海盐腐蚀与钢筋混凝土结构物寿命
洪乃丰
[摘 要] 海洋环境是广泛存在的，当今世界的大型建筑工程、跨海桥等，多以钢筋混凝土结构为主体，而在海洋环境下，海盐腐蚀成为影响混凝土的耐久性和使用寿命的重大问题。钢筋腐蚀是主要影响因素和钢筋混凝土结构的主要破坏形式，而海盐中的氯离子又是导致钢筋腐蚀的主要元凶。本文重点概述氯盐的腐及对耐久性的影响，讨论寿命预测的的相关问题和寿命与经济分析。
[关键词] 海盐 氯盐腐蚀 混凝土耐久性 寿命预测 经济分析
1 引言
混凝土耐久性是当今世界的大问题，特别是海工工程、跨海大桥等，如果期望获得50年、一百年乃至更长的使用寿命，就不能不高度重视和认真解决“耐久性”的问题。这不仅是技术问题，还是一个经济、长远效益和与能源、资源相关的问题。
目前，国内外，钢筋混凝土结构依然是工程结构的主体，特别是大型公共基础设施，钢筋混凝土是主要材料与结构形式。而基础设施是国家的经济命脉，其耐久性足以影响国民经济与可持续发展。
影响“耐久性”的因素是多方面和复杂的。然而，在海洋环境下，海盐的腐蚀无疑是一个突出因素。著名专家梅塔（P.K. Mehta）教授，2001年以“21世纪建筑结构的耐久性”为名，文章，仍坚持认为“钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构破坏的主要原因”。虽然引起钢筋腐蚀的环境因素也是多方面的，而在海洋环境下，海盐、特别是氯盐，是导致钢筋腐蚀的主导因素。
自从1987年世界第一次混凝土耐久性会议召开以来，混凝土耐久性问题一直是世界关注的焦点之一，而桥梁、特别是跨海大桥的耐久性、使用寿命问题，更是国内外研究的热点，成为技术学术界、经济界学者、政府官员与管理者共同关注的问题。
我国正在进行空前规模的土木工程建设，混凝土用量连续多年来处于世界第一位。近几年来，大型海工工程、跨海桥（如东海大桥、杭州桥等）已经建成或正在建设中。本人曾几次参与跨海桥腐蚀、耐久性和设计寿命等的讨论、方案论证，相关“寿命”的话题，讨论与论证的核心往往集中在氯盐腐蚀与结构寿命、耐久性方面。可以说，跨海桥的寿命在一定程度上取决与氯盐腐蚀和防护措施的有效性。由此可以看出，腐蚀防护在海工工程、跨海桥等大型土木工程中的重要作用。
在海洋环境腐蚀控制和凝土的耐久性研究和工程实践方面，取得了长足的进步，在赶超世界先进水平方面，取得重大的业绩；而另一方面，也还是面临一些问题和明显差距。这些是需要国人继续努力解决，特别是腐蚀防护工作者，面临着机遇与挑战。国外因海盐腐蚀造成的巨大经济损失，我国也积累了自己的经验和教训，腐蚀与耐久性的关系逐步得到重视。2000年，我国发布了《建设工程质量管理条理》（中华人民共和国国务院第279号令），首次以政令形式规定了建设工程的使用年限问题，实际上就是对建设工程的耐久性提出了明确要求。在此基础上，大型工程的寿命保证，成为设计、施工、管理者的共同责任。腐蚀、耐久性、寿命预测等，也成为国内研究者的热点
美国政府曾提出要与“盐害”作斗争，要求采取“以防为主”的长远战略，倡导先行、主动采取旨在提高耐久性的技术措施，以减少后来在修复中的高花费（维修费是初建费的数倍！）。在此背景下，对重要建设项目，不许执行“全寿命经济分析法”（Total Life Cycle Economy Analysis）。世界一些国家也在实施“全寿命经济分析法”。我国的研究者、设计、施工、管理人员，也正在对腐蚀——耐久性——经济——效能等综合技术与法规进行研究与发展。
2 海盐腐蚀与氯盐（Clˉ）的主导作用
我国岸线长并有大量岛屿，南方高温高湿，北方存在冻融问题。海水、海风、海雾中所含的海盐将对混凝土结构造成腐蚀破坏。我国早期的调查资料表明，处于海洋环境下的混凝土结构腐蚀破坏严重、耐久性问题突出。
海水成分复杂，但就腐蚀而言，最重要的是海盐的贡献。海水中约含3%的海盐，其中氯盐、硫酸盐、镁盐是对钢筋混凝土有腐蚀破坏作用的，海水中氯盐含量最多，以氯离子计（Clˉ）约为19300ppm，混凝土中对钢筋的腐蚀破坏是最为关键的因素。海水中SO4—、Mg++分别约为2000—2500和1000—1300ppm.
与Clˉ的破坏作用不同，SO4—和Mg++主要是对混凝土有腐蚀破坏作用（作用机理暂不阐述），但就混凝土耐久性影响而言，海水中SO4—、Mg++的作用是次要的。
虽然海水中Clˉ的含量范围，按照国内外相关规范的规定，对混凝土可达到“中等腐蚀”的程度，但由于大量Clˉ的存在,并争先与水泥中的铝酸钙（C3A）起反应，降低了硫酸盐与铝酸钙（C3A）反应的几率，从而减少了生成硫铝酸盐的量。而生成硫铝酸盐和由此引起的体积膨胀，正是硫酸盐破坏混凝土的主要机理。大量工程实践也证明，在海水环境下，硫酸盐的腐蚀作用（受到氯盐的拟制）没有表现为明显的问题，主要问题还是氯盐Clˉ）对混凝土中钢筋的腐蚀危害，也是腐蚀防护的重点。
某些地方硫酸盐的含量比较高（如滨海盐渍土）、有盐结晶的部位，考虑防硫酸盐对混凝土的腐蚀破坏的技术对策是必要的。此外，硫酸盐（SO4—）也促进钢筋腐蚀（只是不及Clˉ的腐蚀性强）。当氯盐和硫酸盐含量都比较高的情况下，对钢筋、混凝土的破坏作用会更大，需要加大防护措施的力度。
一般说来，在海洋环境下，海盐对钢筋混凝土（包括钢结构），主要是氯盐（Clˉ）的腐蚀破坏作用，主要体现在钢筋腐蚀方面，这是影响结构耐久性和使用寿命的主要因素，也是腐蚀防护的重点。
就海洋与滨海钢筋混凝土结构的耐久性而言，除直接接触海水之外，海风、海雾的影响也是值得高度重视的。大量实践表明，潮差、飞溅区以上暴露于大气中的钢筋混凝土，其内钢筋腐蚀也往往是严重的（如跨海桥的上部结构、桥面板等），由于带盐的海风、海雾频繁地接触混凝土表面，混凝土表面的氯盐也会被“浓缩”。这些部位表面混凝土的氯离子（Cl—）浓度，虽然不及飞溅区，但也可达到相当浓度（与离海水远近有关）。而这些部位氧气、水气供给充足，有利于钢筋腐蚀的发生与发展，因此也应该是防护的重点之一。一些跨海或滨海桥梁工程忽视了对这些部位的防护，结果造成结构物的过早破坏，国内外不乏事例。
此外，海洋环境的温度、湿度、氧的供应程度等，都对氯盐腐蚀起着推动作用。我国南方的高温、高湿，北方的冻融条件，更是氯盐腐蚀的苛刻环境。
3．以Cl—腐蚀为依据的混凝土耐久性模型与发展
对于影响混凝土耐久性的诸因素（中性化、冻融、碱集料反应、钢筋锈蚀等），都是世人研究的对象，并力图建立可用于设计考虑的模型。其中研究最多、较为成熟、可资应用的模型，当首属氯盐导致钢筋锈蚀、从而影响混凝土耐久性的模型（国内外已经提出多个这样的模型）。以下是与建立“模型”相关的概念与理论依据。
3．1 创立“模型”的必要性和目标
重要工程钢筋混凝土结构的耐久性，已经成为设计者必须考虑的问题。在海洋环境中既然Cl—是主要影响因素，建立相关“模型”，以预测Cl—是的作用与结构寿命的关系，是十分重要和必要的。特别是不同防护方法、体系的选择与对比、经济分析与比较，对于工程业主、设计者乃至研究者，“模型”将是最简洁、有效的工具。“模型”的第一功能是帮助确立“寿命期”（或修复期）；第二功能与任务是优选延长结构寿命的措施。第二点应该着重强调，因为它包含了实现长寿命的许多具体技术措施，如混凝土方面，包括水泥品种、水灰比、混凝土层厚，掺加硅粉、粉煤灰、阻锈剂等（高性能混凝土）；钢筋方面包括普通钢筋、耐蚀钢筋、环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋、非金属钢筋等；还有混凝土外涂层、阴极保护等。有些技术可以达到100年以上的寿命，但还有经济可行性问题，能源、资源问题等。这就需要预测、优选，从而确认初始防护措施、最优修复时机与方法等，最终达到在结构使用寿命期内总花费最少的目的（保证寿命前提下技术、经济合理）。因此，寿命预测“模型”的最终任务，是帮助实现“全寿命经济分析”。
3．2“模型”可靠性、可用性与难点
创建“模型”已经成为“热点”，但关键要有实用价值。根本问题还在于基础数据的积累（数量、质量）和试验方法的可靠性、通用性，并最大限度的符合实际。即使是仅仅考虑Cl—扩散影响这一单一因素（费克定律），仅靠少数简单的试验确定C0 、D0和腐蚀临界值（甚至任意选用），这样的“模型”是很少有使用价值的。比如，实际中C0 、D0是随条件、时间变化的，混凝土是是不均匀的，特别是混凝土裂缝是不能忽略的。怎样总合考虑这些问题，正是研究者所关注的。同时，需要大量现场调查、长时期实物试验和可靠的试验室试验方法进行的数据积累、统计、优化，才可获得有价值的“模型”。
3．3“模型”的应用与发展
建立“模型”具有挑战性人们并没有知难而退，国内外一批科技工作者正在不懈努力，已经或正在创建更有使用价值的“模型”（已体现在一些国家的规程、规范、指南中）。
国内外对以基础设施为主的混凝土结构，提出50-100年的使用年限要求（如跨江、跨海大桥、重要场馆等），有些要求年限更长（如水电、核电站等）。实践证明，在氯盐环境下（海洋环境、），达到所期望的使用年限并不是容易的。首先必须从设计者做起，而寿命预测“模型”是设计者应备工具。设计工程师不是简单套用“模型”，还要与工程所处环境结合（温度、盐份、风向、波浪、湿度等），同时考虑变化性因素，从而综合评价、优选、确定提高耐久性的材料、工艺和方法，并实行寿命、经济的综合分析。
寿命预测“模型”科学还处在初始阶段。许多年前，主要靠经验，而后采用菲克第二定律，实验室测定扩散系数，发展到采用计算机技术，建立耐久性模型（DURIMODEL）作为腐蚀破坏的评估工具。
美国、欧洲、日本等国家，已经有一些“模型”可供应用（多以氯盐和临水环境为主）。美国混凝土学会（ACI）与几个单位联合，于1990年发展了Life365的早期模型，后经多次修正、补充，现已经广泛推荐用于氯盐环境的混凝土寿命预测。然而，此方法仅限于单一的扩散机理。最近几年，欧洲也发展了寿命预测模型，但也多是对腐蚀方面的预测。
近几年，多因素综合“模型”也在研究和发展中。如美国海军以海洋环境为主，制定了需经数年的庞大研究计划，目标是建立“复合型”预测模型，考虑的复合因素包括：
传质机理、微观裂纹、宏观裂纹、化学反应、内部环境、腐蚀开始、腐蚀发展、；暴露条、破坏机理等综合因素、多重作用的复合影响，以最大限度地接近实际条件，使模型功能达到如下应用目的：提供保护与修复策略；进行可靠度、全寿命经济分析（包括新结构与老结构）。
近期，美国海军推出了新的模型（SUMMA），可适用于新、老结构的寿命预测。所有防护技术都包括在模型内，还包括修复、防护技术。但使用者必须正确选择可变化因素，如混凝土配比、混凝土层厚、阻锈剂、各类钢筋、外涂层等。通过优选对比，得到给定寿命前提下的不同经济成本的比较，从中确定最低成本（或者最低维护成本者）。复合型“模型”，较之“单一型”有了突破性进展，但给“模型”使用者仍然留下很大空间，而且“模型”更着重于防腐蚀策略的选择和技术经济的优化，这需要使用者有选择、判断和正确决策的能力。
4．防氯盐（Cl—）腐蚀的主要技术措施
4．1 “基本措施”
——最大限度提高混凝土的密实性。优质混凝土、密实性混凝土、高性能混凝土等，都能提高阻挡Cl— 渗入混凝土中的能力，减缓Cl— 的扩散速度。从而延长了Cl— 到达钢筋表面并达到“临界值”的时间，这就延长了结构物的使用寿命。
——增加混凝土保护层厚度 ；
——最大限度地防止混凝土裂纹的产生
混凝土的裂纹（宏观、微观）是影响钢筋锈蚀和混凝土耐久性的最重要因素之一， 一些国家的规程、规范中对于裂纹有严格规定。6．3附加措施
4．2 附加措施
引用以下的文献，也许是有帮助的：
*恰当考虑耐久性设计，能很大程度延长结构寿命。高质量混凝土和适当保护层厚度是第一道防线。但是，世界经验表明，单靠混凝土质量和保护层作，不能保证长期的耐久性和腐蚀破坏的发生，尤其在严酷条件使用。在材料和施工质量上，混凝土裂纹和材料变异以及施工质量问题，损害了单用混凝土作为防护战略的实际效果。
附加措施的主要内容 包括：
——钢筋材质与钢筋涂层： 环氧涂层钢筋 镀锌钢筋 耐蚀合金钢钢筋 不锈钢钢筋等
—— 混凝土外加剂、掺合料： 钢筋阻锈剂 硅灰、其他外加剂、 密实剂、纤维填加等
—— 混凝土表面涂层：封闭、 硅酮类 涂料 聚合物灰浆 其他隔离、砌筑层 聚合物浸渍
——电化学方法 阴极保护、电化学除盐
——设计 选材、结构设计等
5采取防氯盐腐蚀措施的“全寿命经济分析”
5. 2 “全寿命经济分析法”
美国ISO标准（ Standard 15686）对“全寿命经济分析”给出的定义是：“它是工程项目费用的评估方法，旨在优选、对比实现寿命目标的不同措施，即包括初建成本也包括之后的一切运行、维护费用”。美国法典（USC）给LCCA的定义是“他是一个程序和方法，用于评估现行工程项目的总经济价值，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）。评估原则是保证寿命的前提下总花费最少”。
作为方法的简易表达式是：
NPV（当前值）= 初值 + ∑[ 1/（1+i ）nk ] （2）
K=1
n ——使用寿命（年）
i ——折扣率
比如计划项目是建设一座桥，寿命要求50年，工程项目总费用应该包括以下两部分：
（1） 工程初建费——土地购置、勘察设计、施工（材料、人工）等；
（2） 维持50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（如桥梁破坏延误交通带来的经济损失等，美国桥梁破坏的间接损失可达直接损失的10倍）。
以上两项之和“最小”的原则，贯彻于设计与工程投标的过程中并择优而取。
LCCA是两个层面很好结合，一方面是法律、政令必须执行，明确要求在确保基础设施的寿命的前提下，经济、技术合理，总花费最少；同时它又是一个可以具体操作的方法，是重要的投资评估和经济分析的可用技术。
以往一些钢筋混凝土工程项目，往往只考虑初建成本（甚至中标者是最低报价者）。之的耐久性问题，国家或相关部门不得不花费大量人力、财力进行修复工程。LCCA既可以拟制这种不合理的“短期行为”，又可以选择最佳技术、经济方案，使国家长远效益最大化。其指导思想是正确的，方法也是值得学习和借鉴的。
世界上不少国家已经实施LCCA法。“基础设施LCCA世界学术会议”已经召开过三次（分别在美国、日本、瑞典），作为方法仍在发展中，并已经有一些“模型”可供应用。以下是一则应用实例（来自
www.structuremag.org/）：
在海洋环境中设计使用寿命为75年的钢筋混凝土桩，对于采取不同防氯盐措施的LCCA成本对比结果列入表1。
表1 LCCA模型（DuraModel）分析结果
序号
措施种类
（t）“寿命期”（年）
每m3混凝土附加成本（美元）
每m3混凝土全寿命成本（美元）
1
普通钢筋混凝土
10
0.0
111
2
加20%粉煤灰
13
0.0
94
3
加7.5%硅灰
21
4.5
69
4
亚钙基阻锈剂
48
7.8
26
5
有机基阻锈剂
21
5.0
74
6
2+4
64
7.8
14
7
3+4
76
12.4
12.4
8
2+5
33
5.o
52
9
3+5
51
9.5
29
可以看出，在9组措施方案中，第7组可以满足75年的寿命要求，除了最初增加一些费用之外，没有后期修复费用、总花费最少，其次是第6组较优。而普通钢筋混凝土（第1组），没有预先采取防氯盐措施，氯离子达到临界浓度的时间（“寿命期”）只有10年，要保持75年使用寿命，必须进行多次修复，其总花费最多（约是第7组的9倍）。
不同的方案的对比结果，可供业主和设计者选择，从而显示了长远的效益的最大化，这正是实施LCCA法的目的。
应该看到，使用LCCA法需要许多基础数据，例如混凝土材料性能（水泥质量、用量、水胶比、掺合料、外加剂、复层厚度等），环境因素的长期、可靠数据（氯离子扩散系数、表面浓度、临界浓度、温湿度影响等）以及经济因素（价格因素、折扣率等）。缺乏相关数据和数据不可靠，不能期望LCCA的正确结果。我国的材料、环境、经济因素等与国外有明显差异，需要创建符合我国国情的LCCA方法，这是一件复杂、长期的任务，需要政府支持、多部门合作可取得发展。
6．简要结语
混凝土耐久性是足以影响国家可持续发展的大问题，已经引起国内外的重视。腐蚀、特别是氯盐对钢筋的腐蚀，是影响海洋工程、跨海桥混凝土耐久性的第一位因素。
已经有一些防护措施可供选择（基本措施+附加措施），需要精心设计、精心施工，努力做到技术可靠、经济合理，在保证寿命的前提下花钱最少。
