土全寿命周期，在探明了多离子耦合传输机制的前提下，将氯离子侵蚀过程与各类典型病害依次耦合，分别阐明了氯盐与碳化、冻融、荷载、硫酸盐破坏等多种劣化过程耦合的耦合机制，成功揭示了多种病害共同作用下的混凝土结构耐久性能劣化规律。在这些理论成果的基础上，项目团队还针对不同环境下的技术指标需求，分别对混凝土试件、构件、结构及近海大型基础设施等不同尺度、不同类型的混凝土，基于理论解析、统计分析，以及人工神经网络、基因表达式编程等机器学习技术提出了多种较高精度的耐久性预测方法。复杂环境下的预测误差相比前人模型降低了30%至70%，被纳入了多项国内外标准规范，指导并改善了混凝土耐久性能的评价和预测。”

在刘清风看来，建材行业是一个面向工程、面向应用的传统领域，但随着我国的经济腾飞和时代的进步，对整个土木工程行业提出了更高的要求，包括低排放、高强度、高韧性、高耐久以及信息化等，仅靠从实际工程乃至传统的实验科学中寻找经验已难以兼顾满足行业和科研的前沿需求。

这种想法在对电化学修复技术的研究中，让他体会深刻。电化学修复技术能够将已侵入混凝土的氯离子祛除，因其经济无损的特点，被广泛应用至已建成的钢筋混凝土结构基础设施建筑的修复和维护。然而，针对实际工程中受不同污染程度、不同结构组成的混凝土构件进行电化学处理时，采用什么样的电化学修复参数为最佳，能够得到怎样的修复效果，长期以来学界和行业对于这些问题的控制一直停留在试验试错阶段。这些工作不但费时费力，更大的问题在于不能及时消除电化学过程可能诱发的种种不利影响，从而制约了该项技术在工程中的应用和推广。

为了改变这一现状，刘清风及其团队在国家自然科学基金的资助下，在前辈学者的成果基础上，借助项目前期在混凝土多离子传输机制方面所做的理论突破，深入阐释了钢筋混凝土电化学除氯修复机理，实现了涵盖混凝土锈胀开裂—除氯沉积—裂缝修复的全过程数值预测，并全面分析了电流大小、通电时间、环境温度、阳极溶液浓度、阴极钢筋排列方案等众多要素对除氯效率的影响，开发了电化学修复效果预测软件，使人们能够科学而又方便地明确对于不同工况下的混凝土构件所应采用的电化学修复参数。避免因电化学技术指标控制不当所造成的低效、浪费和对混凝土带来的损伤，真正发挥了该技术的经济价值。

不经一番寒彻骨，怎得梅花扑鼻香。经过多年研究，刘清风带领着他的团队在《基于多离子传输机制的混凝土耐久性能劣化与修复机理》的项目研究中填补了多项行业空白，包括在国际上首次提出了基于严格微观电化学定律的混凝土中多离子传输理论，从几何、物理、化学等多个层面拓展了混凝土数值表征维度。并在此基础上探明了钢筋混凝土电化学除氯机理并实现全过程预测，提出了能同时预防钢筋锈蚀和碱骨料损伤两种病害的电化学修复改进方法；同时，还实现了氯离子侵蚀与多种典型耐久性劣化过程耦合的数学物理表述，提出较高精度的耐久性预测方法等一系列突破性成果。

这些成果为正确认识、预测混凝土耐久劣化过程，以及无损、有效的电化学除氯修复方法的实现铺平了道路。项目成果在发表于建材、结构、海工、环境、计算材料、物理化学等领域的国内外权威刊物的同时，也得到国内外众多知名专家和研究团队的认可、跟进与大篇幅报道。相关结论还纳入了多项国内外标准规范，对行业相关领域的发展起到了积极的推动作用。