混凝土当今世界，用途最广，用量最大的建筑材料之一，也是全世界各类结构工程建设首选的建筑材料。当前建筑工程“耐久性”面临最大问题是混凝土腐蚀问题，这也是世界范围内面临的科学技术难题。因此，研究和防护混凝土的腐蚀具有突出的社会意义和经济效益。 1． 混凝土耐久性问题，全球性关注焦点： 自从1987年世界第一次混凝土耐久性会议召开以来，“耐久性”一直是世界关注的焦点问题，而桥梁、特别是跨海大桥的耐久性、使用寿命，更是国内外研究的热点。据有关桥梁专家介绍，21世纪的桥梁主材将采用高性能混凝土是桥梁建设必不可少的主材料之一。桥梁建设将广泛运用高性能型混凝土，桥梁的韧性、耐久性及强度将得以有效地提高。近几年来，中国大型工程、跨海桥（如东海大桥、杭州湾大桥等）已经建成或正在建设中，讨论和论证的核心问题之一，就是腐蚀与结构寿命。中国虽然混凝土的耐久性研究和工程实践方面，取得了长足的进步，工程方面也取得重大业绩，但是仍然面临一些问题还有待解决，特别是耐久防腐方面，面临着机遇和挑战。 2000年，中国政府发布了《建设工程质量公里条例》（国务院第279号令），首次以政令形式规定“设计文件应符合国家规定的设计深度要求，注明合理使用年限”、“建设工程实行质量保修制度……基础设施工程最低保修期限为设计文件规定的该工程的合理使用年限”。这实际上就是对基础设施工程的耐久性提出明确要求。以往，待工程验收后，设计和工程承包方就算基本“完成任务”，一般不再承担使用期间环境破坏、修复、重建等相关义务和责任。这就造成了大量工程因耐久性不足引起的、由国家承担的经济损失。国务院第279号令中的上述规定，实际上是贯彻实施基础设施工程的“全寿命责任制”，其意义是重大而深远的。 2． 腐蚀对全球桥梁和建筑的危害性： 腐蚀严重地影响结构和混凝土结构的使用寿命，危及大型基础设施的安全运行。统计数据表明，腐蚀所造成的经济损失一般可达国民经济总产值（GDP）的 2-4%。如欧洲约为3%，美国和澳大利亚均为4.2%，而波兰则为6-10%。 据悉，英国每年基础设施的修复费为55亿英镑，特别指明主要部分是基础设施中腐蚀造成的。欧洲、亚洲、中东等地区，有大量桥梁钢筋腐蚀破坏的报道。加拿大既有海洋环境又大量使用道路防冰盐，以桥梁为主的钢筋混凝土结构腐蚀破坏特别严重，完全修复或重建的费用高达5000亿美元。据悉，韩国、台湾地区，以桥梁为主的基础设施腐蚀破坏也是明显和严重的，澎湖大桥使用7年开始修复，17年推倒重建，这仅是桥梁不耐久造成经济损失的个例。3美国腐蚀工程师学会（NACE）曾指出：“为什么基础设施如此严重破坏和造成麻烦？主要原因之一是在整个基础项目过程中，没有重视腐蚀防护并作为工程维护的组成部分”。 据美国的调查与分析表明：美国的混凝土基础设施工程总价值约为60000亿美元，每年所需维修费和重建费为30000亿美元。法新社报道说，美国土木工程师协会两年前就发布报告，警告说2000年到2003年间，全美27%的桥梁被定为“存在结构缺陷”或“功能老化”等级。美国广播公司网援引美国战略与国际问题研究中心报告说，全美目前约有桥梁60万座，其中超过四分之一结构不稳定，平均每年有150～200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年。由于腐蚀造成了巨大损失，因此美国政府提出，要求采取“以防为主”的长远战略，倡导主动旨在提高耐久性的防护措施，以减少以后在修复中的高额费用（维修费用可能超过初建费的数倍、甚至几十倍！）。土木工程师协会将美国桥梁存在如此之多的隐患归咎于桥梁维修投入长期不足以及联邦政府少有相关维护项目。该协会指出，要消除这些隐患，美国在今后20年间需花费94亿美元。若桥梁维持40年，则累积修复费是总资产的4倍！用4座桥的费用维持一座桥的事实，深刻地教育了人们，不重视“耐久性”、对环境长期的腐蚀作用认识不足或措施不力，将造成长远的巨大的经济损失！ 目前中国的基础设施建设工作规模宏大，每年投入高达20000亿人民币以上，那么约在30～50年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费和重建费更为巨大，同时安全隐患更令人担忧。中国基础设施的腐蚀破坏以沿海最为明显，有些码头、桥梁在使用3-10年内就要修复，而北方撒盐的危害也已经显露出来，如北京西直门立交桥，使用19年就腐蚀严重（已经重修），东直门桥等数座桥也“盐害“明显和严重，不得不修复、加固处理。中国大量已有的钢筋混凝土结构，达不到设计寿命、过早破坏的问题也凸现出来。即使每年花不少维修费，依然无法根本解决混凝土桥梁的整体劣化的问题，以致达不到预期的使用使命，更严重的是，出现了大桥突然垮塌等严重事故，造成巨大的经济及人民安全财产损失。4为适应耐久性的要求，土木工程的传统三因素，即工程材料、设计理论和施工工艺势必要经历一番改造、更新和发展。近年来，中国的基础建设的投资迅速增长，桥梁、道路、海港码头等设施的建设规模不断扩大，如何对这些基础设施进行有效保护其长期安全运行，已成为全社会共同关注的课题。 3．影响混凝土耐久性原因： 混凝土是多孔材料，若混凝土表面与水溶液接触，溶液便会通过毛细作用吸附到混凝土的表面，并进一步渗透到混凝土内部。同时，溶于其中的有害物质也被输送到混凝土孔中。除了氯盐、碳化以外，工业污染带来的废气、废水、废渣等，大多也是酸性的，都会引起钢筋的腐蚀。 钢筋混凝土结构耐久性问题，可以说成是一个复杂的系统工程，诸多的影响因素、众多的人为原因，不是容易分析和控制的。就大的方面说，有材料（水泥、钢筋品质与质量等）、设计（耐久性的考虑与对策）、施工（质量控制）、使用、管理、维护等因素，更有使用环境中的众多因素（污染、腐蚀、冻融、碱集料反映等）。在使用环境中，混凝土自身的腐蚀、特别是混凝土中钢筋腐蚀，已是影响耐久性的主要因素。6 除了一些“先天”因素之外，环境因素成为影响结构耐久性的焦点，结构物必须经受环境作用的考验和时间的考验。海洋环境中的钢筋混凝土构筑物部位不同受到腐蚀严重是不同的，潮差区和浪溅区由于风和浪的强烈作用，在海水和空气的共同作用下，这个部位的钢筋腐蚀最严重。 环境因素是多方面的，其中混凝土腐蚀因素被认为是主要乃至第一位的影响因素。腐蚀混凝土结构的主要因素： ⑴化学因素 ●环境水中硫酸盐 混凝土硫酸盐破坏，是由于硫酸盐与水泥石的某些组分发生化学反应，这些反应形成膨胀性产物引起混凝土膨胀、剥落、解体等。 ●氯离子的腐蚀 混凝土结构的腐蚀破坏主要是由于侵蚀性介质渗入混凝结构土内部，引起混凝土的碳化和钢筋的腐蚀破坏造成的。氯离子引起的混凝土中钢筋腐蚀是造成钢筋锈蚀的最主要原因。氯离子可以通过多种途径进入混凝土：（1）作为混凝土的组分如将氯化钙作为早强剂加入混凝土的拌和物中；（2）通过扩散作用；（3）在水压力作用下渗透；（4）干湿条件下通过毛细孔吸入。 氯离子的侵入方式有：扩散作用、毛细管作用、渗透作用、电化学作用。氯离子在混凝土中的侵入过程通常是几种作用共存的，但和速度最快的毛细管吸附相比，渗透和电化学迁移产生的迁移可以忽略。 ●混凝土的碳化 当空气或混凝土孔隙中含水低于正常值，或者混凝土表面受海浪冲击压力时，空气中或海水中所含的二氧化碳将侵蚀混凝土构筑物发生碳化作用。 ⑵物理因素 海洋环境中导致混凝土破坏的物理因素主要有：温度变化、湿度变化、孔隙结构溶解、浸出和物质流失、受海洋动力作用的影响等。 目前，已经确定了造成混凝土的过早变质的原因：从“渗透性”转移到了“吸收度”。在溅浪区，海水的不断湿润和干燥提供和补充了水分和氯化物，它们迅速渗透到普通吸附混凝土中。目前已经知道，湿气和氯化物等贯穿混凝土的主要机制是吸收；这种通过吸收的贯穿速度比通过压力渗透的速度快得多——实际上，已经证实，它的速度要比渗透快一百万倍：（英国政府）交通研究工作实验室的长期研究，将毛细孔吸收确定为高质量、低渗透率的桥梁结构混凝土中水盐的主要传送机制，并为了确保混凝土的耐久性，讨论使用以吸收为基础的规范。 4．混凝土防腐蚀的全寿命经济分析与主要技术措施 ⑴全寿命经济分析 以往对基础设施的耐久性认识不足或重视不够，不少国家吃了大亏。在经验教训的基础上，以美国为首的一些国家，率先推出了“全寿命经济分析”（Total Life Cycle Cost Analysis）的概念，也称作“寿命期成本分析”（LCCA）。美国法典（USC）给LCCA的定义是“他是一个程序和方法，用于评价可行计划项目的总经济价值。包括初始成本和经折扣的进一步成本—整个寿命期内的维护、修复、重建和表面翻新处理成本”。以往的工程项目，主要考虑初建成本，工程使用后再花多少钱则很少乃至不与考虑。实践证明，以往的做法是技术、经济都不合理的。执行LCCA方法，要求一个工程立项，首先对其投入资金及其合理性进行评估。全部投资资金应包括初始投资和进一步投资两部分组成: 第一部分是指建设时的设计、施工相关费用； 第二部分包括保证达到寿命期所必须的“进一步费用”。 比如计划项目是建设一座桥，寿命要求100年，工程总项目费用应该包括以下两部分： 工程初建费：土地置购、勘察设计、施工（材料、人工）等； 维持100年桥梁运行的一切费用：维护管理、修补修复、拆除更新和相关间接费用。 以上两项之和“最小”的原则，就是LCCA的核心。 在美国，它既是政府法令，又是工程投资的评估、计算方法。设计、工程承包和投资方，都要以“全寿命”为出发点，为保证规定的工程使用年限，采取技术、经济合理的战略措施。由于美国以桥梁为主的钢筋腐蚀破坏最为突出，所以政府指令LCCA首先在交通、公路系统的基础设施工程和管理中实行。据悉，世界上已经有20多个国家采用了LCCA法。 我国正处在基础建设的高潮时期，贯彻279号令意义重大，进而对“全寿命”进行经济分析也势在必行和更具深远意义。以往国内一些工程项目，往往只考虑初建成本（甚至中标者是最低报价者）。之后出现“耐久性”问题和大量后处理花费，均由国家承担，这是不合理和不经济的。实行LCCA，既可以抑制“短期行为”，又可以使国家长远效益最大化。实质上，我国颁布的关于基础设施“终生保修”的意思，也是立足于“全寿命”，扭转以往那种工程验收后“完事”的做法，使设计和工程承包单位，必须考虑“耐久性”问题，也必然涉及到增加防护费用、对技术经济进行分析、评价的问题。这也是在基础建设方面，逐渐提高我国的技术水平的管理能力、与国际接轨的重要方面。 ⑵混凝土提高耐久性的主要技术措施分为基本措施和附加措施。 ●基本措施： ①最大限度提高混凝土的密实性； ②增加混凝土保护层厚度； ③最大限度地防止混凝土产生裂纹。 ●附加措施： ①采用耐腐蚀钢筋； ②使用钢筋阻锈剂； ③电化学保护； ④混凝土表面涂层； ⑤掺入矿物功能材料。 基本措施旨在提高混凝土的性能，以增加对钢筋混凝土的防护功能；附加措施主要指基本措施在难以保证对钢筋混凝土的有效保护时而增加的其他保护措施。最大限度提高混凝土本身的低渗透、低吸收和保持对钢筋的防护性能，是预防混凝土中钢筋腐蚀的措施中最有效和最经济的根本方法。 5．目前建筑行业采用的桥梁防腐措施: ⑴阴极保护系统： 自1973年第一个导电沥青系统在加利福尼亚安装成功以来，开发出了多种阴极保护系统，但是许多阴极保护系统的开发并不成功。一些系统的失败原因显而易见；因为耐久的阴极保护系统需要以下的因素来保障： ● 合理的工程设计； ● 选择耐用的阳极； ● 合理的安装和测试；合理的调试； ● 合理的维护。 如缺少任何一个因素，就不能安装出耐久的阴极保护系统，还可能导致达不到规范要求的性能或引起过早破坏。与以上结果直接相关的因素有：记录缺失、产品的耐久度问题、技术手册内容模糊、工程经验缺乏以及系统维护不当等。 对于工程业主来说，采用阴极保护的目的是为建筑物提供长期有效的腐蚀防护。然而，过去曾经安装的许多阴极保护系统都曾发生过早失效或无效的问题。引起这些问题的原因是很多，例如： ● 阴极保护专业人员工程管理能力缺乏以及知识和经验的欠缺； ● 选用耐久性不好的阴极保护材料； ● 没有针对特定的结构组成和环境选取合适的阴极保护系统； ● 阴极保护安装不当以及缺乏正确的测试； ● 业主或承建专业人员缺乏维护能力。 涉及到上述任何一项，都可能导致阴极保护系统不能持久有效地运作，还可能引起过早失效。许多单位也考虑过在混凝土结构中的钢筋加阴极保护措施，但由于施工困难，成本高，实际上也不能解决混凝土破坏的问题，不宜推广。 ⑵涂层： 涂层分为混凝土外表面涂层和钢筋表面涂层。根据目前已有防腐涂料的实际使用情况，它们防重腐蚀的能力并不很令人满意，大多是由于腐蚀介质向涂层内部渗透，使涂层鼓泡、破裂甚至脱落，致使涂层失去防护功能。之所以腐蚀介质能向涂层内部渗透，是由于涂层中存在有针孔和结构气孔，影响表面涂料因素有氧化、紫外线、红外线、化学物质、冲击、磨损等。环氧涂层钢筋作为海上混凝土结构防腐蚀措施已成功应用多年，美国对2座跨海混凝土桥的调查和以后若干海工混凝土结构应用该钢筋的调查表明，制作和施工质量差的涂层钢筋，也会在使用仅4～6年的海工混凝土上出现异常严重的钢筋腐蚀破坏，中国国内目前无缺陷环氧涂层钢筋产品的使用寿命只有约12年。造成涂层损坏、导致外界腐蚀介质侵入的另外一个重要原因就是：涂层的弹性和机械强度。现在大多数涂料存在以下几方面的不足：一是弹性低、机械强度差，难以抵抗四季温度交变及外力撞击对涂层的破坏作用；二是涂层薄、封闭差，不能阻止外界腐蚀介质的侵入和渗透；三是涂料固化慢，施工受外界条件的影响严重，如室外温度、湿度等条件。 ⑶阻锈剂： 亚硝酸钙是一种阻锈剂，联邦公路管理局（FHWA）进行了多次腐蚀测试，检查其腐蚀抑制特点。在户外混凝土路面测试，其中包括每天的用盐，所有在控制混凝土路面上的电势测量都显示出腐蚀严重。然而，当混凝土路面中的二氮化三钙是水泥重量的2%时，没有显示出低于－0.35伏的电势，尽管在可能发生轻微腐蚀的区域有一些电势，其它的工作证明了一个重要的氯化物／亚硝酸盐的比例（约1.5），当大于此比例时，将发生腐蚀。在氯化物腐蚀可能发生的现场情况下，混凝土定期受到氯化物溶液的浸蚀，氯化物溶液渗入多孔混凝土并且浓缩氯化物。但是，同时可溶性二氮化三钙不断从混凝土中浸出，并且并得到补充。因此，氯化物／亚硝酸盐的比例必然一直增加，从而导致加速的氯化物浸蚀。另一限制是二氮化三钙不能保护其它腐蚀剂，如：硫酸盐和酸。目前阻锈剂的研究已经很多，但仍存在许多问题，对于阻锈剂阻止腐蚀开始和抑制腐蚀速度的性能方面仍存在许多分歧，总的看来，腐蚀一旦开始后，阻锈效果就不再理想。 ⑷硅粉： 硅粉在水泥重量的比例为20%时使用，其中之一的限制是掺和剂在高温带的粘性，硅粉混凝土易产生温度裂缝。硅粉混凝土表面平整度差，直接影响了其抗空蚀性能，表面的不平整，会造成近壁水流流态紊乱，对混凝土形成不均匀磨损和淘刷，同时，会引起水流中推移质在混凝土表面的跳跃、冲砸，加大对混凝土的冲刷磨损速度。硅粉混凝土不符合高速水流的选择要求，这是一些工程产生了严重的破坏的主要原因。硅粉混凝土在工程中的使用效果并没有人们预期的好，其原因是施工困难、蜂窝麻面、表面平整度差以及裂缝严重等问题；硅粉混凝土在许多工程的应用中，施工中易于产生扬尘和浪费，堆存、称重、掺加均比较困难，这也会影响混凝土的施工进度。 所有钢筋混凝土的化学、电解和物理的浸蚀方式都需要水作为载体和电解液，上述防腐的有效性主要是以混凝土的不渗透性程度为基础。然而，最大的关注是期望使用一种钢筋结构混凝土来降低氯化物的腐蚀作用。 海工工程、跨海大桥，如果期望获得一百年乃至更长的寿命，就必须从混凝土的结构中采取根本措施解决。当今世界最耐久的、最先进的混凝土防腐技术措施，将会在项目中扮演重要角色。近五十年，加拿大的Heritage Bridge、Leslie Bridge、Mountain Brow Bridge Hamilton，英国的Dundas Street Bridge and Barrier Wall in Cambridge等桥梁工程，香港迪斯尼乐园工程，昂平人民解放军码头、中国人民政府驻港联络办公大楼、香港会展中心、印度海军基地工程、港澳码头/信德中心，新加坡的地下铁轨延长线都使用了超低吸水性混凝土——克汰系统。这一个在西澳大利亚的珀斯发明和完善的技术，从1958年投放市场后，一直是作为防水防腐的混凝土掺和剂来使用，在大多数腐蚀性环境下普遍应用。而且得到时间的证明：它能提供具有超低吸收(吸水)、超低渗透、防腐蚀特点的建筑混凝土，在世界上许多极严酷的海洋环境中，防水防腐蚀之效用迄今已逾50年以上，这种纪录在土木工程技术中是非常独特罕见的。

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文章来源： 永年加固公司
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