[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?；炷恋哪途眯砸殉蔀橹卮笳n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(diǎn)討論腐蝕與耐久性關(guān)系中，相關(guān)壽命預(yù)測(cè)方面的進(jìn)展與難點(diǎn)問(wèn)題。
[關(guān)鍵詞] 腐蝕 耐久性 壽命預(yù)測(cè) 經(jīng)濟(jì)分析
1． 引言
從1987年世界第一次混凝土耐久性會(huì)議召開(kāi)以來(lái)，到2003年第六次國(guó)際混凝土耐久性會(huì)議在希臘召開(kāi)，數(shù)年來(lái)，混凝土耐久性問(wèn)題一直是世界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。這是一個(gè)帶有普遍性、實(shí)際性問(wèn)題，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展緊密相連。許多國(guó)家投入大量人力、物力，以期望解決這個(gè)世界性問(wèn)題與難題，同時(shí)也取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。
我國(guó)正在進(jìn)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(lái)處于世界第一位，混凝土的耐久性是我國(guó)面臨的重大而迫切的問(wèn)題之一；同時(shí)，我國(guó)大量已有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命、過(guò)早破壞的問(wèn)題也凸現(xiàn)出來(lái)。這是需要我們認(rèn)真對(duì)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(cè)的課題成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。壽命預(yù)測(cè)的必要性與重要性是不言而喻的。新建工程的設(shè)計(jì)階段，就需要以壽命預(yù)測(cè)作基礎(chǔ)，這種預(yù)測(cè)的準(zhǔn)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(duì)于已有工程，何時(shí)需要修復(fù)、修復(fù)后的耐久性如何等，也是需要預(yù)測(cè)的。
目前，世界上公布的混凝土耐久性壽命預(yù)測(cè)“模型”已經(jīng)有不少，更多的研究正在進(jìn)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(jìn)入工程使用的“模型”，多以氯離子引起鋼筋腐蝕為出發(fā)點(diǎn)。其中原因，正如梅塔教授（V. M. Malhotra）強(qiáng)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(diǎn)是不能回避的。即使是單一因素（如氯離子），仍然有許多問(wèn)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(zhǎng)足進(jìn)展，但從工程使用的角度看，還仍然是“初步的”。各類(lèi)“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(yàn)室數(shù)據(jù)或靠“假設(shè)”所建立起來(lái)的“模型”，是很少有使用價(jià)值的。以下，以氯鹽引起鋼筋腐蝕的相關(guān)問(wèn)題，進(jìn)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(jì)數(shù)據(jù)表明，美國(guó)近期每年的腐蝕損失達(dá)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(guó)因鋼筋腐蝕的成本（包括修復(fù)）每年超過(guò)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(shuō)法?；炷林袖摻罡g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(wèn)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(lái)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(guó)因氯鹽因素所造成的經(jīng)濟(jì)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(shí)也是個(gè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，成為技術(shù)界學(xué)者、經(jīng)濟(jì)界學(xué)者、政府官員與管理者共同關(guān)注的問(wèn)題，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)、熱點(diǎn)問(wèn)題。
我國(guó)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(yán)重的環(huán)境污染等問(wèn)題。我國(guó)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(qiáng)），我國(guó)內(nèi)陸、沿海還有不少“鹽漬土”地區(qū)?？偟恼f(shuō)來(lái)，我國(guó)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，面臨著比較嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境，特別是氯鹽腐蝕影響混凝土耐久性的問(wèn)題，值得高度重視。
2000年我國(guó)發(fā)布了《建設(shè)工程質(zhì)量管理?xiàng)l理》（中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院第279號(hào)令），首次以政令形式規(guī)定了“設(shè)計(jì)文件應(yīng)符合國(guó)家規(guī)定的設(shè)計(jì)深度要求，注明合理使用年限”“建設(shè)工程實(shí)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(jì)文件規(guī)定的該工程的合理使用年限”。這是國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施工程的耐久性，提出了明確的要求。實(shí)際上是貫徹實(shí)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(yuǎn)的，對(duì)我國(guó)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(dòng)作用。
3． 氯鹽腐蝕預(yù)測(cè)“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(duì)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(jìn)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(gè)階段：
A——Clˉ進(jìn)入混凝土中，在鋼筋表面達(dá)到“臨界值”（鋼筋開(kāi)始腐蝕）；
B——鋼筋腐蝕發(fā)展，混凝土順筋開(kāi)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(rèn)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(shí)際的（后面三個(gè)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(kāi)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(shí)際使用壽命）。
另外一個(gè)理論依據(jù)（大多數(shù)的研究者贊同）是利用菲克定律來(lái)描述Cl— 在混凝土中擴(kuò)散過(guò)程的，其簡(jiǎn)單表達(dá)式是：
C（x, t）= C0(1-erf x/2√D0t ) (1)
式1中：
C（x, t）——經(jīng)過(guò)時(shí)間t達(dá)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(kuò)散系數(shù)。
理論上講，只要知道混凝土表面的Cl—濃度C0、Cl—擴(kuò)散系數(shù)D0，和鋼筋表面混凝土層的厚度，在確定一個(gè)“臨界值”的情況下，就可以計(jì)算出鋼筋開(kāi)始腐蝕的時(shí)間（t）來(lái)，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(shí)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(gè)參數(shù)恰恰是問(wèn)題的焦點(diǎn)與難點(diǎn)：
——C0 定義為混凝土表面的Cl—濃度（kg/m3），它應(yīng)該從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中獲得?！艾F(xiàn)場(chǎng)”是復(fù)雜多變的，取樣方法與厚度不同、化驗(yàn)分析方法不統(tǒng)一，C0 定量值很難準(zhǔn)確化，比如，對(duì)于海洋飛濺區(qū)，以往研究者確認(rèn)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(cè)值也不一樣；
——D0定義為Cl—擴(kuò)散系數(shù)，可能由試驗(yàn)室試驗(yàn)確定或由現(xiàn)場(chǎng)分層取樣化驗(yàn)分析確定。試驗(yàn)與取樣方法的不同（相關(guān)試驗(yàn)方法，目前存在著許多差異和爭(zhēng)論），可以得出相差很大結(jié)果，而準(zhǔn)確地測(cè)定D0仍然是難題之一。何況實(shí)際中D0是隨時(shí)間、溫度等變化的，雖然近期的研究者已經(jīng)考慮的修正問(wèn)題，但D0的公認(rèn)測(cè)定方法、與實(shí)際的符合等，仍然是需要認(rèn)真探討、研究的。
——C（x, t）定義為經(jīng)過(guò)時(shí)間t達(dá)到混凝土深度x處的Cl—濃度。如果C達(dá)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(cè)量與確定就是至關(guān)重要的了。然而，恰恰是在此問(wèn)題上，世界范圍的研究者存在著明顯的分歧和認(rèn)識(shí)上的不一致?！芭R界值”存在兩個(gè)方面的問(wèn)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(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析方法獲得，然而，不同試驗(yàn)條件、不同方法，甚至不同混凝土配比和施工工藝等，都會(huì)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(shí)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(lái)，隨便選定一個(gè)“臨界值”是不適當(dāng)?shù)?，而具體到工程應(yīng)用，準(zhǔn)確地確定“臨界值”，并不是很容易的。
以上分析可見(jiàn)，工程實(shí)際中，以上幾個(gè)關(guān)鍵因子的確定都有其難點(diǎn)，因?yàn)槊恳粋€(gè)因子又受到多方面因素的影響與制約。需要做大量、深入、細(xì)致的試驗(yàn)研究工作，獲取足夠的試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。只有認(rèn)真、科學(xué)地對(duì)待、努力克服這些難點(diǎn)，才能使“模型”的可靠性、可用性得到實(shí)質(zhì)性的提高。
創(chuàng)建“模型”已經(jīng)成為“熱點(diǎn)”，但關(guān)鍵要有實(shí)用價(jià)值。根本問(wèn)題還在于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累（數(shù)量、質(zhì)量）和試驗(yàn)方法的可靠性、通用性，并最大限度的符合實(shí)際，更嚴(yán)肅、嚴(yán)格、嚴(yán)密的科學(xué)態(tài)度。國(guó)內(nèi)外研究者正在對(duì)準(zhǔn)“熱點(diǎn)”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(kāi)始）為“壽命期”的“模型”。有些研究者認(rèn)為，以第二階段的終點(diǎn)（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(shí)機(jī)）。這種觀點(diǎn)逐漸得到認(rèn)同，一批研究者已經(jīng)著手研究第二階段終點(diǎn)的確立、確認(rèn)問(wèn)題。研究者多已鋼筋腐蝕速度、銹層厚度、開(kāi)裂時(shí)間等作為參數(shù)和判別依據(jù)，這方面同樣存在難點(diǎn)、乃至難度更大。比如，實(shí)際中鋼筋腐蝕速度是隨條件、時(shí)間變化的，銹蝕是不均勻的，混凝土開(kāi)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(wèn)題，正是研究者所關(guān)注的。同時(shí)，需要大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、長(zhǎng)時(shí)期實(shí)物試驗(yàn)和可靠的試驗(yàn)室試驗(yàn)方法進(jìn)行的數(shù)據(jù)積累、統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化，才可獲得有價(jià)值的“模型”。
另外一個(gè)重要問(wèn)題是，實(shí)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(wú)裂紋的情況（這是理想狀態(tài)）。實(shí)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(lái)新的挑戰(zhàn)。
人們并沒(méi)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(jià)值的“模型”（已經(jīng)納入一些國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(chǎng)館等），有些要求年限更長(zhǎng)（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(shí)踐證明，達(dá)到所期望的使用年限并不是容易的。首先必須從設(shè)計(jì)者做起（設(shè)計(jì)階段就考慮到耐久性問(wèn)題與選擇保障措施）。而壽命預(yù)測(cè)“模型”是設(shè)計(jì)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命的措施。第二點(diǎn)應(yīng)該著重強(qiáng)調(diào)，因?yàn)樗藢?shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(hù)等。
