转：腐蚀与混凝土耐久性预测的发展和难点讨论
. L$ E6 L4 D) B' a/ v& C2 w$ A[摘 要] 当今世界建筑工程，仍以钢筋混凝土结构为主体。混凝土的耐久性已成为重大课题。在使用环境中，混凝土自身的腐蚀、特别是混凝土中钢筋腐蚀，已是影响耐久性的主要因素。本文重点讨论腐蚀与耐久性关系中，相关寿命预测方面的进展与难点问题。 [关键词] 腐蚀 耐久性 寿命预测 经济分析 1． 引言 从1987年世界第一次混凝土耐久性会议召开以来，到2003年第六次国际混凝土耐久性会议在希腊召开，数年来，混凝土耐久性问题一直是世界关注的焦点之一。这是一个带有普遍性、实际性问题，与国民经济和可持续发展紧密相连。许多国家投入大量人力、物力，以期望解决这个世界性问题与难题，同时也取得长足的进展。
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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，混凝土的耐久性是我国面临的重大而迫切的问题之一；同时，我国大量已有的钢筋混凝土结构，达不到设计寿命、过早破坏的问题也凸现出来。这是需要我们认真对待的。
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混凝土耐久性研究，涉及到广泛的技术、学术领域，其中，相关寿命预测的课题成为国内外研究的热点。寿命预测的必要性与重要性是不言而喻的。新建工程的设计阶段，就需要以寿命预测作基础，这种预测的准确度越高，该工程的寿命保障的可靠性就越大（反之也成）。
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而对于已有工程，何时需要修复、修复后的耐久性如何等，也是需要预测的。
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目前，世界上公布的混凝土耐久性寿命预测“模型”已经有不少，更多的研究正在进行中。研究最多的“模型”，是与腐蚀相关，特别是有关钢筋腐蚀与混凝土耐久性关系的“模型”研究，是最普遍和深入的。目前，进入工程使用的“模型”，多以氯离子引起钢筋腐蚀为出发点。其中原因，正如梅塔教授（V. M. Malhotra）强调的那样，钢筋腐蚀是排名第一位的影响混凝土耐久性的因素。当然，其他因素（冻融、碱集料、硫酸盐等）也在研究之中。人们的研究已经由单一因素向多因素发展，但其中的复杂性和难点是不能回避的。即使是单一因素（如氯离子），仍然有许多问题需要探讨。正如一些学者指出的，目前，“模型”研究虽然取得了长足进展，但从工程使用的角度看，还仍然是“初步的”。各类“模型”的可靠性有很多差别。关键是大量基础数据的采集与积累。仅有少量试验室数据或靠“假设”所建立起来的“模型”，是很少有使用价值的。以下，以氯盐引起钢筋腐蚀的相关问题，进行讨论与探讨。
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2．氯盐引起钢筋腐蚀与混凝土的耐久性
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统计数据表明，美国近期每年的腐蚀损失达2760亿美元，而其中基础设施、公共设施的腐蚀损失占总损失的52%（
http://www.exponent.com/practices/materials/corrosion_），这些设施大多以钢筋混凝土为主体。据悉，美国因钢筋腐蚀的成本（包括修复）每年超过1500亿美元。钢筋腐蚀是结构破坏的主要原因，这已经是普遍接受的说法。混凝土中钢筋腐蚀是基础设施的主要威胁，是混凝土结构耐久性的主要问题之一。
. S7 a, I* `' E1 a; c 虽然引起钢筋腐蚀的环境因素也是多方面的，而其中氯盐的作用成为主要“元凶”（被称作“盐害”）。氯盐主要来源于海洋环境、使用化冰盐等，这在世界范围都是广泛存在的。有资料表明，美国因氯盐因素所造成的经济损失，可占到GNP的4%( Parker 1, 1997)，因而，氯盐环境不仅是影响混凝土耐久性的主要外在条件，同时也是个经济问题，成为技术界学者、经济界学者、政府官员与管理者共同关注的问题，是当今国内外研究的重点、热点问题。
9 y$ e& V; g( A% i" I 我国地域广大，跨越亚热带到寒带区段，从海洋性气候到大陆性气候，还有严重的环境污染等问题。我国北方广大地区，冬季仍然是使用以氯盐为主的“融雪剂”（不仅不“环保”，而且腐蚀性很强），我国内陆、沿海还有不少“盐渍土”地区。总的说来，我国的钢筋混凝土结构，面临着比较严酷的腐蚀环境，特别是氯盐腐蚀影响混凝土耐久性的问题，值得高度重视。
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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“设计文件应符合国家规定的设计深度要求，注明合理使用年限”“建设工程实行质量保修制度……基础设施工程最低保修期限为设计文件规定的该工程的合理使用年限”。这是国家对基础设施工程的耐久性，提出了明确的要求。实际上是贯彻实施基础设施工程的“全寿命责任制”，其意义是重大而深远的，对我国混凝土结构耐久性工作的研究与发展，已经和正在起着巨大推动作用。
# i) B* m6 }4 ]$ G7 u6 y1 J8 s4 L3． 氯盐腐蚀预测“模型”与其可靠性讨论 3.1“模型”依据 可能有不同的“寿命期”理解与定义，而对于氯盐的影响，通常用图1的“四阶段论”（Cady-Weyers）和菲克第二定（Fick，公式1）作为依据律进行描述的。 按图1，Clˉ导致钢筋腐蚀结构破坏大致可分为A、B、C、D 四个阶段： A——Clˉ进入混凝土中，在钢筋表面达到“临界值”（钢筋开始腐蚀）； B——钢筋腐蚀发展，混凝土顺筋开裂发生； C——钢筋腐蚀继续发展、膨胀，导致混凝土剥落； D——钢筋腐蚀继续发展，最终导致结构失效、破坏。 早期的研究者认为，要控制结构的使用年限，控制第一阶段是最重要、最实际的（后面三个阶段是很难控制的难度大）。于是，早期绝大多数的“模型”创建者，均将第一阶段的末端（钢筋开始腐蚀）定义为“寿命期”（预示结构应该考虑修复了，并不等同于结构实际使用寿命）。 另外一个理论依据（大多数的研究者赞同）是利用菲克定律来描述Cl— 在混凝土中扩散过程的，其简单表达式是： C（x, t）= C0(1-erf x/2√D0t ) (1) 式1中： C（x, t）——经过时间t达到混凝土深度x处的Cl—浓度； C0——混凝土表面的Cl—浓度； D0——Cl—扩散系数。 理论上讲，只要知道混凝土表面的Cl—浓度C0、Cl—扩散系数D0，和钢筋表面混凝土层的厚度，在确定一个“临界值”的情况下，就可以计算出钢筋开始腐蚀的时间（t）来，那么“寿命期”便是可推算和预知的了。
$ Q5 D: d; A V) ` ~( M5 H0 s3.2“模型”可靠性、可用性分析
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“模型”的真正意义在于它的可用性、可靠性。由公式1可以看出，“模型”与实际的符合程度，取决于C0、D0t的正确选择和“临界值”的恰当确定。这几个参数恰恰是问题的焦点与难点： ——C0 定义为混凝土表面的Cl—浓度（kg/m3），它应该从现场实测中获得。“现场”是复杂多变的，取样方法与厚度不同、化验分析方法不统一，C0 定量值很难准确化，比如，对于海洋飞溅区，以往研究者确认C0 的取值可能在10-18 kg/m3范围内。取值不同，则结构寿命预测值也不一样； ——D0定义为Cl—扩散系数，可能由试验室试验确定或由现场分层取样化验分析确定。试验与取样方法的不同（相关试验方法，目前存在着许多差异和争论），可以得出相差很大结果，而准确地测定D0仍然是难题之一。何况实际中D0是随时间、温度等变化的，虽然近期的研究者已经考虑的修正问题，但D0的公认测定方法、与实际的符合等，仍然是需要认真探讨、研究的。 ——C（x, t）定义为经过时间t达到混凝土深度x处的Cl—浓度。如果C达到“临界值”作为“模型”判断“寿命期”的依据，那么，Cl—浓度“临界值”的测量与确定就是至关重要的了。然而，恰恰是在此问题上，世界范围的研究者存在着明显的分歧和认识上的不一致。“临界值”存在两个方面的问题，其一是“到底应该是多少？”，第二是用什么方法、手段确定。虽然Cl—浓度“临界值”，可以用试验或现场调查分析方法获得，然而，不同试验条件、不同方法，甚至不同混凝土配比和施工工艺等，都会影响“临界值”和得到不一致的结果。理论研究者以Cl—/OH—为依据，给出的“临界值”范围为0.25-2.5（相差10倍），实际工作者以混凝土中Cl—含量为依据，给出的“临界值”范围在0.36-2.4 kg/m3）之间（相差6.6倍）。看来，随便选定一个“临界值”是不适当的，而具体到工程应用，准确地确定“临界值”，并不是很容易的。
) `8 q# x8 t5 j& n2 e" Q* @3 ^" K/ o8 C 以上分析可见，工程实际中，以上几个关键因子的确定都有其难点，因为每一个因子又受到多方面因素的影响与制约。需要做大量、深入、细致的试验研究工作，获取足够的试验室和现场数据。只有认真、科学地对待、努力克服这些难点，才能使“模型”的可靠性、可用性得到实质性的提高。 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，更严肃、严格、严密的科学态度。国内外研究者正在对准“热点”努力攻关。
5 ~8 n7 U6 K; p1 y% [1 v 以上仅仅讨论了图1中以第一阶段（钢筋腐蚀开始）为“寿命期”的“模型”。有些研究者认为，以第二阶段的终点（混凝土出现顺裂纹）为“寿命期”更为合适（是决定修复的最好时机）。这种观点逐渐得到认同，一批研究者已经着手研究第二阶段终点的确立、确认问题。研究者多已钢筋腐蚀速度、锈层厚度、开裂时间等作为参数和判别依据，这方面同样存在难点、乃至难度更大。比如，实际中钢筋腐蚀速度是随条件、时间变化的，锈蚀是不均匀的，混凝土开裂与许多因素都有关系（厚度、配筋等），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”。
- G5 f: x- ]4 h% m. z; M) _, |& D 另外一个重要问题是，实际中混凝土不可避免的存在微观、宏观裂缝。而图1的“四阶段论”和菲克第二定律（公式1），仅使用于无裂纹的情况（这是理想状态）。实际中，需要考虑裂纹存在下的“模型”，这又给可用性“模型”的创建带来新的挑战。
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人们并没有知难而退，世界上有一批科学工作者正在不懈努力，有的已经创建了有使用价值的“模型”（已经纳入一些国家的规程、规范、指南等），并且正在考虑、研究多因素的影响。国内研究比较分散，但也在为此而努力。
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4．“模型”的发展与应用
- @: J, a- _" @ 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）。在氯盐环境下（海洋环境、使用化冰盐），实践证明，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（设计阶段就考虑到耐久性问题与选择保障措施）。而寿命预测“模型”是设计者的帮手和依靠工具。“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。
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更多>> Developmengt and difficulty of forecost for corrosion and duribility of congcret
( Z! B4 @, C5 J. J4 V9 }" rHONG Naifeng （Central Research Institute of Building and construction of MCC Group,Beijing lO0088,China）Abstract:The concrete structure is principal part in the construction of world today. The durability of concrete is important problem. Concrete and rebar corrosion are mostly factor to durability. The text discuss life forecast that correlates corrosion and durability of concrete.[著者文摘]
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Key words:corrosion; durability; life forecast; economy analyze
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收稿日期: 2006-07-24修订日期: 基金资助:
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作者简介:洪乃丰（1942-）,中国腐蚀与防护学会建筑工程委员会,名誉主任,教授级高工.[单位地址]中冶集团建筑研究总院（100088）[联系方式]E-mail：
hongnf@yahoo.com.cn
