钢筋混凝土基础设施腐蚀与耐久性.doc

钢筋混凝土基础设施腐蚀与耐久性 摘 要： 以钢筋混凝土为主体的基础设施，是国民经济发展的要素，与人民生活紧密相连。然而，基础设施腐蚀、耐久性与安全，已经成为世界性问题。我国正处在大规模基础设施建设的高潮时期，国内外经验、教训表明，重视并妥善解决基础设施的防护，是一个经济问题、战略问题和可持续发展的问题。本文总述国内外钢筋混凝土基础设施的腐蚀情况、腐蚀在耐久性方面的重要地位、对国民经济的影响等，并就对应策略与措施提出建议与看法，供讨论与参考。 关键词： 钢筋混凝土 基础设施 腐蚀 耐久性 防护 1．引言 我国正在进行空前规模的经济建设，其中以钢筋混凝土为主体的基础设施建设处于优先地位。基础设施的重要性是不言而喻的，它是国家的经济命脉、可持续发展的依托，甚至是一个国家社会发展程度和人民生活水平的标志。全世界都在关注基础设施的腐蚀与耐久性问题。有专家在文献中描述：“道路、桥梁、铁路、管线、海港、机场、水厂、污物处理装置、化学处理厂等，没有这些基础设施，经济就要停顿下来。保持基础设施的良好状态，是建设、使用、维护部门的共同职责”。一个国家的基础设不发展，国民经济就会落后，这一道理似不难理解；而基础设施不能经久耐用所带来的巨大经济损失和麻烦，却往往被人们所忽视。因此，在强调兴建基础设施的重要性的同时，更要强调保持其长久安全、耐用的重要性。 对于大型工程，我们的目标和愿望是“百年大计”，然而，对“耐久性”的认识不足、规程规范的不完善和相对滞后、管理维护不到位，特别是“短期行为”“利益驱动”的存在与盛行，使我国基础设施的“耐久性”面临着更为严峻的形势。 腐蚀与耐久性是紧密相连的。“腐蚀”的定义也在延伸与扩展，不仅是指金属，是“材料（结构）与环境作用（物理化学的、电化学的），所引起的性能降级与破坏”。对应于钢筋混凝土结构而言，那就是指其经受环境作用所引起的性能降级与破坏。 当今世界，腐蚀已成为影响其耐久性的主导因素之一。在1991年的第二届混凝土耐久性国际会议上，著名专家梅塔教授（P.K. Mehta），总结世界50年混凝土耐久性状况时说：“当今世界，如果把影响混凝土耐久性的因素按重要性递减的顺序排列的话，那么它们分别是：钢筋腐蚀、冻融破坏、侵蚀环境的物理化学作用”。按照腐蚀的定义可以看出，在所列因素中，除冻融破坏之外，都可归结为“腐蚀”。 2001年，梅塔教授又以“21世纪建筑结构的耐久性”为题，发表如下重要观点： ——基础设施遭遇环境的破坏，在世界许多地区，将是严重的、大量存在的问题，并且已经是一个经济问题； ——在所有的工程材料中，混凝土是应用最广泛和量最大的，而混凝土是多种材料的复合物，其结构与性能是随时间而变化的； ——钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构破坏的主要原因。 国内外的大量实践表明，就环境影响而言，腐蚀是影响钢筋混凝土基础设施耐久性的主导因素之一，甚至是关键因素。因此，要重视基础设施的耐久性，就不能不十分重视腐蚀与防护问题。 2．基础设施腐蚀对国民经济的影响 一些国家对腐蚀成本进行过整体的和分类的统计，引用以下一些相关报道，对于理解腐蚀、特别是基础设施腐蚀，对经济的巨大影响会有启发和帮助的： ——美国腐蚀工程师协会（NACE）等几个组织联合调查表明，1999至2001年间，美国腐蚀对经济的直接影响，平均每年达2760亿美元，占国民经济总产值（GDP）的3.1%,其中交通公共设施占34.9%，建筑业占18%（两项合计占52%！），制造业占31.5%。间接影响比直接损失大得多。对于桥梁破坏，影响交通所造成的损失要比恢复桥所花费用多10倍。 ——在美国，早在五十年代腐蚀损失的影响就显露出来，那时每年腐蚀损失60-92亿。美国国家标准局（NBS)等单位，在1976—1996年期间，做过详尽的调查，1976年腐蚀损失为820亿美元，占国民经济总产值（GDP）的4.9%；1996年美国腐蚀损失为3500亿美元，占国民经济总产值（GDP）的4.2% ，美国人每人每年承担1千多美元的腐蚀损失。其中1390亿美元（40%）是可以通过了解已有知识和采用现有防护技术而避免或挽回这部分损失的。另有报告说，腐蚀损失可占到企业总资产的6 %。 ——美国钢筋混凝土腐蚀的修复费每年2500亿美元，其中1550亿美元花在桥梁上。加拿大如果对已经破坏的基础设施全部修复的话，其费用要超过5000亿美元。 ——1991年美国技术评估中心确认美国基础设施总资产为1.4万，而每年的修复花费是1400亿美圆，占总资产的10%。十年的修复花费就与总资产持平，若保持基础设施正常运转四十年，则需要花费四倍的总资产费。 ——钢筋腐蚀是结构破坏的主因，美国60万座桥20年内平均年修复费为566亿美元。美国每年钢筋锈蚀成本超过1500亿美元。 ——目前，钢筋混凝土结构是建筑结构的主体，混凝土破坏很严重，钢筋腐蚀是主要因素。按美国的统计，在所有结构破坏中，钢筋腐蚀破坏可占到55%。 ——英国30来，腐蚀损失平均占GDP 的3.5%，其中基础设施占很大部分。现有桥梁中的35—40%必须修复，每年费用许多亿英镑；澳大利亚每年腐蚀损失为250亿美元，占GDP的4.2% ，基础设施占主要部分。德国每年腐蚀损失为800亿美元。 ——印度向腐蚀宣战！每年腐蚀损失达2400亿卢比，主要是基础设施腐蚀造成的。生产量的10%用于更换被腐蚀的材料。只要采取可用的知识，就可以挽回300—500亿卢比。 ——波兰腐蚀损失占GDP的6—10%，是西方国家的2倍。通过立法和宣传，至少可挽回一半的损失。1997年提出了防腐蚀战斗计划。 ——美国腐蚀控制技术委员会（CCT）报道：今天，世界面临重大问题之一是基础设施的破坏，主要是桥梁、公路，特别是钢筋腐蚀引起的混凝土的破坏。整个世界正在进行着钢筋混凝土基础设施防腐蚀损失的战斗。混凝土易碎易裂的特性、钢筋易锈蚀等，使钢筋混凝土桥梁的破坏尤其突出。 ——2001年4月，在美国举行了“基础设施腐蚀控制专题讨论会”， 基础设施的危险性，成为会议的焦点。 以上资料涉及到美、英、德、加拿大、澳大利亚、印度、波兰等七个国家，由于统计方法、资料来源的不同，可能数据之间不仅一致。然而，可以明白地得出以下基本看法： （1）腐蚀对国民经济的影响是巨大的，技术先进国家可占到国民经济总产值（GDP）的3-5%，有些国家可能更高。就美国而言，年腐蚀成本大于、等于其军费开支，高于灾害损失的总和； （2）基础设施腐蚀损失，在总腐蚀损失总占有很大比例（仅与钢筋腐蚀相关联的就可能占到40-55%）。特别是以桥梁为代表的钢筋混凝土基础设施的腐蚀破坏，成为当今世界突出的问题。修复费的巨大开支，已成为一些国家的经济负担； （3）腐蚀损失虽然不是完全可以避免的，但其中一部分（30-50%）是可以避免和挽回的。其中极其重要的是人们认识和意识问题。一些国家已经或正在提高认识、采取措施。单就基础设施而言，通过教育、法律法规和通常的防护措施，就有可能挽回可观数量的经济损失（如GDP一个百分点）。 3．我国基础设施腐蚀破坏的情势不容忽视 迄今为止，我国尚没有关于整体腐蚀损失和相关基础设施腐蚀损失的完整调查统计数据。本人曾参加中国工程院“中国工业与自然环境腐蚀问题调查与对策”项目中，相关公路、桥梁、建筑等基础设施的腐蚀调查工作，体会到收集这方面的资料是相当困难的。 虽然难以得到完整性数据，但通过大量的个例,也许能一定程度上反映出我国基础设施腐蚀破坏的普遍性、严重性。关于腐蚀所造成的经济损失方面，似乎更难有完整性、代表性的的数据，只有零星数字。以下简述之： （1）桥梁 桥梁是基础设施家族中的主要成员，包括公路、铁路桥、城市立交桥、跨海桥等。我国桥梁建设正在大发展中，我国高速公路里程已经居世界地二位，仅大小公路桥梁已上万座。其中许多已有桥梁已经或正在修复中，腐蚀是重要破坏原因。以下举例说明： ——北京立交桥、北方路桥 北京地区有1000多座桥，其中立交桥200多座。较早期建设的桥，腐蚀破坏比较明显，较典型的是北京西直门立交桥。该桥于1979年建成通车，1999年拆除重建，仅使用不到19年。虽然重建的原因是多方面的（如老桥不能适应大流量的交通等），但腐蚀破坏严重也是有目共睹的（图1）。向路桥上撒盐或盐水,是造成腐蚀的主要原因。东直门桥、大北窑桥等21座城区桥已经完成进行了修复工程，其中有一些桥的腐蚀破坏也是明显和严重的。甚至有些后期建成的预应力混凝土桥（不到10年），取样化验分析表明，氯盐已经渗透到混凝土内、达到钢筋表面（已经接近钢筋腐蚀的临界浓度）。也就是说，随着时间的推移，一些桥的腐蚀问题还会陆续暴露出来的。 这决不是北京独有的现象，实际上，天津等城市的立交桥也已经出现同类腐蚀破坏问题。更广之，我国黄河以北广大地区的城市桥梁和高速公路桥梁，现在和将来（只要还继续撒盐）都会不可避免的发生腐蚀破坏问题，按照国内外的经验，该类腐蚀破坏可能在10—20年内发生。据悉，我国北方的高速公路的路面，也已经有在几年内就发生较严重破坏的事例（与撒盐和冻融有关）。有此可以看到，对于我国北方的路桥，在腐蚀与耐久性方面所面临的严峻形势，并进一步说明，在新建工程中采取必要防护措施的重要与迫切性。 ——沿海桥、跨海桥 我国靠近海岸的桥梁，特别是华南、华东一带，由于海洋环境和高温高湿的影响，更早地产生腐蚀破坏(图2)，有的在十年内就需要修复，远达不到设计寿命（如40年）的要求。修复花费一定不少，但无确切资料。 大型跨海桥的兴建还是近几年的事，并有大量发展的趋势。然而跨海桥的腐蚀与耐久性问题是不可回避的。跨海桥一般要求70-100年的使用寿命，而其维护、修复又是比较困难的。因此，在建桥的初期，高度重视其腐蚀与耐久性问题、最大限度地采用国内外先进防护技术，是十分必要的。 我国已经有跨海大桥不耐久的事例，那就是发生在台湾省的澎湖大桥过早的破坏。澎湖大桥是钢筋混凝土为主体的规模大、投资多的一项大型工程，原设计寿命至少要超过40年，但在使用7年之后，就出现钢筋锈蚀问题，梁、板、柱等陆续出现顺筋开裂的现象。到第17个年头，由于腐蚀破坏严重、承载力大幅下降以至处于不安全状态，最终不得不拆除和重建。一座大型跨海桥仅使用了17年，其经济损失是巨大的，其经验教训是深刻的。从中应该领悟到，如跨海桥这样的工程结构，做好防腐蚀、耐久性工作的重大意义。 ——我国西南某大桥的跨塌 我国西南一座重要公路大桥，地处一城市南侧,是重要交通枢纽。该桥上部是拉索式结构，桥面是钢筋混凝土结构。该地环境较为湿热，大气污染属一般程度。然而，该桥仅仅使用了11年就突然跨塌，曾成为全国注目的事件。以下援引当时报纸的两则报道： “桥梁专家和工程设计人员在桥梁的断裂处进行了现场勘察，发行断裂倒塌之处露出一层薄薄的钢筋网，悬吊的承重钢管中露出了锈迹斑斑的钢缆……。因此，钢缆的防锈就成为保障桥梁安全的关键.” “光是渡桥费每天补贴12万元——乘轮渡每人1元，每天12万人乘轮渡，政府要补贴12万元……。有形的损失是可以统计出来的，无形的损失是统计不出来的”。 这座桥的跨塌可能是综合性复杂的原因，这里不去讨论。然而，根据上面第一则的报道，可以认定腐蚀是不可忽视的因素之一，以至有“钢缆的防锈就成为保障桥梁安全的关键.”的看法与意见。第二则报道，描述了桥梁破坏的社会与经济危害性。据悉，当初该桥的建设费用约1000万元，桥的跨塌后100天内不能复原，仅人员过河的补贴费已经是1200万元！因桥的跨塌而不得不绕道运行的车辆、运输及其他方面的经济损失可能更大，还有一些统计不出来的“无形的损失”。这样看来，国外关于桥梁破坏的间接损失远远大于直接损失的调查结论，在这里也得到了验证。同时，腐蚀的危害性和基础设施的耐久性问题，也应该从中得到一些启迪。 港工、水工工程 表1列出了我国以往一些科技工作者、工程技术人员，对水工、港工钢筋混凝土建（构）筑物，所进行的有关腐蚀与耐久性方面的调查资料与结果。由下表似可看出以下几点： ——我国海工、水工工程，在腐蚀和耐久性方面的确存在明显和严重问题（图3）。有的在几年、十几年内就必须修复或加固处理，有的几经修复也不能奏效，在达不到设计使用寿命（如40年）的情况下，不得不拆除或重建。我国的海工、水工工程，到底有多大比例达到或达不到设计寿命的要求，虽然没有确切的统计数据，但达不到设计使用寿要求显然是一个突出问题； ——影响耐久性的原因虽然是复杂和多方面的，而腐蚀、特别是钢筋腐蚀，是突出的因素，这与国外相关情况相类似； ——腐蚀破坏和不耐久，必然造成社会影响和带来巨大经济损失。由于没有统计数据，这里很难表达出来。就经济损失而言，按比例，至少不会比技术先进国家更低。 表1 我国部分水工、港工工程腐蚀与耐久性调查结果 序号 名称 年限 腐蚀情况 经济损失 备注 1 华东华南27座海港、引桥 60年代调查 其中腐蚀破坏占74% 不详 吴绍章等调查 2 华南18座海港码头、引桥 使用7-25年 其中腐蚀破坏89% 不详 洪定海等调查 3 22座混凝土水闸 使用7-15年 其中腐蚀破坏56% 不详 童保全等调查 4 61座混凝土水闸 使用在23年内 其中腐蚀破坏87% 不详 许冠绍等调查 5 连云港码头 第一码头、引桥 使用4-20年 其中腐蚀破坏84% 不详 单国良等调查 6 湛江码头 1956年建 79年检查(23年) 88年检查(32年) 63年明显腐蚀破坏并开始修复88年拆除 钢筋胀裂21% 钢筋胀裂91% 不详