混凝土是现代工程建设中应用最为广泛的材料,在公路桥梁工程中混凝土桥占90%以上。国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153-2009)按照桥梁主体结构规模和重要性提出了30年、50年、100年的设计使用年限规定。由于早期桥梁设计规范要求低、荷载水平低、混凝土标号低以及混凝土桥梁在服役过程中材料不断老化、车辆荷载增加、环境侵蚀加剧,我国公路桥梁大部分的使用年限在25~35年之间,混凝土桥梁的使用年限情况不容乐观。混凝土作为桥梁结构的主体材料,其长期的性能状况和工程使用年限是保证桥梁结构的长期服役性能和实现设计使用年限的前提。混凝土材料的工程使用年限是多少,能否满足50年、100年或更长的使用年限要求需要进行研究论证,以对桥梁设计使用年限的实现提供必要的理论支撑。围绕混凝土材料的工程使用年限问题,进行了以下研究工作。(1)通过细微观机理分析,研究了混凝土中的水泥水化产物的稳定性。在水泥水化产物层面从化学反应角度分析了水泥石中氢氧化钙、水化硅酸钙、水化硫铝酸钙稳定性的影响因素。水泥浆体pH值降低是影响水化产物稳定性的主要原因,pH降低主要由水泥石中相对不稳定的氢氧化钙消耗、溶失造成。另外水化产物中的水化硫铝酸钙与环境中硫酸根离子发生膨胀性反应也是引发混凝土破坏的重要原因。在此基础上分析了我国典型环境中混凝土稳定性劣化因素。(2)通过调研和统计分析方法研究了典型环境中混凝土强度时变规律,得出了一般大气环境、海洋环境、中碱性土壤环境、盐碱地土壤环境和酸性强腐蚀土壤环境中混凝土强度长期变化曲线。混凝土硬化后,在很长时间内随着水泥胶凝材料的不断水化生长,混凝土变得更加密实,性能持续增长,增长的幅度和时间与胶凝材料种类、数量和细度有关。混凝土性能增长的同时还受到环境侵蚀,当环境侵蚀作用大于水泥水化增长作用则会出现混凝土性能的降低。根据混凝土强度劣化对桥梁承载力影响的分析,由强度变化曲线得出了典型环境中混凝土的工程使用年限。(3)通过试验与数值模拟方法研究了普遍存在的碳化对混凝土结构表层变形开裂的影响,并分析了碳化与干缩同时作用下,不同碳化系数下收缩裂缝宽度与碳化深度及时间的关系。通过加速碳化试验研究了水泥砂浆的碳化收缩系数、温度线膨胀系数和干湿变形系数,并应用ANSYS软件模拟分析了碳化与干缩对混凝土表层开裂的影响,并对裂缝宽度与碳化时间进行了分析,得出开裂宽度到达限值的年限。另外分析了水泥砂浆构件碳化后干湿变形性能改变对表层开裂的影响。