一、所属领域
土木工程
二、技术或产品名称
沿海基础设施混凝土耐久性劣化机理及防护关键技术与应用
三、技术水平
为满足山东半岛沿海地区混凝土基础设施快速、安全施工，高耐久、长寿命运营，青岛理工大学、中国科学院海洋所、青岛益群地下城开发有限公司、青岛市政集团砼业工程有限公司、中交一航局第二工程有限公司共同承担了“沿海基础设施混凝土耐久性劣化机理及防护关键技术与应用”项目。该项目针对沿海地区基础设施特殊的服役环境条件，提炼海工混凝土面临的主要破坏因素。考虑多因素劣化模型计算与分析，建立了沿海地区基础设施混凝土结构耐久性设计方法。开发了海工高性能混凝土，建立了混凝土耐久性监测与评估体系，实现了在青岛地铁中的应用，保障了地铁工程的经济性、安全性和耐久性。系统研究了凝土表面浸渍/内掺改性的憎水机理，以及开裂状态下混凝土防水机理，提出了混凝土结构防护用渗透型涂料应用技术标准与评价体系，为混凝土表面浸渍和内掺改性防水处理的实际工程应用提供了理论基础和操作规范。研发了用于混凝土冷却塔的长效性涂层体系提出了系统的重防腐涂料评价方法，为混凝土冷却塔的长寿命安全运营提供有力保障。
研究成果总体达到国内领先水平，混凝土中水分可视化成像追踪、水分空间分布定量表征、C45高性能地铁衬砌混凝土开发、应用及其耐久性长期监测等成果达到国际先进水平。
四、技术简介
随着我国“一带一路”和“海洋强国”发展战略的推进以及大湾区城市集群发展的趋势，海洋平台、海港码头、海底隧道、跨海大桥、沿海城市地铁、人工岛礁等重大基础设施建设日益增多。沿海地区的特殊环境条件，既有与新建的沿海混凝土基础设施面临巨大的腐蚀破坏风险，深入理解沿海基础设施混凝土的耐久性劣化机理，并保障和提高其长期服役性能是学术和工程界关注的热点问题。
本项目针对沿海混凝土基础设施特殊的服役环境，从混凝土耐久性劣化机理、高性能混凝土制备与工程应用、耐久性监测与评估、混凝土憎水防护与成膜型涂层防护技术等多方面开展了系统研究，主要包括：
（1）引入先进的中子成像技术，突破混凝土材料的非透明局限，实现了混凝土水分传输的可视化及其动态追踪，揭示了水分与氯离子非同步传输规律；捕捉并揭示了水分侵入裂缝最初始阶段的运动特征，解决了早期侵入难以追踪和量化的难题；研制了荷载-冻融/介质传输耦合测试装置，揭示了荷载-海水-冻融耦合下混凝土损伤机理；提出了沿海地铁衬砌混凝土耐久性设计关键参数。
（2）采用多元复合技术开发了施工性能良好、耐久性与体积稳定性优异的海工高性能混凝土，解决了衬砌混凝土难施工、易开裂和拱顶空洞问题；实现了海底隧道和地铁施工弃渣的有效利用，节约资源，绿色施工；研制了混凝土耐久性传感器、嵌入式钢筋腐蚀监测系统，实现了对沿海地铁混凝土长期性能的监测与实时评价，成果应用于青岛地铁3号线等工程。
（3）成功实现了混凝土内部憎水层的可视化定量测定，揭示了混凝土增水作用机理；针对沿海地区海水长期作用，揭示了荷载裂缝对憎水防护性能的影响规律；提出了渗透型憎水材料技术性能指标及其检验和试验方法，成果纳入我国第一部相关行业标准《混凝土结构用渗透型涂料》；成果应用于青岛地铁、青岛董家口港码头、东营广利港区通用码头等工程。
（4）研发了用于混凝土冷却塔的长效性涂层体系，其中表干区涂层体系具有优异的裂缝追随性能、耐盐雾性能和耐老化性能，主要用于冷却塔底部人字柱及塔筒外壁防护；表湿区涂层体系具有湿固化性能以及优异的耐冲刷和耐介质侵蚀性能，主要用于冷却塔底部淋水梁、柱及塔筒内表面的防护；提出了系统的重防腐涂料评价方法，成果应用于混凝土冷却塔等工程。
本项目发表学术论文105篇，其中SCI/EI检索论文82篇；取得知识产权31项，其中授权发明专利8项、实用新型专利20项、软件著作权3项；参编国家行业标准1部，省级标准2部；获批省级工法5项。成果获青岛市科技进步二等奖2项、三等奖1项。
研究成果完善了沿海基础设施混凝土耐久性基础理论与腐蚀防护关键技术，已成功应用于青岛地铁、董家口港码头、广利港区码头、电厂冷却塔等沿海重大基础设施工程，有效保障了工程结构的耐久性，为“一带一路”和“海洋强国”、“海洋强省”战略的顺利实施提供重要支撑。
五、创新点及性能指标
5.1 基于中子成像技术的沿海基础设施混凝土复合劣化机理研究
引入先进的中子成像技术，突破混凝土材料的非透明局限，实现了混凝土水分传输的可视化及其动态追踪，揭示了水分与氯离子非同步传输规律；捕捉并揭示了水分侵入裂缝最初始阶段的运动特征，解决了早期侵入难以追踪和量化的难题；研制了荷载-冻融/介质传输耦合测试装置，揭示了荷载-海水-冻融耦合下混凝土损伤机理；提出了沿海地铁衬砌混凝土耐久性设计关键参数。
5.2 海工高性能混凝土开发、应用与性能监测
采用多元复合技术开发了施工性能良好、耐久性与体积稳定性优异的海工高性能混凝土，解决了衬砌混凝土难施工、易开裂和拱顶空洞问题；实现了海底隧道和地铁施工弃渣的有效利用，节约资源，绿色施工；研制了混凝土耐久性传感器、嵌入式钢筋腐蚀监测系统，实现了对沿海地铁混凝土长期性能的监测与实时评价，成果应用于青岛地铁3号线等工程。
5.3渗透型憎水材料表面浸渍与内掺改性混凝土防护技术研究
成功实现了混凝土内部憎水层的可视化定量测定，揭示了混凝土增水作用机理；针对沿海地区海水长期作用，揭示了荷载裂缝对憎水防护性能的影响规律；提出了渗透型憎水材料技术性能指标及其检验和试验方法，成果纳入我国第一部相关行业标准《混凝土结构用渗透型涂料》；成果应用于青岛地铁、青岛董家口港码头、东营广利港区通用码头等工程。
5.4 成膜型混凝土涂层体系研发与应用关键技术
研发了用于混凝土冷却塔的长效性涂层体系，其中表干区涂层体系具有优异的裂缝追随性能、耐盐雾性能和耐老化性能，主要用于冷却塔底部人字柱及塔筒外壁防护；表湿区涂层体系具有湿固化性能以及优异的耐冲刷和耐介质侵蚀性能，主要用于冷却塔底部淋水梁、柱及塔筒内表面的防护；提出了系统的重防腐涂料评价方法，成果应用于混凝土冷却塔等工程。
六、知识产权情况
1 一种混凝土表层水分分布的测量方法 ZL201410428165.9
2 一种精密混凝土碳化测量装置 ZL201210534723.0
3 原电池腐蚀检测装置 ZL201610307556.4
4 一种高度和跨度双可调式平面桁架 ZL201410704604.4
5 一种可调节式V型结构的夹持固定装置 ZL201610184292.8
6 一种混凝土冻融循环模拟加载装置 ZL201520977719.0
7 钢筋混凝土结构耐久性劣化演变的监测系统 ZL201620762971.4
8 一种地铁管片模具整体盖板 ZL201820853724.4
9 带裂缝砂浆水分传输计算软件 2018SR657190
10 混凝土水分传输计算系统 2018SR523482
七、合作方式
“沿海基础设施混凝土耐久性劣化机理及防护关键技术与应用”为青岛理工大学、中国科学院海洋研究所、青岛益群地下城开发有限公司、青岛市政集团砼业工程有限公司及中交一航局第二工程有限公司共同研究的项目。团队成员立足沿海混凝土耐久性耐久性难题，响应山东省政府产学研一体化重大举措，协同合作、互补创新，力求在沿海基础设施混凝土耐久性劣化机理及防护关键技术与应用取得重大突破，为保障并提高“沿海基础设施混凝土耐久性”做出有力贡献。
项目组成员依托于“海洋环境混凝土技术”国家创新引智基地（“111”计划）、山东省一流学科以及教育部工程研究中心等平台，基于国家自然科学基金、省自然科学基金、部委计划等项目支持，自2007年开展项目合作。项目组成员由3名教授、1名教授级高工、2名副教授、1名高级工程师、2名工程师组成，均为来自于土木工程和材料科学领域不同方向的优秀人才。成员专业技术突出，适应性强，能很好地进行优势互补与资源共享，共同建立了集理论突破、材料研发、防护修复与工程监检测为一体的沿海基础设施混凝土耐久性研究体系。自项目组成立以来，团队成员已合作发表论文100余篇、知识产权30余项，共同承担多项国家自然科学基金、山东省自然科学基金等科研课题，形成了工作合力，建立了长效合作机制。
八、投资概算及经济效益分析
青岛地铁高性能衬砌混凝土的单方水泥用量仅有260kg，相比于普通混凝土大幅度减少水泥用量，减少生产水泥向大气排放粉尘、用于地铁的高性能混凝土可减少水泥生产CO2排放18万吨；减少环境污染，社会和环境效益显著。地铁如因耐久性问题而发生严重破坏，拆除重建。除了新建再次投资32.98和125亿元，还应考虑3-4年建设期交通停止所导致的经济损失。因此，项目产生的间接经济效益远超过158亿元。
提高青岛地铁混凝土管片、青岛董家口港码头、广利港码头防水性能，显著提高了其耐久性，大幅延长了结构的使用寿命。在工程项目中，如因耐久性问题而发生破坏，修补及重建项目将产生的大量粉尘、二氧化碳排放，经统计，通过防水处理将有效减少混凝土结构破坏。若发生严重破坏，除新建项目而再次投资巨大外，还应考虑3-4年建设期交通、海运停止所导致的经济损失，因此，项目产生的间接经济效益显著。
电力工业是国民经济和社会发展的重要基础产业，它既是促进国民经济发展的生产资料，又是人们生活中不可缺少的生活资料。项目的研究成果主要用于解决火电厂混凝土冷却塔的腐蚀问题，降低冷却塔的停机检修频次，提高冷却塔的运营效率，延长冷却塔的安全运营寿命，为电力行业混凝土冷却塔的长寿命安全运营提供有力保障。
九、技术或产品的关键词
混凝土耐久性、高性能混凝土、混凝土憎水防护、中子成像
十、技术或产品介绍图片
