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。
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复杂环境下桥梁混凝土材料的耐久性机理研究进展
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。YangLF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-SilicaReaction，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%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。NetoFMM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（ReinforcedConcrete，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，VoDaniela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。AryanH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。JiaG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，ZhangY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，ZhangY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。WangG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。LiWJ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.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-AmeeriAS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。WangY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。MinJ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。DongWY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。JiangX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，JiangX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。XuF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
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