2021年度研究进展14：复杂环境下混凝土桥梁耐久性

目前，随着时代的飞速发展，在复杂环境如海洋、高海拔、大温差等地区修建桥梁的需求日益增长。混凝土桥梁不可避免地暴露在复杂环境中，研究表明，在服役过程中复杂环境因素（如温度、湿度、降水、侵蚀性离子、紫外线等）和荷载作用导致混凝土桥梁的退化会随着时间的推移对其力学性能和耐久性能产生不利影响，这主要源于混凝土的开裂和钢筋的锈蚀。为复杂环境下混凝土桥梁的维修养护决策提供科学支撑，需厘清复杂环境下混凝土桥梁的长期性能劣化机理及其对耐久性能的影响，揭示复杂环境因素对混凝土桥梁的耦合作用机理，提出应对复杂环境作用下混凝土桥梁耐久性的提升措施。针对以上问题，本文对2021年度复杂环境下混凝土桥梁耐久性相关研究进展进行梳理汇总，主要从复杂环境条件下桥梁混凝土材料的耐久性作用机理、不同环境（腐蚀环境、高原环境和极端高低温环境）下混凝土桥梁耐久性及其提升措施方面展开，以供广大同行参考，持续推进混凝土桥梁耐久性研究。

混凝土作为桥梁建筑中不可或缺的材料，其耐久性决定了桥梁结构的长期服役性能。然而，混凝土结构的服役环境复杂多样，环境（如温度、湿度）作用通常引起混凝土裂纹的产生，使环境中的硫化物、氯化物等有害离子更易浸入混凝土内部，造成混凝土自身及结构的劣化[1]。在这个过程中，各环境因素之间的耦合作用可能对混凝土产生叠加的作用效果，加快混凝土各项性能的退化，从而降低混凝土结构的服役性能并缩短其服役时间[2]。因此，如何正确评估多环境因素下混凝土材料的耐久性能，认识环境因素对混凝土不同劣化形式的影响机理对混凝土桥梁结构的安全使用有重要的意义。

1.1 ? 复杂环境下桥梁混凝土材料的碱骨料反应

碱骨料反应是降低混凝土结构长期服役性能的主要原因之一，主要是由潮湿环境下碱骨料反应产物在混凝土内部产生膨胀引起结构的劣化。同时，其反应周期普遍较长，并且难以修复，被称作混凝土的“癌症”[3]。

混凝土碱骨料反应的发生及反应速率受到服役环境中温湿度的影响，不同学者针对温湿度对碱骨料反应的影响机理展开了相关研究。Yang L F等[4]为研究不同温度与湿度条件对碱骨料反应引起的混凝土体积变化的影响，基于试验数据、数值模拟和参数分析提出了考虑温湿度的混凝土碱-硅反应（Alkali-Silica Reaction，ASR）模型，该模型在晶格离散粒子模型的多物理框架中建立，考虑了ASR的膨胀、开裂损伤、徐变、湿热变形以及温-湿度传递的不均匀性从而能够准确描述混凝土中碱骨料反应产生后的变形行为。温度不但影响碱金属离子的浸析、干缩和孔隙率等混凝土的温度相关性能，也影响包括ASR凝胶粘度、ASR活性和二氧化硅的侵蚀等凝胶的温度相关性能，最终导致混凝土的膨胀率随温度升高而增加。另外，混凝土的膨胀率也受到环境相对湿度的影响，在相对湿度从100%降低到70%时，混凝土的膨胀率有明显的下降，相对湿度到达70%后几乎没有ASR膨胀现象。由此可见，环境温度对混凝土膨胀速率的影响更明显，而混凝土的极限膨胀对环境相对湿度更敏感。Neto F M M等[5]研究了不同温度、阳离子类型和浓度对混凝土ASR加速试验的影响，指出混凝土中二氧化硅的劣化与各影响因素的耦合作用以及因素间复杂反应有密切的关系，温度的升高能够大幅降低反应产物的结晶度；对二氧化硅的劣化影响最大的Na+与K+的混合溶液；在高温和高浓度条件下合成的凝胶产物与较温和条件下合成的产物相比不管是在微观还是宏观结构上都有着明显的区别。

随着混凝土桥梁使用环境复杂化，其受到ASR破坏的影响日益突显，ASR引起了膨胀和开裂，降低了混凝土的力学性能。但关于ASR对钢筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）构件的影响的大规模实验数据仍然有限。为了考虑ASR对钢筋和混凝土之间相互作用的影响，Vo Daniela等[6]提出了能够预测均质钢筋和外荷载组合引起各向异性膨胀的有限元模型，用于评估梁在自然环境中长时间老化后的剩余强度能力。Aryan H等[7]研究了ASR损伤对最小全尺寸钢筋混凝土梁的剪切响应，与ASR膨胀0.2%的梁相比，其他膨胀0.4%梁的剪切强度损失6%、剪切刚度损失25%、剪力加固载荷损失20%，在峰值载荷下出现两倍大的剪切裂缝和剪切变形。Jia G等[8]基于新的随机理论开发了一种可以考虑地震、腐蚀和 ASR 引起联合效应的退化模型，用于评估 RC 结构的时变地震脆性和可靠性。

1.2 ? 复杂环境下桥梁混凝土材料的氯离子侵蚀

氯离子侵蚀引起钢筋的锈蚀也是导致钢筋混凝土结构长期服役性能劣化的主要原因之一。氯离子在混凝土中的迁移是涉及到离子扩散、材料孔结构、化学反应、基体渗透性和内外环境等的复杂物理-化学过程。

研究不同环境条件下混凝土中的氯离子迁移过程是明确复杂环境下混凝土氯离子侵蚀劣化的关键步骤。为了揭示环境因素影响下混凝土中的氯离子迁移过程，Zhang Y等[9]建立了混凝土饱和与非饱和情况下多物理场的氯离子渗透模型，该模型将混凝土水化过程中微结构演化与离子浓度扩散过程进行耦合，利用半离散导管传输网络模拟混凝土内部的基体与集料间的不均匀性（如图1所示），反应细观尺度的迂曲性对氯离子在混凝土中迁移的影响。多物理场模型包括了混凝土几何结构（孔隙分布和孔隙连通性等）、化学反应和电势等因素并考虑了温度变化对这些因素的作用，能够准确反应混凝土的孔隙结构演化以及温度和湿度梯度对氯离子传输的影响。同时，模型通过将混凝土结构的迂曲性和阻塞性用孔隙体积变化的函数形式表示，从而在简化模型参数的情况下使模型能够准确的描述龄期对氯离子迁移的影响

氯离子侵蚀引起钢筋的锈蚀也是导致钢筋混凝土结构长期服役性能劣化的主要原因之一。氯离子在混凝土中的迁移是涉及到离子扩散、材料孔结构、化学反应、基体渗透性和内外环境等的复杂物理-化学过程。

研究不同环境条件下混凝土中的氯离子迁移过程是明确复杂环境下混凝土氯离子侵蚀劣化的关键步骤。为了揭示环境因素影响下混凝土中的氯离子迁移过程，Zhang Y等[9]建立了混凝土饱和与非饱和情况下多物理场的氯离子渗透模型，该模型将混凝土水化过程中微结构演化与离子浓度扩散过程进行耦合，利用半离散导管传输网络模拟混凝土内部的基体与集料间的不均匀性（如图1所示），反应细观尺度的迂曲性对氯离子在混凝土中迁移的影响。多物理场模型包括了混凝土几何结构（孔隙分布和孔隙连通性等）、化学反应和电势等因素并考虑了温度变化对这些因素的作用，能够准确反应混凝土的孔隙结构演化以及温度和湿度梯度对氯离子传输的影响。同时，模型通过将混凝土结构的迂曲性和阻塞性用孔隙体积变化的函数形式表示，从而在简化模型参数的情况下使模型能够准确的描述龄期对氯离子迁移的影响。

图1 导管传输网络反应氯离子浓度在混凝土中细观尺度非均质结构中的分布[9]

混凝土的服役环境复杂多变，环境变化的耦合作用（如冻-融循环、干-湿循环、混凝土碳化等）往往显著影响了氯离子在混凝土中的迁移过程。Wang G等[10]发现在海洋复杂环境下（如海水浸泡和干-湿循环条件）氯离子在珊瑚骨料混凝土中的扩散方式符合Fick第二扩散定律。在干-湿循环环境中氯离子迁移的驱动力是毛细孔吸附和浓度扩散的耦合作用，因此珊瑚骨料混凝土的氯离子侵蚀作用在干-湿循环条件下比浸泡环境下更显著。Li WJ等[11]建立了近场动力学模型研究海洋环境中不同因素作用下钢筋混凝土的氯离子扩散和钢筋的初始锈蚀时间，验证了近场动力学模型的适用性以及计算效率。与常扩散系数相比，近场动力学模型结合圆锥型微扩散系数能够提高混凝土中氯离子迁移和初始锈蚀时间的预测精度。结构中暴露在氯离子环境中的角部钢筋发生锈蚀的时间是其他部位钢筋的0.823倍，说明结构角部需要更多的保护措施。另一方面，温度的升高和冻融循环次数的增加会显著缩短混凝土中钢筋初始锈蚀的时间。王建刚等[12]-[13]通过测试再生骨料混凝土的抗压性能、氯离子迁移系数、和微观孔隙结构，研究了碳化、干湿循环和冻融循环单一或耦合的条件对三种再生骨料混凝土的耐久性的影响机理。碳化和干湿循环可以增加孔隙的迂曲度，减少孔隙的连通性。冻融循环以及冻融循环与其他条件的耦合情况（包括冻融循环与碳化条件耦合以及冻融循环、碳化与干-湿循环耦合）能够减少孔隙的迂曲度并且会破坏孔隙结构。在复杂环境中，再生骨料混凝土的主要劣化原因是混凝土试样中大孔体积分数的增加，耦合环境条件越多，孔隙的体积分数越大。同时，该研究基于大孔隙体积分数和孔结构的迂曲度提出了再生混凝土在多环境因素下的综合孔隙指数和抗压性能与氯离子迁移系数的预测模型，从而为再生骨料混凝土的维护与性能评估奠定基础。Al-Ameeri AS等[14]指出，混凝土的碳化在很大程度上影响混凝土中的氯离子的扩散性能，混凝土的碳化深度会随着混凝土裂缝宽度和水灰比的增加而增加；同时，混凝土的碳化增加了混凝土的渗透性从而提高了氯离子在混凝土中的渗透深度以及氯离子的浓度。Wang Y等[15]研究了水泥砂浆在氯化钠盐溶液中由于冻融导致的混凝土细观尺度的力学性能劣化，发现在单一冻融破坏条件下，砂浆的孔隙连通性随着冻融循环次数的增加而显著增长，然而在高浓度NaCl冻融破坏条件下，该性能的变化则相对较小。当试样暴露在高浓度NaCl中时，在冷冻过程中的结晶压是砂浆低温破坏的主要原因。Min J等[16]对4座海岸混凝土桥梁在除冰盐和空气中的氯化物的变质环境进行了评估，认为氯离子的穿透性能取决于暴露的老化环境、构件的位置和高度及变质状态，并强调了桥梁目标构件和位置的选择在检查和维护中是非常重要的。Dong W Y等[17]为研究海洋环境中横向冲击对钢筋混凝土桥梁墩的影响，考虑干湿循环和氯离子腐蚀，通过桥墩的落锤冲击试验，研究了混凝土桥梁墩的裂纹扩展过程和破坏模式，发现不同腐蚀速率的桥墩在横向冲击作用下的破坏模式不同。

1.3 ? 复杂环境下桥梁混凝土材料的硫酸根侵蚀

硫酸根离子在土壤、地下水、海洋以及工业废水中广泛存在。硫酸根离子渗入混凝土后会与水泥水化反应产物进行反应，导致混凝土的膨胀和开裂，从而影响了混凝土的耐久性能。环境温度的差异导致了硫酸盐对混凝土侵蚀过程的变化。Jiang X等[18]认为硫酸盐结晶对混凝土的物理侵蚀是混凝土耐久性能劣化的原因之一，然而由于传统硫酸盐侵蚀试验是将试样完全浸泡在硫酸盐溶液中，该环境下硫酸盐结晶较少，往往会忽略混凝土结构实际使用过程中硫酸盐结晶对混凝土产生的物理侵蚀或与硫酸盐的化学侵蚀混淆。通过X射线衍射试验、扫描电子显微镜、X射线能谱、X射线断层扫描等微观表征技术，研究了混凝土在不同的温度以及干-湿循环条件下硫酸盐对混凝土的侵蚀机理。结果表明，试样在5℃的条件下，混凝土表面以下均匀的形成了裂缝，然而在20 ℃时在角落部位形成裂缝，而并且比5℃条件下更为严重。同时，Jiang X等[18]还提出了硫酸盐结晶在不同温度下导致混凝土的劣化机理。如图2所示，硫酸钠在20℃时的饱和度高于5℃的饱和度，在20℃时混凝土试样中更多的无水芒硝在硫酸盐溶液中溶解，同时在角落部位形成的裂缝会由于试样的暴露面的增加而提升硫酸盐溶液的渗透速率，从而导致温度升高时，氯化钠的结晶发生在试样更深处并且产生更严重的劣化。

图2 水泥砂浆中与温度相关的盐结晶损伤机理示意图[18]

在各种环境因素的耦合作用下，硫酸根离子的侵蚀行为也相应地发生变化。Xu F等[19]研究了硫酸侵蚀和冻融循环耦合条件下铁尾矿再生骨料混凝土的性能，并指出铁尾矿增强了再生混凝土的力学性能，同时优化了孔隙结构、增加了混凝土的脆性。在冻融循环条件下，由于铁尾矿骨料与基体间的粘结性能较差，混凝土的剥落情况比普通骨料混凝土更为严重，建议铁尾矿集料在混凝土中的参量不超过20%。甘磊等[20]研究了玄武岩纤维混凝土在硫酸盐和干-湿循环耦合条件下的劣化规律，其劣化主要受到了纤维掺量、硫酸盐浓度和干-湿循环次数这三个因素协同作用的影响，其中石膏型侵蚀和钙矾石型侵蚀是干-湿循环过程中硫酸盐侵蚀的主要类型。玄武岩纤维通过自身优异的抗拉强度、较高的应力-应变比和极限延展率等特性提升了混凝土在硫酸盐和干-湿循环作用下的长期服役性能。朱效宏等[21]对碱矿渣水泥的生成产物C(N)-A-S-H凝胶在硫酸盐环境下干-湿循环后的结构演化规律进行了微观表征研究，发现C(N)-A-S-H凝胶在不同硫酸盐溶液中的结构变化存在差异，在MgSO4溶液干湿循环后产生了石膏，并且C(N)-A-S-H凝胶的长链结构发生了断裂，而在Na2SO4溶液干湿循环后石膏并未产生，同时C(N)-A-S-H凝胶从短链或长链端部开始被侵蚀造成了平均链长的增加。冯琦等[22]研究了再生骨料和粉煤灰的添加在硫酸盐和干-湿循环耦合环境下的耐久性能，通过MATLAB建立了最优配合比抗压强度损失率和相对动弹性模量属性以及质量损失率的对数函数平面拟合模型，结果发现在硫酸盐和干-湿循环条件下，混凝土的质量和抗压强度均呈现先升后降的趋势；并提出了粉煤灰在代替率为15%时，混凝土在干湿循环条件下抗硫酸盐侵蚀能力最好。

综合以上复杂环境下混凝土桥梁材料的耐久性研究进展可以发现，单一环境因素下混凝土材料的不同耐久性能的劣化机理日益明朗，多种环境因素耦合作用下混凝土材料的不同耐久性能的劣化机理逐渐受到研究人员的广泛关注。如何考虑实际服役环境中的多因素耦合机理进行深入的研究是未来需要继续探讨的方向。

暴露于腐蚀性环境下混凝土桥梁结构内部微裂纹加宽，裂纹可能为氯化物和其他有害物质向预应力钢丝或钢筋渗透提供途径，进而导致钢筋腐蚀。在日本、泰国、越南[23]和玻利维亚Chapare地区[24]的钢筋混凝土桥检查时发现腐蚀是其劣化的主要问题，腐蚀可能导致混凝土脱落和桥梁倒塌风险。因此，研究各种腐蚀环境对混凝土桥梁的影响意义重大。

2.1 ? 海洋腐蚀环境下混凝土桥梁的耐久性能研究进展

暴露在海洋环境中的沿海桥梁总是受各种离子（尤其是氯离子和硫酸根离子）的侵蚀。为了研究海洋腐蚀环境对混凝土桥梁的侵蚀过程和影响因素，主要对混凝土及其构件通过加速腐蚀试验和暴露试验开展。王胜年等[25]研究发现在长期暴露海洋下的粉煤灰混凝土和矿渣粉混凝土对氯离子的化学固化作用显著，所生成的弗里德尔盐在实际海洋环境下可长期稳定存在。Hou L J等[26]对钢纤维混凝土构件在氯化物环境进行两阶段腐蚀试验（即先循环湿-干氯化物腐蚀，后使用外部电流加速腐蚀），其劣化过程表现为在纤维表面观察到局部锈蚀并随着梁腐蚀率的增加而逐渐加重（图3），持续载荷加速了以腐蚀电位迅速降低为特征的钢筋腐蚀，持续载荷和氯化物腐蚀有明显的耦合效应。Wang G[27]对路桥工程混凝土结构进行氯离子加速腐蚀试验，测试不同腐蚀时间下有特殊保护和无特殊保护的混凝土不同深度的氯离子浓度，以及特殊处理的效果。

图3 典型腐蚀梁中钢纤维的表面形貌[26]

为了预防海洋环境中钢筋的锈蚀，常使用纤维增强复合材料作为常规钢筋的替代品。Jrab C等[28]将纳米SiO2、纳米TiO2和聚丙烯纤维加入混凝土中，研究了混凝土在冻融循环和硫酸盐侵蚀下的耐久性和破坏机制，研究发现：由于聚丙烯纤维的桥联作用将混凝土的耐久性提高67%，纳米粒子只能提高混凝土在120次循环内的耐久性，不能提高长期抗冻性，提出了“霜-盐胀-腐蚀”复合破坏理论来解释混凝土在霜冻和硫酸盐侵蚀作用下的破坏机理。发现水冻结比硫酸钠带来的损害更大，孔隙特性是影响耐久性的最重要因素。Xie J H等[29]探讨了氯化物环境暴露对自锚定预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁弯曲性能有较大的负影响，暴露在氯离子溶液后预应力CFRP加固的钢筋混凝土梁的破坏模式由压缩段的混凝土破碎转变为锚拔，并提出了一种预测预应力CFRP增强钢筋混凝土梁在氯化物环境下抗弯强度的理论模型。Mansouri S M等[30]为了研究COOH 功能化多壁碳纳米管对水泥砂浆机械性能和耐久性的影响，将试样在钠-镁硫酸盐和石灰石-饱和水组合的环境条件下进行分析了长达 960 天的长期暴露，发现添加功能化的多壁碳纳米管作为桥接因子可使储存在石灰石饱和水和硫酸盐溶液中的纳米复合材料的弯曲强度分别提高 37% 和 42%。此外，作为填料，通过细化孔隙和改变微观结构，在上述两种环境中的抗压强度分别提高了 25% 和 39%。文子豪等[31]对外部粘合的纤维增强聚合物（FRP）复合材料加强梁暴露于微咸水中 12 年后进行检查，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）和碳纤维增强聚合物（CFRP）增强材料的组合在限制延展性的同时，适度提高了桥梁强度（超出残余强度 12%）。然而，FRP 微观结构的检查、机械性能测试和粘合拉脱测试表明，FRP 对结构强度的贡献可能受施工技术和暴露条件的影响很大。

暴露在海洋环境中的沿海桥梁总是沿桥墩高度受到不均匀腐蚀，Zhao J F等[32]设计和制造了四个按比例缩放的桥墩试件，在飞溅和潮汐带中经受了不同程度的电加速腐蚀后对四个桥墩试件进行了循环荷载试验，腐蚀后混凝土的表面状况如图4所示。随着腐蚀程度的增加，试样的承载能力、延展性和累积能耗降低，当腐蚀足够严重时，塑性铰的位置将从桥墩底部转移到腐蚀区。He S等[33]对6根钢筋混凝土梁进行为期一年的持续荷载试验，后对破损的混凝土梁进行腐蚀疲劳荷载交替试验，研究了不同腐蚀和疲劳工作条件下的长期挠度、疲劳寿命、失效模式和裂纹扩展。梁中的氯化盐对挠度性能影响不大，腐蚀环境会加速梁杆的生锈，降低疲劳寿命、挠度损伤和裂纹损伤的累积等疲劳特性。在有限元模拟方法上，Leng Y等[34]考虑了海洋环境下混凝土结构的最大扩散现象，提出了一种新的双时变氯离子扩散模型，该模型是在浓度梯度是混凝土中氯侵入的唯一或主要驱动力的假设上建立的，氯离子扩散系数和氯离子峰值含量均为时变。由于腐蚀效应会导致桥柱的失效模式转变，Xu J G等[35]开发了一个可以捕捉腐蚀柱的抗剪能力退化和弯剪耦合行为的数值模型，考虑桥柱失效模式转变的老化钢筋混凝土桥梁进行地震易损性分析，强调了在老化钢筋混凝土桥梁的生命周期抗震性能评估中考虑桥柱潜在剪切破坏的重要性。

图4 暴露在海洋环境中的沿海桥梁桥墩混凝土腐蚀后的表面状况[32]

2.2 ? 盐渍土腐蚀环境下混凝土桥梁的耐久性能研究进展

盐渍土中大量的有害离子与多因素环境耦合作用更易对混凝土材料造成侵蚀，引起混凝土结构劣化，严重威胁混凝土桥梁的耐久性和服役性能。Feng Z等[36]通过原位试验、室内试验和数值模拟，研究了高寒盐沼地区复合盐干-湿-冻-融循环作用下桥梁桩基的腐蚀损伤和承载特性。经过一年的室外干湿冻融循环试验，由于复合盐类的相互作用，氯离子剥蚀下试样质量下降，而试样质量因腐蚀产物增加而增加。碳酸盐和硫酸盐的共同作用，导致试件质量变化不明显，试件抗冲蚀系数下降，抗压强度最大损失率为38.2%，桩基开始劣化。室内试验表明，在225次干-湿-冻-融循环过程中，桩基混凝土试件中出现弗里德尔盐等膨胀性物质，相对动弹性模量降低60.9%，抗冲刷系数降低至 0.51，抗压强度损失率为 65.9%。通过数值模拟发现，随着剥落厚度和腐蚀深度的增加，桩基承载力在8年后逐渐下降，8年后桩基相应剥落厚度为6cm，腐蚀深度为3.2m，20年后承载力降幅达34.45%，如图5所示，桩基将遭到严重破坏。

图5 相应年份不同剥落厚度和腐蚀深度的承载力变化[36]

为了研究盐渍土环境下钢筋混凝土（RC）柱的抗震抗弯强度，Yan C W [37]设计并制作了14根倒T形RC桥墩柱。对试件进行电化学腐蚀试验和低周重复加载试验。观察了所研究试件的损伤形式，研究了轴压比和腐蚀速率对抗震抗弯强度的影响。建立了抗震抗弯强度理论模型。结果表明，当轴压比一定时，试件腐蚀速率较大，抗震抗弯强度较小。当腐蚀速率一定且轴压比在一定范围内时，试件的抗震抗弯强度随着轴压比的增加而增加。此外，通过与试验结果的对比，验证了理论模型的准确性。研究结果可为盐渍土环境下柱体的抗震设计提供参考。

2.3 ? 大气碳化腐蚀环境下混凝土桥梁的耐久性能研究进展

在大多数工业化国家，大气中存在的二氧化碳是桥梁、建筑物、隧道和其他钢筋混凝土 （RC） 结构腐蚀的主要原因之一。腐蚀过程会导致钢筋和混凝土的力学性能发生变化，从而对 RC 结构的承载能力、抗震性能和疲劳性能产生不利影响。Vaezi H等[38]开发了一个二维RC 力矩框架来研究和评估碳化腐蚀的影响，通过使用非线性静态和增量动态分析（IDA）来评估钢筋腐蚀效果，研究碳化腐蚀对钢筋混凝土结构抗震性能的影响。从非线性静态分析获得的能力曲线和从 IDA 获得的脆性曲线，检验了钢筋混凝土框架的抗震能力和性能的降低，以及不同腐蚀情况下在整个生命周期内的倒塌概率。Quadri A I等[39]对钢筋混凝土板梁的疲劳性能进行了试验研究，提出了一种碳化和列车荷载联合作用下铁路钢筋混凝土梁腐蚀疲劳寿命评估方法，碳化环境水平对腐蚀疲劳寿命有显着影响，可使剩余腐蚀疲劳寿命降低至60.90%。

2.4 ? 腐蚀模型研究进展

为了评估水泥混凝土腐蚀过程中的性能并预测混凝土和混凝土结构的剩余使用寿命，很多学者提出了诸多考虑混凝土腐蚀过程的数学模型。Davidyuk A A等[40]为了评估水泥混凝土腐蚀过程中的强度并预测混凝土和钢筋混凝土结构的剩余使用寿命，提出了应用腐蚀过程数学建模方法的方法，该方法可根据混凝土结构的尺寸计算目标成分的浓度，测定液体酸-盐介质中转移的“游离”氢氧化钙的浓度，随时计算浓度的平均值，用于在没有大修的情况下增加钢筋混凝土结构的使用寿命并监测腐蚀过程发展。腐蚀速率分布在空间上是可变的。Wang C[41]考虑了结构尺寸、空间可变性以及结构特性的相关性，开发了一种用于 RC 结构耐久性评估的封闭形式方法，可用于有效评估 RC 结构在海洋环境中的耐久性能，并有可能成为指导受腐蚀的 RC 结构耐久性设计的有效工具；并对港珠澳大桥项目中使用的出现的管状隧道段的腐蚀和裂纹萌生进行了评估，以证明所提议方法的适用性。Srikanth I和Arockiasamy M[42]使用一座运营桥梁的8年检验数据对自回归裂纹扩展模型和钢筋腐蚀模型参数进行校准，研究了不同外部环境对钢筋腐蚀的影响，桥梁钢筋的腐蚀仍然会随着时间的推移而持续，腐蚀速率取决于不同的维护干预周期。Pelle A等[43]为了解钢筋混凝土桥柱在氯化物引起的腐蚀下随时间变化的循环行为，通过有限元方法求解了这种多物理场问题的偏微分控制方程，腐蚀纵向钢筋的非线性建模利用了一种估计拉伸极限应变的新方法，参数化数值模拟以揭示纵向钢筋的腐蚀模式和屈曲模式对 RC 桥柱承载力和延性的时间变化的作用。Garavaglia E等[44]从理论上研究混凝土桥梁结构在侵蚀性环境下的退化，提出了一种基于脆性曲线的简单概率方法，可以预测所考虑结构系统的寿命和最佳监测时间，用于研究混凝土桥梁的退化，使用蒙特卡罗数值程序可模拟剩余抗力和桥面板极限弯矩随时间的变化。

钢筋混凝土桥梁的边梁易受到除冰盐引起的腐蚀损坏，Chen E等[45]针对案例研究设计了混合和传统加固边梁的不同替代方案，通过进行氯化物扩散计算和应用腐蚀诱导开裂模型，比较了替代边梁的使用寿命。Wang T等[46]考虑了表面处理层和下面混凝土基材的氯化物扩散系数以及表面氯化物含量的时间依赖性，开发了一种快速数值方法来分析双层材料中的氯化物扩散，这种方法使得在实践中通过蒙特卡罗模拟估计表面处理混凝土结构中腐蚀开始的可能性是可行的。Yang Y等[47]建立了不同预应力张拉技术的有效预应力的时间相关预测模型和腐蚀传播模型，模型所选腐蚀参数中氯化物扩散系数的认知不确定性对腹板开裂的可能性有最显着的影响，因此，应尽可能地最小化氯化物扩散系数等腐蚀参数的认知不确定性。Ge B X等[48]提出了一种用于更新腐蚀-疲劳耦合劣化过程下劣化结构的使用寿命预测概率方法，耦合腐蚀疲劳劣化模型中涉及的概率参数使用贝叶斯推理进行更新，应用马尔可夫链蒙特卡罗采样方法整合所有可能与未检测到损坏、腐蚀损坏和/或疲劳裂纹损坏相关的检查结果，采用比较分析法确定最合适的劣化模型更新参数，随后，基于更新的耦合损伤预测模型重新估计了老化结构的剩余使用寿命；由此可见，耦合腐蚀-疲劳损伤与单独腐蚀或疲劳损伤相比可以降低结构使用寿命，通过集成多个参数更新可以减少腐蚀-疲劳损伤预测的误差和不确定性。

随着川藏铁路建设进程的加快，混凝土桥梁在高海拔地区独特的环境特征（低压缺氧、强紫外线、大温差、低湿干燥等）影响与作用下其安全性和耐久性产生诸多不利影响，同时也对混凝土桥梁的材料、构件、结构等方面带来了新的挑战。针对低压、正负大温差、低湿干燥等独特气候条件对高海拔地区混凝土桥梁耐久性的影响，新材料、构件、结构等在高海拔高寒地区是否适用、可靠、耐久问题，研究人员开展了一系列研究。以下综述了2021年高海拔地区混凝土桥梁耐久性研究进展文献，分析低压、正负大温差、低湿干燥等独特气候条件对高海拔地区混凝土桥梁耐久性的影响，并梳理了新材料在高海拔地区适用性和耐久性研究进展。

3.1 ? 气压对混凝土桥梁耐久性的影响

在高原施工时，随海拔高度增加，大气压力降低（如图6所示），混凝土中气泡稳定性差，往往造成常用引气剂作用效果（图7）变差[49]。近年来高原混凝土耐久性研究多集中在引气剂在高原地区的适用性和耐久性研究，李雪峰等[50]对高原与平原地区不同水胶比引气混凝土的含气量、气泡间距系数及抗冻耐久性指数进行测试，结果表明：相较于平原地区，高原低气压环境下引气混凝土含气量损失增大，硬化后混凝土含气量损失约 1.0%~1.5%；硬化混凝土含气量与气泡间距系数的对数间存在良好的线性关系，但高原低气压环境可能劣化引气混凝土的气孔结构。硬化混凝土气泡间距系数与抗冻耐久性指数间也具有良好的线性关系，且不受环境气压影响。以引气混凝土气泡间距系数为桥梁，提出一种基于混凝土抗冻耐久性要求的高原地区引气混凝土含气量设计方法。李立辉等[51]通过对比北京、楚雄和日喀则3地不同气压条件下2种混凝土引气剂（AES、303R）溶液中气泡尺寸与发育情况、引气水泥净浆孔径分布特征与引气水泥净浆、砂浆的表观密度，研究了大气压强对混凝土引气剂工作性能的影响机理。结果表明：随着环境气压的降低，2种引气剂溶液中的气泡尺寸均有所增大；气泡初始直径越大，其吞噬、合并周围小气泡的速度越快，稳定性越差；在相同气压条件下，303R 溶液中的气泡尺寸较AES溶液更小，稳定性与高原低气压适应性更强；随着环境气压的降低，硬化水泥净浆的表观密度减小，内部大孔比例增加；3地水泥净浆在100~1000nm半径范围内累计孔体积的排序为日喀则＞楚雄＞北京；随着环境气压的降低，水泥砂浆的表观密度有小幅增加，含气量减小2.1%（相当于混凝土1.2%）以内。高玉军等[52]针对高寒高海拔地区混凝土含气量不足、气泡稳定性差的问题，以异戊烯醇聚氧乙烯醚（TPEG）、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯（MPEGA-600）、丙烯酸（AA）和对苯乙烯磺酸钠（SSS）为单体，在复合引发剂和巯基丙酸的作用下，利用水溶液自由基共聚制得聚羧酸减水剂。研究了酯醚比、酸醚比和 n（SSS）：n（TPEG）对合成减水剂性能的影响及其与不同水泥的适应性，并对比研究了在标准大气压和低大气压条件下减水剂对混凝土性能的影响。结果表明，所制备的减水剂具有高引气、高稳气和高适应性特点，且当其 Mw为 82109，PDI 为 1.37 时性能最佳。

图6 大气压与海拔高度的关系[49]

图7 低气压下引气剂气泡全生命期特征[49]

袁孟[53]对比混凝土在不同养护环境下的强度和抗渗性差异，发现MC 组（试验大气压 65.2 kPa，相对湿度控制为 20%±10%，温度 18~22 ℃）混凝土强度最低，SC 组（试验大气压 65.3 kPa，相对湿度控制在 95%，温度-7~9 ℃）混凝土强度最高；相比于 SC 组，DC 组（试验大气压 103.2 kPa，相对湿度控制在 95%，温度-7~9 ℃）7 d 养护环境下，混凝土抗压强度下降 10%左右。高原低气压制备-高湿度养护混凝土比正常气压制备高湿度养护的混凝土的强度和抗渗性高，在制备环境、气压相同时，高原室外养护条件因湿度低以及温差大，混凝土强度和抗渗性均造成了影响。陈正等[54]为研究高海拔低气压条件对混凝土抗压强度与超声波速相关性的影响，分别在高海拔地区（西藏山南）与低海拔地区（广西南宁）进行了不同水灰比混凝土试件的制备与强度、超声波速测试，研究表明：低气压条件下7 ~ 56d龄期混凝土的抗压强度比标准气压条件下相同配合比混凝土高出约5. 8% ~ 38. 2%；低气压条件下混凝土的超声波速低于标准气压条件下相同强度混凝土，不同气压下混凝土超声波速与强度存在不同的线性关系，并在此基础上提出了不同气压下混凝土超声波速与强度的相关关系模型。通过压汞试验( MIP）及数值模拟分析，揭示了混凝土超声波速受到微观结构中的固体超声波速及孔隙率因素共同影响的机理，建立了不同气压下混凝土固体超声波速的计算模型。基于混凝土超声波速与强度的相关性及不同灌注工艺的密实程度，提出了不同气压条件下钢管混凝土的核心混凝土密实性评估方法。

杨森等[55]研究发现真空脱水工艺对干硬性混凝土同样有效，可略微提高干硬性混凝土强度，明显改善干硬性混凝土表面抗冻性，为类似工程的应用提供一定指导和借鉴意义。李扬等[56]为研究高原低气压对道路工程混凝土性能的影响，在拉萨（气压约60kPa）和北京（气压约100kPa）两地采用相同配合比的道路混凝土分别进行性能对比试验，测试了混凝土含气量、坍落度、强度、NEL法氯离子渗透系数和单面盐冻耐久性等性能指标，进一步测定了引气剂溶液的泡沫体积、表面张力和硬化混凝土孔结构。试验结果表明：在低气压下，引气混凝土的含气量和坍落度分别比常压下降低8%~36%和4%~9%；抗压强度和劈裂抗拉强度分别比常压下降低1.6%~14.8%和1.5%~10.8%；氯离子渗透系数比常压下增加29%~135%；可见低气压下其抗冻耐久性降低。在低气压下，引气剂溶液的表面张力比常压下增加3.0%~4.5%，溶液泡沫体积比常压下降低2%~14%，混凝土内的气体压缩系数比常压下减小导致了低气压环境下施工的道路混凝土含气量降低，坍落度减小；与此同时，硬化混凝土平均气孔直径增大6%~18%，气泡间距系数增加45%~92%，最终使得低气压下混凝土强度、抗氯离子渗透性和抗冻耐久性降低。

3.2 ? 温湿度对混凝土桥梁耐久性的影响

正负大温差、低湿干燥是影响混凝土桥梁耐久性的主要原因之一。水泥混凝土是建筑物和民用基础设施中广泛使用的建筑材料。随着基础设施进入高原地区，由于频繁的冻融循环和在高海拔和低气压下夹带的气孔粗化，冻融破坏是混凝土的主要耐久性挑战。王仁远等[57]通过混凝土的冻融循环试验，模拟不同抗冻等级的隧道衬砌损伤情况，以相对动弹性模量数据为基础，总结出直线-抛物线型的多段式损伤模型，结合中国典型地区的冻融循环次数，提出预测模型并指出水灰比 0. 55、0. 45、0. 35 的混凝土服役寿命约为 25、58、98 年，为高海拔寒区隧道的保温方法提供计算依据。陈胜利等[11]为研究高海拔地区钢-混凝土组合梁日照温度场特征与分布模式，以某钢-混凝土组合梁为实例，确定了适用于高原气象条件的太阳辐射计算模型，对青藏高原大气透明度系数进行分析；建立了有限元模型，对典型时段的日照温度场进行时变分析；对高海拔地区铁路设计的板厚温差荷载模式进行了讨论。研究结果表明：钢-混凝土组合梁日照温差主要分布在混凝土板厚度范围内，钢梁的温度在腹板高度方向上的温度梯度较小；由于钢梁的存在，钢梁中心线处的板厚温差大于桥面中心线处的板厚温差；钢-混凝土组合梁板厚温差符合指数模型分布；钢-混凝土组合梁板厚温差与大气透明度系数成线性关系。刘诚诚等[59]研究高墩在日照温度下的温度场和温度效应，依据热交换理论，基于现场实测温度，利用有限元ANSYS软件，分析了薄壁空心高墩一天中温度变化和温度效应，得到了薄壁空心高墩温度场特性和温度引起的应力、位移分布规律，可为高海拔地区薄壁空心高墩的设计和施工提出合理化建议。晏国顺等[60]采用三维有限元法对大坝施工期温度场和温度应力进行数值模拟仿真计算，温度应力的仿真计算表明：日照强辐射作用对坝体内部混凝土应力基本无影响，而对外表面混凝土产生了约0.6 MPa的拉应力，拉应力区影响深度在0.6 m范围内，增大了外表面混凝土的开裂风险。

3.3 ? 新材料在高海拔地区适用性和耐久性研究

在探索新材料在高海拔地区适用性和耐久性研究方面，杨德斌[61]研究了C30及以下机制砂混凝土在高寒、高海拔地区的工作性能及力学性能并不比同标号天然砂混凝土弱，在合理控制好机制砂中石粉含量的情况下，反而要优于天然砂混凝土。蒋理和陶坤[62]从凝灰岩粉的理化性能、混凝土配合比确定、混凝土物理及热力学性能等方面进行论证，凝灰岩粉可在高原水工混凝土中部分或全部替代粉煤灰。西藏昌都市瓦托水电站应用水泥基渗透结晶性防水涂料提高大坝坝体防渗效果[63]。王玲等[49]研发的调粘稳泡功能材料、调凝外加剂和新型双子引气剂是制备寒冷、高中子强度辐照和高原低气压环境高性能混凝土重要的功能材料，有效提升了极端环境下混凝土的耐久性。董兴平[63]为研究高原高寒地区大体积混凝土防开裂措施，指导工程实践，开展了相关的试验研究，研究表明：混凝土水化热抑制剂在一定程度上能够有效降低水化热温度，减小混凝土开裂风险。但其对混凝土的使用性能可能有一定的影响，在使用混凝土水化热抑制剂前应进行充分的试验验证。环境条件如太阳辐射、风速、风向和湿度等对大体积开裂的影响还需进行进一步研究。关兵[64]开展了水磨石施工高寒地区防开裂，提高耐久性、保障运行安全等方面的研究，研究成果首次在高寒地区水电站成功应用。He R等[65]研究了纳米二氧化硅（NS）增强混凝土在低气压下的鲁棒性和耐久性的机制，其结果促进了NS混凝土在设计和建造高原地区可持续民用基础设施中的应用；试验采用两种不同类型的引气剂（AEA）制备引气混凝土，NS用来修改混凝土的微观和细观结构，通过包括傅里叶变换红外光谱（FTIR)、能量色散 X 射线光谱（EDS）和扫描电子显微镜（SEM）在内的微观测量分析 NS 对夹带的气泡和气孔的影响；NS 颗粒具有较大的比表面积、反应性更强，包裹在气泡表面的NS颗粒可以与氢氧化钙（CH）反应，在每个孔内形成一层新的水合产物，如图8所示。由此可见AEAs在气泡壳上吸附NS可以使空气孔壁的水化产物致密，影响孔径分布，从而提高低气压下引气混凝土的抗弯强度和抗冻性。

图8混合物的空气孔壁水化产物（左图和右图分别显示SEM形貌和 EDS 光谱）：（a）Z 空气孔壁水化产物，（b）NZ 空气孔壁水化产物，（c）水化B的气孔壁的产物，（d）NB的气孔壁的水合产物。[65]

通过以上气压对混凝土强度的试验数据来看，气压对混凝土的强度影响相关性不大，数据离散性差，需要进一步开展系统试验来研究气压对混凝土力学性能的影响机理。温湿度对混凝土的影响是一种交互作用，很难分离二者之间的影响作用，高海拔地区集低气压、强紫外线、大温差、低湿、大风环境作用与一体，再加之荷载对混凝土结构的影响，导致研究更加复杂，如何梳理以上各种环境因素对混凝土结构的作用机理及其耦合机理，成为目前最大的研究难点。

仔细观察文献中的试验数据发现，部分试验研究结论之间互相矛盾，系统在高海拔地区开展的试验较少，数据不够系统齐全，而且试验多集中在材料方面，关于混凝土桥梁的构件和结构现场试验较少，对构件和结构多采用模拟软件计算得出相关结论。

4.1 ? 极端低温环境下混凝土桥梁的耐久性能研究进展

冻胀是寒冷地区混凝土结构的主要病害之一。Sun B L等[66]通过钻孔、解剖和弯曲等破坏性测试，研究冻胀损伤对公路桥梁全尺寸后张预应力混凝土梁力学行为的影响，建立了梁的三维非线性有限元模型，以了解冻胀效应的机制。结果表明，冻胀降低了混凝土的有效预应力、力学性能以及混凝土与筋之间的结合力，从而降低了梁的抗裂性和耐久性。Yan J B等[67]在实验室模拟寒冷地区的低温环境（-30℃至-80℃），对 23 个UHPC（超高性能混凝土Ultra-High Performance Concrete，UHPC）填充高强度钢管（UHPC-filled high-strength steel tube，UHST）进行低温压缩测试以研究其低温压缩行为，UHPC 破碎发生在极限负载能力下，UHPC 非线性导致 UHST 的非线性行为，还开发了有限元模型和理论模型来模拟低温下的UHST。

在寒冷的冬季，箱梁在蒸汽养护下混凝土强度不够，由于体积膨胀、温控不良等原因，出现早期裂缝。电加热炉能提供足够的混凝土养护温度，不会产生大量水蒸气使混凝土膨胀。Zeng Y等[68]采用有限元分析和现场试验对比的方法，研究了寒冷冬季电加热炉养护下混凝土的早期热场，箱梁的初始温度增长主要取决于水泥中的水化热。当温度达到峰值时，与外界条件密切相关。电热炉养护混凝土，在寒冷的冬天能达到更好的养护效果。研究成果为寒冷的冬季混凝土养护提供了一种廉价高效的养护方法，为电热炉混凝土养护提供了科学依据。

4.2 ? 极端高温环境下混凝土桥梁的耐久性能研究进展

在高温环境下，与NSC（普通混凝土）和HSC（高强度混凝土）相比，UHPC梁表现出比普通强度混凝土梁更低的耐火性能，这主要是由于UHPC的高密实度、低渗透性和无毛细孔降低了其在高温和火灾条件下的抗剥落性导致的[69]。因此，提高UHPC在高温下的抗剥落性意义重大。当温度升高时，纤维的加入可以延缓裂缝的发展，混掺钢纤维与合成纤维可以有效改善UHPC高温剥落行为[70]。Zhang[71]研究发现聚丙烯（PP）纤维可以有效防止UHPC的热剥落，但PP纤维的纵横比和体积分数对UHPC抗热剥落性能提升有着较大影响。在较低的纤维含量(＜0.33%)下，需要较高的纤维长径比在364以上才可防止剥落；而在PP纤维含量较高(＞1.32%)时，纤维的长径比超过120就可以防止剥落。同时，铁尾矿粉（ITP）颗粒的加入会推迟UHPC砂浆在高温下的剥落，并且提高UHPC的抗压强度和抗弯强度。因为ITP会使UHPC的微孔和微裂纹的数量增加，有助于释放累积的蒸气压，从而提高混凝土的残余强度，并且减轻了自由水蒸发引起的微观结构退化，从而提高了混凝土的耐高温性[72]，见图9。聚乙烯醇（PVA）纤维对提高UHPC的阻燃性能和残余拉伸性能最有效；黄麻纤维由于受高温时的收缩效应，在纤维和基质之间产生空隙，影响UHPC在高温下的渗透性，从而提高UHPC的耐高温性能[69]。谭昱等[73]为了确定不同损伤程度的微裂纹在蒸汽环境中的快速愈合机制，选取拉伸变形(应变为1 000×10-6，1 500×10-6，2 000×10-6)作为损伤指标，将损伤开裂后的UHPC试件分别放置在蒸汽环境中1，3，5 d，通过直接拉伸试验、气体渗透试验和声发射分析不同拉伸变形的UHPC试件在蒸汽环境中的自愈合行为。

图9 不同温度下ITP15%的UHPC微观结构：(a)室温；(b)200℃；(c)400℃；(d)600℃[72]

Rafiei P等[74]研究了添加玄武岩纤维（Basalt Fibre，BF）的工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）暴露在高温下的性能，ECC 中添加 BF 提高了拉伸和弯曲强度混凝土有效，但抗压强度略有下降。在高达 400 ℃的高温下，ECC 的延展性会显着降低，从而导致裂纹桥接能力的丧失。在300-400℃范围内观察到显著下降，而在加热到300℃时平稳增加。当加热到100℃时，压缩和弯曲强度在轻微应变后下降。Alaskar A等[75]用 0.25%、0.5%、0.75% 和 1% 的玄武岩纤维增强混凝土，暴露在600 ℃的高温下进行试验，研究了其在高温下性能的有效性。Afzal M T等[76]将碳纳米纤维（Carbon Nanofibers，CNFs）添加到高强度混凝土（HSC）中以评估现有基体的耐火性，发现高温至800 ℃后含有 CNFs 的高强度混凝土在机械和物理性能方面具有更好的保持力，并提出了用于预测在高温下用不同百分比的 CNF 改性的 HSC 的机械、耐久性和能量相关特性。

4.3 ? 高低温交变环境下混凝土桥梁的耐久性能研究进展

温度是造成混凝土桥梁结构在施工和运营过程中出现裂缝的重要原因之一。由于周围气候的变化，桥梁结构中的空间和时间温度变化会产生运动，如果受到限制，可能会在结构中产生应力。温度效应一直被认为是影响预应力混凝土桥梁性能的关键问题之一。侯炜等[77]以黄土地区亚洲第二高墩天宁沟特大桥为研究对象，建立主墩承台有限元模型，分析大体积混凝土承台水化热时变温度效应，通过数值模拟优化现场管冷系统，并布置温度传感器实测大体积混凝土承台内表时变温度场，验证所建立模型的准确性。He J等[78]-[79]开发一种有效的温度载荷模型来预测桥梁温度引起的响应在美国俄克拉荷马州的 PC 梁桥上进行了数值和分析研究，通过蒙特卡罗模拟和 Rackwitz-Fiessler 程序对 AASHTO LRFD 极限状态进行可靠性分析，以确定安全水平可靠性指标，并基于20年气候资料和分析结果的极端环境条件，提出了均匀分布的温度场和温度梯度的概率模型，确定了75年重现期的温度负荷值，并与推荐值进行了比较。

箱梁混凝土养护过程中早期温度场的不稳定变化会导致混凝土的热变形和自收缩变形，使混凝土过早开裂，甚至影响后续的力学性能。Zeng Y等[80]为了研究箱梁混凝土早期温度场的变化规律，寻求控制箱梁混凝土温度场变化的方法，研究了水化热与环境温度耦合作用下箱梁早期温度场的时程规律，通过改变不同的混凝土养护参数。混凝土水化热引起的桩帽热开裂将影响大跨度斜拉桥的安全和耐久性。Liu DW等[81]对我国某大跨度斜拉桥大体积混凝土桩帽的水化热温度进行了监测，采用向量机回归（support vector machine regression ，SVR）来建立影响变量与水化热温度之间的相关性。SVR对大体积混凝土水化热温度的预测性能明显优于BP神经网络。SVR预测模型可以高精度预测2-3天的温度。根据预测结果，可以提前采取温度控制方法，减少热裂纹发生的可能性，这对实际工程建设的安全性和耐久性具有重要意义。Grace N F等[82]对6根4.8 m长桥面T梁将采用CFRP绞线进行预应力，分别在热、环、冷3种不同温度下加载，4根CFRP-预应力梁和5根无粘结应力CFRP试件将按照ASTM C666进行300次冻融循环，研究恶劣环境条件对碳纤维增强聚合物（CFRP）预应力混凝土构件性能的影响。结果表明，由于混凝土和CFRP的热膨胀系数不同，温度变化引起CFRP-预应力梁中预应力水平的波动。此外，将CFRP-预应力梁暴露于冻融循环中，使其抗折强度降低约7.5 %，但CFRP绞线的力学性能并未受到不利影响。

为准确预测混凝土小箱梁桥主梁顺桥向的温度胀缩变形，薛俊青等[83]建议采用极端气候条件下截面平均温度极值预测混凝土小箱梁桥主梁顺桥向温度胀缩变形；对极端气候条件下该类桥梁主梁截面平均温度计算方法进行研究。Lu Y等[84]为获取混凝土箱梁的极端热工况，收集了桥址1990年至2020年的气象数据，根据太阳物理和传热理论，根据传热条件对箱梁截面的不同表面进行分类，研究不同表面太阳辐射的变化，得到混凝土箱梁的极端热工况，还提供了一种获得极端热条件和评估热效应对混凝土箱梁桥的影响的方法。

复杂环境下混凝土桥梁面临混凝土抗拉和抗剪强度低、主梁易开裂、钢筋锈蚀、耐久性差等问题，诸多学者从混凝土材料自身性能提升和混凝土桥梁维养加固方法革新等方面探究复杂环境下混凝土桥梁耐久性保障措施。

5.1 ? 混凝土材料自身性能提升

混凝土结构遭受内部损坏，通常从原子水平开始，缺陷生长并形成裂纹，裂纹为外部环境有害离子侵蚀提供了通道[85]。为了防止混凝土的开裂，需提高混凝土的抗拉强度和耐久性能等，一方面从混凝土内部填充孔隙、减少微裂纹，提高密实度和抗拉强度。Ahmed等[85]研究发现混凝土中添加1%甲基纤维素能够提高73%的抗拉强度。Song X B等[86]研究发现Nano-SiO2和多壁碳纳米管的添加可提高再生骨料混凝土界面拉伸和剪切强度50%左右，强度的提高来自于Nano-SiO2的成核和填充效应和火山灰活性以及碳纳米管的成核、填充和桥接效应。Taheri S等[87]通过细乳液聚合技术制备聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纳米胶囊粘合剂体系，其中 MMA + DMA（树脂 + 促进剂）和 BPO（硬化剂）组分分别被 PMMA 壳包封，然后将它们掺入砂浆中来研究这些纳米胶囊的裂缝愈合潜力，通过在水分和 CO2 存在下形成多晶型方解石晶体来实现长期愈合，这通过填充间隙提高了砂浆的耐用性。Li S J等[88]为了在水泥基复合材料中实现良好的分散性和强的界面结合强度，多壁碳纳米管（MWCNTs）通过低温等离子体进行化学改性，为进一步使用多壁碳纳米管作为水泥复合材料中的纳米增强材料铺平了道路。

另一方面，从材料表层疏水角度，提高其耐久性。Xiang T F等[89]受“莲花效应”的启发，通过在水泥砂浆中加入防水剂来制备超疏水混凝土（SC），详细研究了防水剂对混凝土润湿性、形貌及成分的影响。所制备的 SC 显示出良好的抗渗透性和低吸水率；此外，值得注意的是，即使在 NaCl 溶液中浸泡 14 天，SC 仍表现出优异的防腐性能，比普通混凝土低两个数量级。具有良好的防水/水溶液排斥性的SC可用于海洋工程的防腐、防冻等。Kravanja G等[90]结合仿生学（莲花效应）、化学（硅氧烷和硅烷混合物）和纳米技术（具有 SiO2 纳米粒子的疏水涂层）的绿色超疏水概念用于生产超疏水混凝土，超疏水样品可以减少冻融损伤并有效保持高抗冻融性；此外，高抗水性有助于防止腐蚀性液体侵蚀到混凝土内部钢筋，有助于提高钢筋的抗腐蚀性能，具有高抗冻性、抗腐蚀性和自清洁能力使超疏水混凝土可以广泛应用于建筑、桥梁和运输等工程。Lyu Z H等[91]研究了不同超吸水聚合物（SAP）粒径及其含量、玄武岩纤维掺量对路面混凝土的压缩和弯曲强度、动态弹性模量、自收缩和渗透性等性能的影响，混料设计参数采用加权灰色目标优化方法进行优化。结果表明，SAP与玄武岩纤维适当结合可使混凝土抗压强度提高4.6%，动弹性模量提高5.66%，自收缩降低50.52%，RCM系数降低38.45%，并从微观角度分析了SAP和玄武岩纤维对混凝土性能的增强机制；SAP和玄武岩纤维的结合可以提供内固化作用和架桥作用，被证明有利于混凝土路面的抗裂性和使用寿命。

在其他方面，Shahrokhinasab E等[92]为了降低UHPC 所需的高昂价格，采用粒子堆积理论确定UHPC的最佳配合比，在配合比设计中未使用任何石英颗粒的情况下实现了约 124 MPa的抗压强度。Liu Y等[93]使用一种由煅烧铝土矿制成的坚固多孔骨料，以基于改进的 Andreasen 和 Andersen 模型实现低收缩和低水泥 UHPC，并一起制备了由玄武岩骨料制成的参考混合物，可应用于现场浇筑的UHPC结构或容易发生收缩开裂的桥面板。Kaplan G等[94]研究了采用高掺量粉煤灰和微钢纤维来改善轻骨料混合料的强度和耐久性能，与基准配合比相比，掺加50 %粉煤灰的配合比碳化深度提高了5.5倍以上。冻融作用后，由于纤维的腐蚀，在混合料表面发生了溢流。张阳等[95]基于新拌UHPC流动改变内部纤维取向的特性，采用通道流动结合振动法实现UHPC的纤维定向浇筑，并采用图像分析技术测量了纤维定向浇筑对UHPC内部纤维取向的影响，利用抗折试验和轴拉试验测量了纤维取向对UHPC抗拉性能的影响，最后提出了用于定量评估纤维取向对UHPC抗拉强度影响的指标。Ngo T T等[96]研究了腐蚀水平和抑制剂对变形钢纤维拉拔行为的影响。Marcos-Meson V[97]对暴露在氯化物和二氧化碳湿干循环下6个月的人工裂纹中部分拉伸的钩端钢纤维的拉出行为的改变机制进行了实验研究，利用三维光学干涉剖面法研究了钢纤维表面的机械和腐蚀损伤，并使用岩石学分析来描述钢纤维周围基质的损伤和愈合过程。在胶结基质和纤维表面观察到的机械损伤证实了拔出过程是由纤维的屈服、相邻基质的断裂以及钩和基质之间的摩擦控制的。暴露后，部分被拉出的纤维拔出力的增加与钢纤维的腐蚀产物的积累和纤维周围的水泥基质的改变有关。纤维周围受损水泥基质的自体愈合和碳化是湿干循环混凝土中钩端钢纤维桥接裂缝的纤维-基质粘结强度增加的主要机制。

5.2 ? 混凝土桥梁的维养加固方法革新

使用超高性能纤维增强混凝土 （UHPFRC）作为修补混凝土是桥梁加固方案之一，可实现高结构抗力和更好的耐久性。Javidmehr S等[98]对此类 UHPFRC 覆盖现有基材（通常为普通强度混凝土（NSC））之间界面的抗剪粘合力进行推出试验，研究了基材粗糙度和处理方法对剪切粘合行为和破坏机制的影响，强调了在设计高性能覆盖层时考虑粗糙度参数和失效模式的重要性。此外，还基于不同基材处理方法有效性的讨论提出了一种有效的处理方法。Sharma S等[99]量化了表面处理和界面加固对 NSC-UHPC 界面性能的影响，强调了增加粗糙度深度和增强面积对界面剪切能力有积极影响。超高性能混凝土用于桥面修复的粘合覆盖材料，其使用寿命受覆盖层收缩以及覆盖层与基材之间的粘合影响，Teng L等[100]对覆盖材料的应变、温度和相对湿度以及开裂和覆盖-基材粘合强度的原位变化进行长达 27 个月的监测，发现用 5% CaO基膨胀剂和 35% 轻集料制成的最佳 UHPC 在 28 d 时具有相对较低的自生收缩和干燥收缩率。Zhang P等[101]研究了两种提高 FRP-UHPC（纤维增强聚合物和超高性能混凝土） 混合梁剪切性能的方法，一是外粘CFRP板材，二是使用双腹板GFRP型材。

传统机械伸缩缝的老化严重影响桥梁结构的耐久性，Zhang LF等[102]对工程水泥复合材料（ECC）连接板在单调循环载荷下铸造和测试，探讨ECC作为桥面板中伸缩缝的替代品的可行性。Choi M G等[103]研究了主要用于桥梁薄覆盖层的环氧树脂薄覆盖层的基本物理性能、抗滑性和粘结性能，发现湿度条件会影响其粘合强度，当相对湿度为60%时其粘结强度最高。Shi W Z等[104]对专有和非专有超高性能混凝土、聚丙烯和耐碱玻璃纤维混凝土、早强混凝土和补偿收缩水泥混凝土等6种高性能修补材料进行整体劈裂拉伸和斜剪切试验，研究修补材料的修复强度和耐久性，便于高性能修补材料的选择和使用，取决于材料的可获得性和修补需要。Mazumder A F等[105]调查了混凝土成分和表面处理对薄环氧树脂覆盖层粘合强度的影响，发现使用掺有矿渣和渗透密封剂预处理的混凝土可提高粘结强度。AlKhafaji A F等[106]-[107]对从美国 11 座 15 - 20 年历史的桥梁中提取的玻璃纤维增强聚合物（GFRP）钢筋的耐久性进行实验室检验，SEM 和 EDS 仅显示出轻微的退化迹象，如图10所示，通过检验证明GFRP 钢筋可替代受实时现场暴露的桥面板钢筋。

图10 美国11座15 - 20年历史的桥梁的GFRP筋[106]

在加固方法方面，Yang J等[108]提出了一种新的加固方法，通过用高性能自固结水泥基复合材料填充空心板来改善空心板梁桥的抗剪性能，并通过现场加载实验和长期监测评估了加固效果。Li C W等[109]提出一种称为聚氨酯-水泥（PUC）复合抗弯钢筋的简支空心板桥梁加固新方法，通过荷载试验对桥梁加固前后的性能进行比较，结果表明：加固后，桥梁的横向连接、结构的强度和刚度以及结构的完整性和安全储备均得到显着提高。浙江省某跨海桥梁在质量安全综合检查中发现部分桥面板混凝土氯离子浓度超过规范阈值，影响结构的耐久性和使用寿命。针对该桥氯离子浓度超限问题，周建强等[110]提出采用分层取样检测方法诊断氯离子超限原因，即沿混凝土保护层厚度方向逐层取样进行氯离子浓度检测，综合现场实际情况可诊断为养护用水中的氯离子浓度超标所致；经过15d电化学除氯处置，桥面板氯离子浓度降低到规范限值以下。Raupach M[111]研发了用于桥梁的碳增强砂浆夹层，即在两个碳网之间产生一个电场，带负电荷的氯离子被保持在极化的上部碳网上，以防止钢筋中的氯化物引起的腐蚀。

在钢筋混凝土结构的维护中很少考虑环境影响。Shi C C等[112]利用蒙特卡罗采样、一阶二阶矩和生命周期评估等方法，研究了在不同外部环境条件和过载情况下使用碳纤维增强聚合物粘结加固桥梁的生命周期可靠性和诱发的环境影响。发现外部环境条件对聚合物增强效果的影响更为显著。Abdelmaksoud A M等[113]提出了参数化逻辑模型用以捕捉桥梁退化和维护干预的影响，该模型可以预测桥梁在其整个使用寿命期间需要维修的可能性，结合从生命周期成本分析中获得的适当概率阈值，优化检查频率并有助于维护计划。最后，通过案例研究展示了参数化逻辑模型的应用。Soltani M等[114]通过改进 ACI 318-19 弯曲设计模型创建一个模型来估计弯曲强度降低，使用包含 410 次测试的实验数据库，创建了一个线性模型来估计降低的抗弯强度并对影响残余抗弯强度的参数进行敏感性分析，确定在存在腐蚀的情况下对 RC 梁的弯曲强度降低影响最显着的设计参数，通过结合两个最重要的参数来提出一个新模型，这两个参数对腐蚀损坏的 RC 梁的弯曲强度降低产生不利影响。由于水化热、收缩和徐变引起的温度和体积变化，钢-混凝土组合梁桥中的早龄混凝土甚至在桥梁通车之前就经常出现裂缝。Zhang Z J等[115]通过现场测量和有限元模型研究了复合梁的热机械行为和混凝土开裂风险。为避免混凝土开裂，对不同厚度的桥面板提出了相应的养护方法。Ambroziak A等[116]-[117]对Jagodnik（波兰北部）一座95年历史的混凝土拱桥进行钻芯取样和结构评估，发现该桥的混凝土强度分布非常不均匀，但依然具有良好的抗冻性，钢筋并没有腐蚀，水泥熟料相完全反应，外部环境引起其污染。通过结构分析，采用在现有结构顶部安装新的桥面板和一层砂浆以保护旧混凝土的表面是有效的。这座有着95年历史的拱桥被赋予了新的生命。结构改进表明，将数值建模和实验室测试结合起来如何有助于保护一个古老但相当简单但有价值的结构，否则将被拆除，同时具有环境和经济效益。

复杂环境下桥梁耐久性问题的日益突出，通过对2021年复杂环境下混凝土桥梁耐久性研究进行总结可以看出，复杂环境下混凝土材料及混凝土桥梁耐久性机理方面的研究逐渐深入，在不同环境耦合作用及极端环境下混凝土桥梁的耐久性研究取得了巨大进展。结合当前交通建设和发展需要，复杂环境下混凝土桥梁耐久性问题的严重性、复杂性和多变性，还需要在以下几个方面进一步研究。

（1）环境因素包括温度、湿度、气压、日照辐射、离子侵蚀、水等诸多因素，这些因素之间相互影响，对混凝土桥梁的耐久性会产生耦合效应，耦合作用的影响与单一因素相比更为显著。如何梳理以上各种环境因素对混凝土桥梁耐久性的作用机理及其耦合机理，以及考虑复杂环境与荷载共同作用下混凝土桥梁耐久性的机理，成为目前最大的研究难点，需进行系统地研究及佐证。

（2）在研究方法上，试验多集中在材料方面，开展混凝土桥梁的构件和结构现场试验难点大研究较少。由于复杂环境的作用在同一地区实验室和现场测试数据也存在一定的差异，且实验室还是难以准确的模拟出现场复杂环境，与施工现场存在的一定的差异。如何缩小这种差异，使实验室模拟的试验条件更好的贴近现场环境工程实际值得深入研究。

（3）由于混凝土桥梁结构的耐久性劣化进程呈现复杂的空间性和时间性，混凝土桥梁全过程服役的维修养护决策缺乏既有工程的参考和科学依据。如何建立材料耐久性能和结构服役性能之间的关系，需建立复杂环境与混凝土桥梁耐久性能的材料-结构一体化理论架构，持续进行多环境因素耦合作用下混凝土桥梁耐久性设计及寿命预测研究。

占玉林 ，男，博士，教授，博士生导师。主要研究兴趣为混凝土及钢-混凝土组合结构桥梁、高性能复合材料等方面。四川省青年科技创新研究团队带头人，四川省学术与技术带头人后备人选，西南交通大学“雏鹰学者”、西南交通大学“教书育人”优秀奖和“唐立新”优秀教学教师奖获得者。中国钢结构协会钢-混凝土组合结构分会理事、四川省科技青年联合会理事、北京茅以升科技教育基金会桥梁委员会第五届委员会委员、成都市侨联第一届青年委员会副会长、四川省建筑业协会混凝土分会科学技术专业委员会副主任、美国ASCE学会大中华区理事、四川省侨联特聘专家委员会专家。主持和主研包括国家自然科学基金在内的项目60余项，发表学术论文100余篇，获专利10余项，专著2部。曾获四川省教学改革成果奖，中国公路学会、中国交通运输协会、住房和城乡建设部华夏建设科学技术奖等奖项。电子邮箱：yulinzhan@home.swjtu.edu.cn

臧亚美 ，女，西南交通大学土木工程学院博士研究生，西藏大学工学院资源勘查与土木工程系 讲师。研究领域为高原建筑材料耐久性，重点为高原混凝土耐久性。联系邮箱：414766629@qq.com

斯睿哲 ，男，博士后。美国土木工程学会（ASCE）副会员，美国陶瓷协会（ACerS）水泥分会会员，中国硅酸盐学会会员。主要研究方向为固体废弃物在水泥基材料中的应用；碱激发胶凝材料的微观表征、反应机理以及耐久性研究。发表期刊论文20余篇，其中包括以第一作者身份发表SCI论文6篇。联系邮箱：ruizhesi@swjtu.edu.cn

李治仑 ，男，博士研究生。研究领域为超高性能混凝土性能力学性能及应用，发表SCI 论文1篇。联系邮箱：LIZhi-lun@my.swjtu.edu.cn

黄文峰 ，博士研究生，研究方向为钢-混凝土组合结构桥梁力学行为及其耐久性。电子邮箱：wenfengH@my.swjtu.edu.cn

孙约瀚 ，男，西南交通大学土木工程学院硕士研究生。研究领域为组合结构桥梁与高性能FRP材料。联系邮箱：yuehansun@my.swjtu.edu.cn