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双K断裂理论:写在混凝土裂缝上的国际标准

记“混凝土结构裂缝扩展过程双K断裂理论及控裂性能提升基础研究”

发布时间:2016-01-08来源:浙大新闻办作者:周炜 卢绍庆浏览次数:15929



    放眼四周,高楼、桥梁、大坝……每一处基础建筑设施的建造,都离不开一种重要材料——混凝土。据统计,最近几年,我国仅商品混凝土和大型水利工程使用的混凝土就年产高达100亿吨。混凝土结构是基础设施建设中最常用的结构形式。
    
    但是,这些建筑设施一旦出现裂缝,就有可能引发重大安全事故。如何科学地描述混凝土裂缝的扩展过程?怎样对裂缝进行安全评价?如何有效控制裂缝的扩展?浙江大学建筑工程学院教授徐世烺课题组对此持续研究了30多年。
    
    上世纪70年代末,我国多处混凝土大坝出现严重断裂事故,为了给大坝的安全评估和修复提供科学依据,国内学术界开始启动相关科学研究,当时还是研究生的徐世烺,开始了混凝土断裂力学的研究生涯。
    
    复杂的工程问题深处往往蕴含着重大的科学问题。经过30多年的研究,课题组在国际上创造性地建立了以“双K断裂理论”为核心的断裂力学理论,形成了从基本准则、理论框架到国际标准以及方法学的系统工具和方法,并为制备高韧性水泥基复合材料奠定了理论基础。
    
    “混凝土结构裂缝,从起裂、稳定扩展到失稳破坏,要经历三个不同阶段,所以我们不能用单一状态的判据来判断整个过程,至少需要两个不同的参数,一个描述起裂,一个描述失稳。双K断裂准则给出了不同状态的判据,起裂韧度描述裂缝的起裂,失稳韧度描述裂缝的临界失稳状态,这样就可以针对裂缝不同的状态,判断裂缝是否开裂,还是稳定扩展。”徐世烺说。
    
    此前的理论,只能表示裂缝单一临界状态,有一定的局限性。双K断裂理论不但可以描述裂缝导致的失稳状态,也可以准确判断裂缝何时开始稳定扩展。标志性论文发表在权威期刊《国际断裂学报》上,当期杂志一共89页,这篇论文的篇幅占了81页。
    
    据检索,自1969年以来,《国际断裂学报》上发表的混凝土断裂力学领域论文引用率最高的前10篇中,有5篇是课题组发表的双K理论系列论文。2005年,我国第一部水电水利行业标准就是以双K理论为基础制定的。
    
    2012年,南水北调水源工程丹江口大坝加高工程出现裂缝,长委设计院与徐世烺课题组开展研究,并将从大坝取样的5吨芯材样品运到了浙大实验室。“这是国家南水北调的水源工程,非常重要,大坝加高后,只有提高蓄水位后才能往北京输水。蓄水位提高后,裂缝内水压力就会增大,裂缝如果进一步扩展甚至发生失稳扩展,大坝的安全就会受到重大威胁。” 徐世烺课题组进行了一系列参数测试后,为设计院提出了合理建议,使得供水方案得以顺利实施。 “我们提供了一些措施建议,水坝水位提高了,顺利向北京供水。”
    
    截止目前,双K断裂理论在乌江东风拱坝、长江三峡二期三期工程、丹江口大坝加高工程等国家重大工程中获得成功应用,取得了令人满意的实施效果。相关理论工具和方法对提升混凝土性能、促进和提高我国大体积混凝土结构设计和施工质量发挥了重要作用。
    
    2011年,国际结构与材料研究所实验室专家联合会RILEM成立TDK技术委员会,该委员会负责专门制定双K断裂准则国际试验标准,徐世烺受邀出任委员会主席。这是RILEM首次建立由中国人创立的理论而命名的技术委员会,也是中国人首次担任主席。“要成为国际标准,必须进行相应的充足的国际循环实验。”徐世烺介绍,目前,围绕双K理论提出的研究和分析方法,中国、印度、德国、西班牙等多个国家和地区的高校和研究机构承担了不同的实验任务。
    
    2015年11月底,刚刚在西班牙召开了“混凝土断裂中的双K方法学国际会议”。在这次会议上,“双K”第一次被称为混凝土断裂力学研究领域的“方法学”,标志着双K断裂理论应用的广泛性得到了新的认可。
    
    “以往我们针对混凝土的裂缝问题,都是被动地研究它的性能,对耐久性的影响,采取什么样的措施。而根据双K理论,就研发了新型的超高韧性材料。”徐世烺课题组的李庆华副教授介绍,从基础理论到材料研发,徐世烺课题组又迈出了关键一步。
    
    “我们还做了很多新水泥基材料的研发,比如超高韧性混凝土的研发,用于桥梁工程,海洋工程,需要涉及到疲劳性能测试,因此进一步开展了很多高韧性混凝土的疲劳破坏实验。”徐世烺说。
    
    李庆华介绍:“我们以往的混凝土只是根据材料的配合比去选择材料用量,而现在,我们在双K理论的指导下,每种材料的参数是有选择有控制的,选择的水泥基材料、纤维和界面能量都是精准控制的。界面能量就能让裂缝由以前非常单一的非常宽的形态,弥散成很多很多的微细裂缝。”
    
    人们传统印象中的又硬又脆的混凝土,正在课题组的努力下,变得又韧又强,并越来越多地出现在大型建筑工程中。
    
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    (文 周炜/摄影 卢绍庆)