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[分享] 海盐腐蚀与钢筋混凝土结构物寿命 《青岛海湾大桥防腐蚀技术研讨会及中国工程院科技论坛》特邀报告

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[复制链接] 只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2011-07-05
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。
[b]凯排啊,窝咬验牌-----by Pierre Cashon [/b]
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只看该作者 沙发  发表于: 2011-07-05
前两天刚跑完大桥和隧道,感觉不错