建筑材料老化與壽命評(píng)估研究

陳康

陜西中盛建設(shè)科技服務(wù)有限公司 陜西 西安 710000

引言

隨著建筑工程的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，建筑材料的老化和壽命評(píng)估問題日益凸顯。建筑材料老化會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能的下降、耐久性的降低以及安全風(fēng)險(xiǎn)的增加，對(duì)建筑工程的質(zhì)量和可持續(xù)性產(chǎn)生不利影響。因此，對(duì)建筑材料老化機(jī)理和壽命評(píng)估方法的研究具有重要意義。本文旨在探討建筑材料老化的機(jī)理和特點(diǎn)，并介紹建筑材料壽命評(píng)估的方法和技術(shù)，以期為建筑工程的設(shè)計(jì)、維護(hù)和管理提供參考。

1 建筑材料老化的機(jī)理和特點(diǎn)

任何材料在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用后都會(huì)有老化的情況發(fā)生，建筑材料也不例外。對(duì)于建筑材料的使用而言，尤其是長(zhǎng)期在戶外使用的建筑材料，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用后，老化成為一種必然趨勢(shì)。

1.1 建筑材料老化的定義和原因

建筑材料老化是指材料在長(zhǎng)期使用過程中逐漸失去原有性能和功能的過程。它是由多種因素綜合作用所引起的，包括物理、化學(xué)、生物和機(jī)械等方面的因素。了解建筑材料老化的定義和原因?qū)τ谟行а娱L(zhǎng)建筑材料的使用壽命，保證建筑結(jié)構(gòu)的安全和可靠性具有重要意義。老化的原因包括物理、化學(xué)、生物和機(jī)械等多種因素，如溫度變化、濕度、紫外線輻射、化學(xué)腐蝕、生物侵蝕和應(yīng)力作用等。

1.2 建筑材料老化的機(jī)理與影響因素

物理因素是建筑材料老化的主要原因之一。溫度變化是導(dǎo)致建筑材料老化的重要物理因素之一。長(zhǎng)期受到溫度變化的影響，材料會(huì)發(fā)生熱脹冷縮，產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，導(dǎo)致材料的變形、開裂和疲勞破壞。此外，濕度也是導(dǎo)致建筑材料老化的重要物理因素。濕度的變化會(huì)引起材料的吸濕膨脹和干燥收縮，導(dǎo)致材料的變形和破壞。化學(xué)因素也對(duì)建筑材料的老化起到重要影響。化學(xué)腐蝕是建筑材料老化的常見形式之一。此外，酸雨、鹽分和化學(xué)污染物等也會(huì)對(duì)建筑材料產(chǎn)生腐蝕和侵蝕作用。生物因素也是建筑材料老化的重要原因之一。生物侵蝕主要包括真菌、細(xì)菌、昆蟲和其他生物的作用。這些生物會(huì)附著在建筑材料表面，通過代謝產(chǎn)生酸性物質(zhì)或破壞材料的纖維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料的腐朽和破壞。尤其是在潮濕環(huán)境下，生物侵蝕現(xiàn)象更加突出。機(jī)械因素也會(huì)對(duì)建筑材料的老化產(chǎn)生影響。機(jī)械應(yīng)力是指外部荷載或振動(dòng)等作用于材料上產(chǎn)生的應(yīng)力，它會(huì)導(dǎo)致材料的變形和破壞。長(zhǎng)期受到機(jī)械應(yīng)力的作用，建筑材料會(huì)發(fā)生疲勞、斷裂和塑性變形等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致材料性能的衰減和老化[1]。

1.3 常見建筑材料的老化特點(diǎn)和表現(xiàn)

常見建筑材料在長(zhǎng)期使用和暴露于外部環(huán)境中會(huì)經(jīng)歷不同程度的老化，其老化特點(diǎn)和表現(xiàn)因材料類型和環(huán)境條件而異。

混凝土是一種常用的建筑材料，在長(zhǎng)期使用和暴露于外部環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。混凝土老化的表現(xiàn)主要包括表面龜裂、顏色變深、表面剝落和孔洞形成等。這些現(xiàn)象主要是由于水分侵蝕、化學(xué)侵蝕和凍融循環(huán)等因素的作用所致。鋼材作為建筑結(jié)構(gòu)中常用的材料，也會(huì)受到老化的影響。鋼材的老化表現(xiàn)主要包括腐蝕、銹蝕和強(qiáng)度減小等。這是由于大氣中的濕度、氧氣和化學(xué)物質(zhì)的侵蝕所引起的。長(zhǎng)期暴露于潮濕環(huán)境中的鋼材容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，從而降低其使用壽命。木材在建筑中也常被使用，但它容易受到濕度、溫度、真菌和昆蟲等生物侵蝕的影響而發(fā)生老化。木材老化的表現(xiàn)包括腐朽、開裂、變形和顏色變化等。尤其是長(zhǎng)期暴露于濕度變化較大的環(huán)境中，木材的老化問題會(huì)更加突出。

另外，涂料和防水材料也會(huì)經(jīng)歷老化過程。涂料和防水材料的老化表現(xiàn)主要包括表面剝落、開裂、褪色和失去防水性能等。這是由于紫外線、溫度變化、化學(xué)物質(zhì)和機(jī)械磨損等因素的作用。長(zhǎng)期暴露于外部環(huán)境中，涂料和防水材料容易發(fā)生老化現(xiàn)象，影響其使用效果。

可見，不同類型的建筑材料在長(zhǎng)期使用和暴露于外部環(huán)境中會(huì)呈現(xiàn)不同的老化特點(diǎn)和表現(xiàn)。了解和識(shí)別這些特點(diǎn)和表現(xiàn)，有助于及時(shí)采取維護(hù)和修復(fù)措施，延長(zhǎng)建筑材料的使用壽命，保證建筑結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性。

2 建筑材料壽命評(píng)估方法

隨著技術(shù)的省級(jí)和發(fā)展，在進(jìn)行建筑材料的壽命評(píng)估上，也有相應(yīng)的評(píng)估方法提出，常見的諸如基于經(jīng)驗(yàn)惡化統(tǒng)計(jì)的壽命評(píng)估方法以及基于性能和可靠性的壽命評(píng)估方法等。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體情況選擇合適的方法進(jìn)行壽命評(píng)估。對(duì)于已有大量數(shù)據(jù)的材料和結(jié)構(gòu)，可以采用基于經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行壽命推斷；而對(duì)于新型材料或需要更準(zhǔn)確評(píng)估的情況，可以采用基于性能和可靠性的方法進(jìn)行壽命評(píng)估。

2.1 壽命評(píng)估的概念和目的

建筑材料壽命評(píng)估是指對(duì)材料的老化過程進(jìn)行定量分析和預(yù)測(cè)，以確定材料的壽命和可靠性。其目的是評(píng)估材料的使用壽命、制定維護(hù)計(jì)劃、優(yōu)化資源配置和降低建筑工程成本。

壽命評(píng)估的概念包括壽命預(yù)測(cè)、壽命評(píng)估和壽命管理三個(gè)方面。壽命預(yù)測(cè)是指根據(jù)材料的性能、環(huán)境條件和使用情況，通過建立數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，預(yù)測(cè)材料的壽命。壽命評(píng)估是對(duì)已有的材料進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和分析，評(píng)估其當(dāng)前的壽命狀態(tài)和剩余壽命。壽命管理是在評(píng)估的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的維護(hù)計(jì)劃和管理策略，延長(zhǎng)材料的使用壽命[2]。

2.2 基于經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)的壽命評(píng)估方法

基于經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)的壽命評(píng)估方法主要依靠歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)規(guī)律來預(yù)測(cè)材料的壽命。這種方法適用于已有大量使用數(shù)據(jù)的材料和結(jié)構(gòu)，通過統(tǒng)計(jì)分析和建立模型來推斷材料的壽命。

基于經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)的壽命評(píng)估方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速，適用于大量數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)。然而，它也存在一定的局限性，因?yàn)閮H僅依靠歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，無法考慮到特定環(huán)境條件和個(gè)體差異的影響。

2.3 基于性能和可靠性的壽命評(píng)估方法

基于性能和可靠性的壽命評(píng)估方法是基于材料的性能參數(shù)和可靠性理論來評(píng)估材料的壽命。該方法考慮了材料在使用過程中的性能退化和不確定性因素，并通過建立可靠性模型和可靠性指標(biāo)來評(píng)估壽命。

在基于性能的壽命評(píng)估方法中，首先需要確定一些關(guān)鍵的性能參數(shù)，如強(qiáng)度、硬度、滲透性等。然后，通過對(duì)這些性能參數(shù)的監(jiān)測(cè)和測(cè)量，可以了解材料的性能退化情況。基于可靠性理論，可以建立材料的壽命模型和可靠性指標(biāo)，以評(píng)估材料的壽命和可靠性。常用的可靠性指標(biāo)包括可靠度、失效概率、可靠度指數(shù)等。

基于性能和可靠性的壽命評(píng)估方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠考慮材料性能的退化和不確定性因素，更加精確地評(píng)估材料的壽命。同時(shí)，該方法也可以提供對(duì)壽命預(yù)測(cè)的置信度和可靠性分析，幫助決策者制定相應(yīng)的管理策略。

3 建筑材料老化監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)

為了更好地了解建筑材料的使用壽命和老化情況，目前隨著行業(yè)技術(shù)的優(yōu)化和提升，也有一系列的建筑材料老化監(jiān)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)提出。

3.1 監(jiān)測(cè)參數(shù)的選擇和測(cè)量方法

在建筑材料老化評(píng)估中，選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)參數(shù)并采用準(zhǔn)確可靠的測(cè)量方法是確保評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。監(jiān)測(cè)參數(shù)應(yīng)能夠準(zhǔn)確反映材料老化程度和性能變化，從而提供有價(jià)值的信息用于壽命評(píng)估和維護(hù)決策。常用的監(jiān)測(cè)參數(shù)包括物理性能參數(shù)、化學(xué)性能參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。物理性能參數(shù)是指與材料力學(xué)性能和物理特性相關(guān)的參數(shù)，如強(qiáng)度、剛度、吸水率等。這些參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試來獲得，如拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)等。化學(xué)性能參數(shù)是指與材料化學(xué)特性和耐久性相關(guān)的參數(shù)，如pH值、溶解度、腐蝕速率等。微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)是指與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織特征相關(guān)的參數(shù)，如孔隙度、晶體結(jié)構(gòu)變化等。

針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)參數(shù)，選擇合適的測(cè)量方法是關(guān)鍵。常用的測(cè)量方法包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和非破壞性檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試一般在受控的環(huán)境條件下進(jìn)行，可以提供精確的測(cè)量結(jié)果。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是在實(shí)際使用環(huán)境下進(jìn)行的測(cè)試，可以更真實(shí)地反映材料的實(shí)際性能。非破壞性檢測(cè)是指通過無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行評(píng)估，如超聲波檢測(cè)、紅外熱成像、電阻率測(cè)量等，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的評(píng)估，而無須對(duì)材料進(jìn)行破壞性測(cè)試。在測(cè)量方法的選擇上，需要考慮到測(cè)量的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性、操作便捷性以及成本效益等因素[3]。

3.2 無損檢測(cè)技術(shù)在建筑材料老化評(píng)估中的應(yīng)用

無損檢測(cè)技術(shù)是一種非破壞性的檢測(cè)方法，能夠?qū)Σ牧系膬?nèi)部和表面進(jìn)行檢測(cè)，提供關(guān)于材料老化程度和損傷情況的信息。它通過測(cè)量材料的物理、電磁、聲波、熱量等特性來評(píng)估材料的性能狀態(tài)，而無須破壞或剝離材料表面。

在建筑材料老化評(píng)估中，無損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在檢測(cè)無破壞、檢測(cè)全面且可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。常用的無損檢測(cè)技術(shù)包括超聲波檢測(cè)、紅外熱像儀、電阻率測(cè)量和磁粉探傷等。

超聲波檢測(cè)利用超聲波在材料中傳播和反射的特性來檢測(cè)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷。它可以測(cè)量聲波傳播的速度和幅度變化，從而判斷材料的密度、孔隙度、裂紋和腐蝕等情況。紅外熱像儀通過測(cè)量材料表面的紅外輻射能量來評(píng)估材料的溫度分布和熱傳導(dǎo)特性。通過分析紅外圖像，可以檢測(cè)材料的熱損傷、水分滲透和能量損失等問題。電阻率測(cè)量是通過測(cè)量材料的電阻率來評(píng)估其導(dǎo)電性能和含水情況。通過對(duì)材料的電阻率變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以判斷材料的含水率、腐蝕程度和鹽漬化情況。磁粉探傷是一種檢測(cè)金屬材料表面和近表面缺陷的方法。通過在材料表面涂覆磁粉，利用磁力線的變化來檢測(cè)材料的裂紋、缺陷和疲勞損傷等。這些無損檢測(cè)技術(shù)可以根據(jù)材料的特性和評(píng)估要求選擇合適的方法和儀器進(jìn)行應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)結(jié)合多種無損檢測(cè)技術(shù)來獲取更全面和可靠的評(píng)估結(jié)果。

3.3 傳感器技術(shù)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展

隨著科技的不斷進(jìn)步，傳感器技術(shù)在建筑材料老化監(jiān)測(cè)中扮演著越來越重要的角色。傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料的物理、化學(xué)和結(jié)構(gòu)變化，并將數(shù)據(jù)傳輸至在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法提供了更精確和全面的材料狀態(tài)信息，有助于預(yù)測(cè)和識(shí)別潛在問題，并采取相應(yīng)的維護(hù)措施。

常用的傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、應(yīng)變傳感器和化學(xué)傳感器等。溫度傳感器可以測(cè)量材料的溫度變化，濕度傳感器可以測(cè)量材料周圍環(huán)境的濕度水平，應(yīng)變傳感器可以測(cè)量材料受到的應(yīng)變程度，化學(xué)傳感器可以測(cè)量材料所處環(huán)境的化學(xué)成分。這些傳感器可以通過有線或無線連接到在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚韱卧M(jìn)行分析和評(píng)估。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理。通過建立模型和算法，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料的性能變化，提供預(yù)警和報(bào)警功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)的措施。同時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以生成歷史數(shù)據(jù)和趨勢(shì)分析，用于壽命評(píng)估、維護(hù)計(jì)劃制定和資源管理等方面。

傳感器技術(shù)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展為建筑材料老化監(jiān)測(cè)提供了更高效、準(zhǔn)確和可靠的方法。它們實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料老化過程的長(zhǎng)期、連續(xù)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)的不足之處。同時(shí)，傳感器技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展也為建筑材料老化評(píng)估提供了更多可能性，使評(píng)估過程更加智能化和精確化[4]。

4 結(jié)束語

建筑材料老化與壽命評(píng)估的研究對(duì)于建筑工程的設(shè)計(jì)、維護(hù)和管理具有重要意義，其有助于提高建筑工程的可持續(xù)性和安全性。本文從建筑材料老化的機(jī)理和特點(diǎn)出發(fā)，介紹了建筑材料壽命評(píng)估的方法和技術(shù)，以及建筑材料老化監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展，為更好推動(dòng)建筑材料老化和壽命評(píng)估相關(guān)研究的開展提供了經(jīng)驗(yàn)分享和借鑒。