[摘 要] 當(dāng)今世界建筑工程，仍以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主體。混凝土的耐久性已成為重大課題。在使用環(huán)境中，混凝土自身的腐蝕、特別是混凝土中鋼筋腐蝕，已是影響耐久性的主要因素。本文重點討論腐蝕與耐久性關(guān)系中，相關(guān)壽命預(yù)測方面的進展與難點問題。
[關(guān)鍵詞] 腐蝕 耐久性 壽命預(yù)測 經(jīng)濟分析
1． 引言
從1987年世界第一次混凝土耐久性會議召開以來，到2003年第六次國際混凝土耐久性會議在希臘召開，數(shù)年來，混凝土耐久性問題一直是世界關(guān)注的焦點之一。這是一個帶有普遍性、實際性問題，與國民經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展緊密相連。許多國家投入大量人力、物力，以期望解決這個世界性問題與難題，同時也取得長足的進展。
我國正在進行空前規(guī)模的土木工程建設(shè)，混凝土用量連續(xù)多年來處于世界第一位，混凝土的耐久性是我國面臨的重大而迫切的問題之一；同時，我國大量已有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，達不到設(shè)計壽命、過早破壞的問題也凸現(xiàn)出來。這是需要我們認真對待的。
混凝土耐久性研究，涉及到廣泛的技術(shù)、學(xué)術(shù)領(lǐng)域，其中，相關(guān)壽命預(yù)測的課題成為國內(nèi)外研究的熱點。壽命預(yù)測的必要性與重要性是不言而喻的。新建工程的設(shè)計階段，就需要以壽命預(yù)測作基礎(chǔ)，這種預(yù)測的準確度越高，該工程的壽命保障的可靠性就越大（反之也成）。
而對于已有工程，何時需要修復(fù)、修復(fù)后的耐久性如何等，也是需要預(yù)測的。
目前，世界上公布的混凝土耐久性壽命預(yù)測“模型”已經(jīng)有不少，更多的研究正在進行中。研究最多的“模型”，是與腐蝕相關(guān)，特別是有關(guān)鋼筋腐蝕與混凝土耐久性關(guān)系的“模型”研究，是最普遍和深入的。目前，進入工程使用的“模型”，多以氯離子引起鋼筋腐蝕為出發(fā)點。其中原因，正如梅塔教授（V. M. Malhotra）強調(diào)的那樣，鋼筋腐蝕是排名第一位的影響混凝土耐久性的因素。當(dāng)然，其他因素（凍融、堿集料、硫酸鹽等）也在研究之中。人們的研究已經(jīng)由單一因素向多因素發(fā)展，但其中的復(fù)雜性和難點是不能回避的。即使是單一因素（如氯離子），仍然有許多問題需要探討。正如一些學(xué)者指出的，目前，“模型”研究雖然取得了長足進展，但從工程使用的角度看，還仍然是“初步的”。各類“模型”的可靠性有很多差別。關(guān)鍵是大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與積累。僅有少量試驗室數(shù)據(jù)或靠“假設(shè)”所建立起來的“模型”，是很少有使用價值的。以下，以氯鹽引起鋼筋腐蝕的相關(guān)問題，進行討論與探討。
2．氯鹽引起鋼筋腐蝕與混凝土的耐久性
統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，美國近期每年的腐蝕損失達2760億美元，而其中基礎(chǔ)設(shè)施、公共設(shè)施的腐蝕損失占總損失的52%（http://www.exponent.com/practices/materials/corrosion_），這些設(shè)施大多以鋼筋混凝土為主體。據(jù)悉，美國因鋼筋腐蝕的成本（包括修復(fù)）每年超過1500億美元。鋼筋腐蝕是結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，這已經(jīng)是普遍接受的說法。混凝土中鋼筋腐蝕是基礎(chǔ)設(shè)施的主要威脅，是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要問題之一。
雖然引起鋼筋腐蝕的環(huán)境因素也是多方面的，而其中氯鹽的作用成為主要“元兇”（被稱作“鹽害”）。氯鹽主要來源于海洋環(huán)境、使用化冰鹽等，這在世界范圍都是廣泛存在的。有資料表明，美國因氯鹽因素所造成的經(jīng)濟損失，可占到GNP的4%( Parker 1, 1997)，因而，氯鹽環(huán)境不僅是影響混凝土耐久性的主要外在條件，同時也是個經(jīng)濟問題，成為技術(shù)界學(xué)者、經(jīng)濟界學(xué)者、政府官員與管理者共同關(guān)注的問題，是當(dāng)今國內(nèi)外研究的重點、熱點問題。
我國地域廣大，跨越亞熱帶到寒帶區(qū)段，從海洋性氣候到大陸性氣候，還有嚴重的環(huán)境污染等問題。我國北方廣大地區(qū)，冬季仍然是使用以氯鹽為主的“融雪劑”（不僅不“環(huán)保”，而且腐蝕性很強），我國內(nèi)陸、沿海還有不少“鹽漬土”地區(qū)?？偟恼f來，我國的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，面臨著比較嚴酷的腐蝕環(huán)境，特別是氯鹽腐蝕影響混凝土耐久性的問題，值得高度重視。
2000年我國發(fā)布了《建設(shè)工程質(zhì)量管理條理》（中華人民共和國國務(wù)院第279號令），首次以政令形式規(guī)定了“設(shè)計文件應(yīng)符合國家規(guī)定的設(shè)計深度要求，注明合理使用年限”“建設(shè)工程實行質(zhì)量保修制度……基礎(chǔ)設(shè)施工程最低保修期限為設(shè)計文件規(guī)定的該工程的合理使用年限”。這是國家對基礎(chǔ)設(shè)施工程的耐久性，提出了明確的要求。實際上是貫徹實施基礎(chǔ)設(shè)施工程的“全壽命責(zé)任制”，其意義是重大而深遠的，對我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性工作的研究與發(fā)展，已經(jīng)和正在起著巨大推動作用。
3． 氯鹽腐蝕預(yù)測“模型”與其可靠性討論
3.1“模型”依據(jù)
可能有不同的“壽命期”理解與定義，而對于氯鹽的影響，通常用圖1的“四階段論”（Cady-Weyers）和菲克第二定（Fick，公式1）作為依據(jù)律進行描述的。
按圖1，Clˉ導(dǎo)致鋼筋腐蝕結(jié)構(gòu)破壞大致可分為A、B、C、D 四個階段：
A——Clˉ進入混凝土中，在鋼筋表面達到“臨界值”（鋼筋開始腐蝕）；
B——鋼筋腐蝕發(fā)展，混凝土順筋開裂發(fā)生；
C——鋼筋腐蝕繼續(xù)發(fā)展、膨脹，導(dǎo)致混凝土剝落；
D——鋼筋腐蝕繼續(xù)發(fā)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效、破壞。
早期的研究者認為，要控制結(jié)構(gòu)的使用年限，控制第一階段是最重要、最實際的（后面三個階段是很難控制的難度大）。于是，早期絕大多數(shù)的“模型”創(chuàng)建者，均將第一階段的末端（鋼筋開始腐蝕）定義為“壽命期”（預(yù)示結(jié)構(gòu)應(yīng)該考慮修復(fù)了，并不等同于結(jié)構(gòu)實際使用壽命）。
另外一個理論依據(jù)（大多數(shù)的研究者贊同）是利用菲克定律來描述Cl— 在混凝土中擴散過程的，其簡單表達式是：
C（x, t）= C0(1-erf x/2√D0t ) (1)
式1中：
C（x, t）——經(jīng)過時間t達到混凝土深度x處的Cl—濃度；
C0——混凝土表面的Cl—濃度；
D0——Cl—擴散系數(shù)。
理論上講，只要知道混凝土表面的Cl—濃度C0、Cl—擴散系數(shù)D0，和鋼筋表面混凝土層的厚度，在確定一個“臨界值”的情況下，就可以計算出鋼筋開始腐蝕的時間（t）來，那么“壽命期”便是可推算和預(yù)知的了。
3.2“模型”可靠性、可用性分析
“模型”的真正意義在于它的可用性、可靠性。由公式1可以看出，“模型”與實際的符合程度，取決于C0、D0t的正確選擇和“臨界值”的恰當(dāng)確定。這幾個參數(shù)恰恰是問題的焦點與難點：
——C0 定義為混凝土表面的Cl—濃度（kg/m3），它應(yīng)該從現(xiàn)場實測中獲得?！艾F(xiàn)場”是復(fù)雜多變的，取樣方法與厚度不同、化驗分析方法不統(tǒng)一，C0 定量值很難準確化，比如，對于海洋飛濺區(qū)，以往研究者確認C0 的取值可能在10-18 kg/m3范圍內(nèi)。取值不同，則結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測值也不一樣；
——D0定義為Cl—擴散系數(shù)，可能由試驗室試驗確定或由現(xiàn)場分層取樣化驗分析確定。試驗與取樣方法的不同（相關(guān)試驗方法，目前存在著許多差異和爭論），可以得出相差很大結(jié)果，而準確地測定D0仍然是難題之一。何況實際中D0是隨時間、溫度等變化的，雖然近期的研究者已經(jīng)考慮的修正問題，但D0的公認測定方法、與實際的符合等，仍然是需要認真探討、研究的。
——C（x, t）定義為經(jīng)過時間t達到混凝土深度x處的Cl—濃度。如果C達到“臨界值”作為“模型”判斷“壽命期”的依據(jù)，那么，Cl—濃度“臨界值”的測量與確定就是至關(guān)重要的了。然而，恰恰是在此問題上，世界范圍的研究者存在著明顯的分歧和認識上的不一致。“臨界值”存在兩個方面的問題，其一是“到底應(yīng)該是多少？”，第二是用什么方法、手段確定。雖然Cl—濃度“臨界值”，可以用試驗或現(xiàn)場調(diào)查分析方法獲得，然而，不同試驗條件、不同方法，甚至不同混凝土配比和施工工藝等，都會影響“臨界值”和得到不一致的結(jié)果。理論研究者以Cl—/OH—為依據(jù)，給出的“臨界值”范圍為0.25-2.5（相差10倍），實際工作者以混凝土中Cl—含量為依據(jù)，給出的“臨界值”范圍在0.36-2.4 kg/m3）之間（相差6.6倍）。看來，隨便選定一個“臨界值”是不適當(dāng)?shù)?，而具體到工程應(yīng)用，準確地確定“臨界值”，并不是很容易的。
以上分析可見，工程實際中，以上幾個關(guān)鍵因子的確定都有其難點，因為每一個因子又受到多方面因素的影響與制約。需要做大量、深入、細致的試驗研究工作，獲取足夠的試驗室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)。只有認真、科學(xué)地對待、努力克服這些難點，才能使“模型”的可靠性、可用性得到實質(zhì)性的提高。
創(chuàng)建“模型”已經(jīng)成為“熱點”，但關(guān)鍵要有實用價值。根本問題還在于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累（數(shù)量、質(zhì)量）和試驗方法的可靠性、通用性，并最大限度的符合實際，更嚴肅、嚴格、嚴密的科學(xué)態(tài)度。國內(nèi)外研究者正在對準“熱點”努力攻關(guān)。
以上僅僅討論了圖1中以第一階段（鋼筋腐蝕開始）為“壽命期”的“模型”。有些研究者認為，以第二階段的終點（混凝土出現(xiàn)順裂紋）為“壽命期”更為合適（是決定修復(fù)的最好時機）。這種觀點逐漸得到認同，一批研究者已經(jīng)著手研究第二階段終點的確立、確認問題。研究者多已鋼筋腐蝕速度、銹層厚度、開裂時間等作為參數(shù)和判別依據(jù)，這方面同樣存在難點、乃至難度更大。比如，實際中鋼筋腐蝕速度是隨條件、時間變化的，銹蝕是不均勻的，混凝土開裂與許多因素都有關(guān)系（厚度、配筋等），怎樣總合考慮這些問題，正是研究者所關(guān)注的。同時，需要大量現(xiàn)場調(diào)查、長時期實物試驗和可靠的試驗室試驗方法進行的數(shù)據(jù)積累、統(tǒng)計、優(yōu)化，才可獲得有價值的“模型”。
另外一個重要問題是，實際中混凝土不可避免的存在微觀、宏觀裂縫。而圖1的“四階段論”和菲克第二定律（公式1），僅使用于無裂紋的情況（這是理想狀態(tài)）。實際中，需要考慮裂紋存在下的“模型”，這又給可用性“模型”的創(chuàng)建帶來新的挑戰(zhàn)。
人們并沒有知難而退，世界上有一批科學(xué)工作者正在不懈努力，有的已經(jīng)創(chuàng)建了有使用價值的“模型”（已經(jīng)納入一些國家的規(guī)程、規(guī)范、指南等），并且正在考慮、研究多因素的影響。國內(nèi)研究比較分散，但也在為此而努力。
4．“模型”的發(fā)展與應(yīng)用
國內(nèi)外對以基礎(chǔ)設(shè)施為主的混凝土結(jié)構(gòu)，提出50-100年的使用年限要求（如跨江、跨海大橋、重要場館等），有些要求年限更長（如水電、核電站等）。在氯鹽環(huán)境下（海洋環(huán)境、使用化冰鹽），實踐證明，達到所期望的使用年限并不是容易的。首先必須從設(shè)計者做起（設(shè)計階段就考慮到耐久性問題與選擇保障措施）。而壽命預(yù)測“模型”是設(shè)計者的幫手和依靠工具?！澳Ｐ汀钡牡谝还δ苁菐椭_立“壽命期”（或修復(fù)期）；第二功能與任務(wù)是優(yōu)選延長結(jié)構(gòu)壽命的措施。第二點應(yīng)該著重強調(diào)，因為它包含了實現(xiàn)長壽命的許多具體技術(shù)措施，如混凝土方面，包括水泥品種、水灰比、混凝土層厚，摻加硅粉、粉煤灰、阻銹劑等（高性能混凝土）；鋼筋方面包括普通鋼筋、耐蝕鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋、非金屬鋼筋等；還有混凝土外涂層、陰極保護等。
