海洋环境中工程结构的耐久性问题

1 结构耐久性的现状

在土木工程中，对结构发生作用的因素可分为三类：荷载、灾害、环境。其中荷载因素和灾害主要对结构的安全性产生影响，以往的研究也比较多，而环境因素主要对结构的耐久性产生影响，由于这类影响的长期性和隐蔽性，长期以来并未获得足够的重视。具体来说，环境因素包括海洋、土壤和大气中各种盐类的腐蚀作用、除冰盐的使用、由气候条件引起的冻融循环和干湿循环等。此类耐久性问题带来的后果不仅会造成经济上的大量损失，也给结构的安全性带来巨大隐患。

根据著名混凝土专家美国加州大学伯克利分校的P.K.Mehta教授的研究，混凝土结构破坏的原因首先是钢筋腐蚀，其次是冻害。据美国1988年的统计，当年钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费为2500亿美元，其中桥梁修复费为1550亿美元，是这些桥初建费用的4倍。在我国因腐蚀引起的结构破坏问题同样严重，八十年代交通部曾组织有关单位对沿海码头展开调查，据1980年有关单位对华南地区沿海码头的调查结果，80％以上的码头发生了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现破坏的码头有的距建成时间仅5～10年，对华东及北方地区沿海码头调查也得到类似结果。因长期使用除冰盐引起的耐久性问题同样严重，例如，北京的某立交桥1999年拆除重建时，距建成还不到19年。此外，在我国的西部存在大范围的盐渍土，北方地区的冻融环境，均使钢筋混凝土结构面临严重的耐久性问题。

由于耐久性问题带来巨大的经济损失，从上世纪80年代开始受到国内工程界的关注，交通部根据对沿海码头耐久性问题的调查研究结果，于1986年制订了《海港钢筋混凝土结构防腐蚀技术规定》和《海港预应力钢筋混凝土结构防腐蚀技术规定》，使结构耐久性问题以技术标准的形式得以确定，为提高海港工程的耐久性发挥了重要作用。然而随着近年国民经济的高速发展，土木工程建设的质量要求越来越高，同时土建工程的全寿命成本分析也得到了越来越多的关注，因此对结构耐久性提出了更高的要求。据有关单位2000年对华南沿海码头的调查结果，即便是按上述两本“规定”设计、施工的码头，10年后也出现了不同程度的锈蚀和产生裂缝。而近年兴建的不少大型工程都提出了不少于50年甚至100年的使用寿命要求。

鉴于最近几年工程界对结构耐久性要求的大幅提高，耐久性问题得到了前所未有的关注，新材料新技术大量涌现，解决了不少实际问题，极大地推动了工程耐久性技术的进步和发展，但这些技术在用于工程实践的过程中，出现了一定的盲目性。为了能够使用目前发展的技术解决结构的耐久性问题，在实践过程中必须重视以下几点。

首先是转变仅仅依靠材料解决耐久性问题的思想。由于环境因素往往对结构物的建造材料直接产生影响，使结构表现为因材料劣化而失效，因而人们习惯于认为，采用了耐久性材料就解决了结构耐久性问题。然而，国内外大量实践情况表明，耐久性问题的解决不仅是材料的问题，更需要解决施工过程中的管理和质量控制问题。也就是说使用耐久性材料，必须培养应用过程中的高素质人才。

第二是不能仅仅依靠单一技术解决耐久性问题。结构耐久性问题应基于多种技术的综合运用。譬如，高性能混凝土是解决海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性的一种非常有效的手段，但要发挥其高耐久性的特点，不仅要有材料配制的技术，还需要先进的原材料加工技术、施工养护技术以及结构设计中的全面考虑。当使用了一种主要手段以后，使用一些其他辅助手段也是必要的。

第三，在结构的耐久性方案制定过程中，也常出现手段单一的情况，如过分依赖某项耐久性技术、片面追求混凝土的低水胶比、片面强调增加钢筋混凝土保护层厚度，等。

根据我们在结构耐久性方面的研究，本文拟在以下几个问题上进行初步探讨。

2 多种耐久性技术的综合使用

对钢筋混凝土结构进行“耐久性设计”的概念在国外始于七十年代，而我国则近几年才出现。事实上各类耐久性技术发展至今，已出现了多种非常有效的提高结构耐久性的方法，以抗氯盐腐蚀技术为例，主要技术手段有以下几种。

（1）高性能混凝土

所谓高性能混凝土就是以一定的新材料配制技术以及良好的生产、浇捣和养护技术，达到高工作性、高强度以及高耐久性，尤以高耐久性为其区别于普通混凝土的最明显特征。主要方法是通过掺用活性矿物掺合料（粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉等），提高混凝土的性能，有效阻止氯离子的渗入，从而达到有效保护钢筋的目的。由于高性能混凝土所具有的高性价比，近年来已成为国内较为盛行的方法，尤其在港口工程、桥梁工程中获得了较广泛的应用。

（2）钢筋混凝土构件外施用涂料或裹覆

在混凝土构件外表面施用各类涂料，如封闭型和渗透型涂料。或采用纤维增强材料等直接裹覆，可在其使用寿命内有效隔离氯离子的渗透。

（3）增加混凝土保护层厚度

众多的调查和试验都显示，暴露于有氯盐存在的环境中的混凝土，其表面12mm深度内的氯离子浓度远高于25~50mm深度范围，因此对氯盐环境下的工程结构增加混凝土保护层厚度是提高耐久性的一项有效措施。

（4）混凝土中掺用阻锈剂

利用化学物质提高钢筋开始锈蚀的电位，即降低钢筋表面钝化膜对氯离子的敏感性，但保证其长期有效地发挥作用仍依赖于混凝土保护层具有长期的抗氯离子渗入能力，且以Ca(NO2)2为主要成份的阻锈剂会降低混凝土的电阻率，加快锈蚀开始后的腐蚀速率。

（5）钢筋表面使用致密材料涂覆

 即经喷砂除锈钢筋表面敷涂一层致密的环氧树脂涂层，使钢筋与腐蚀性环境隔离。环氧涂层制作良好时能够延缓锈蚀的开始，但因生产环氧涂层钢筋时除去了钢筋表面的氧化膜，一旦锈蚀开始，锈蚀速率较快。此外，在潮湿状态下，环氧涂层与内部钢筋之间的粘结力容易丧失。因此在一部分国家，此类技术已被禁用。

（6）混凝土中钢筋使用阴极保护

可有效降低钢筋的腐蚀速率，通常在钢筋开始锈蚀后启用。

以上是提高海洋工程混凝土耐久性的常用手段，国内对上述各类技术进行了大量研究，其中一些技术——如高性能混凝土、混凝土中钢筋的阴极保护技术等已经进入了制订标准的酝酿阶段。但是对于这些技术的联合采用所产生的效果则研究极少，而事实上，在实际工程中，单靠一种技术常常是达不到所需要的耐久性要求的。

根据理论研究，将几种耐久性技术合理结合，可产生极佳的效果。现以某工程桩基防腐为例进行简要说明。

某工程基础的一部分低墩承台采用直径1.2m的PHC桩作为基础。我们通过研究计算，为其设计了综合耐久性方案，即采用高性能混凝土制桩，同时桩身表面用纤维增强复合材料（FRP）包覆。

根据试验研究，PHC桩桩身采用掺用磨细矿渣粉、硅粉等矿物掺合料的高性能混凝土，可以获得极佳的抗渗透性，实测快速氯离子渗透试验结果达到200库仑左右，由此推算氯离子扩散系数约0.7×10-12m2/s左右。根据费克第二定律，如果按照PHC桩63.5mm保护层厚度计算，不考虑安全系数，单靠高性能混凝土制桩，PHC桩的钢筋锈蚀诱导期可以达到75年。但考虑到箍筋保护层只有40mm，按此推算，诱导期只有54年。

玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂（俗称玻璃钢）包覆的防腐蚀技术，在国外应用历史已经超过60年，而对其耐久性的认识是随着实践经验的积累而加深的。在二十世纪七十年代末，国际上复合材料科学界普遍认为其可靠寿命在30年以上，因为欧洲战后建立的玻璃钢贮罐已经有30余年的使用寿命，而时至现在都认同玻璃钢的设计寿命可以在60年以上，因为这些结构一直完好地应用至今。我们从八十年代初开始对此项技术的研究，并于1983年在上海石化总厂化工码头中首次应用于钢桩防腐试验，成为国内首创。1986～2001年先后7次开包检测，未见任何锈蚀。1988年，又与华东理工大学合作完成了“FRP复合层在海水介质中的腐蚀特性”的课题研究，经过两年多的加速浸泡腐蚀、盐雾、介电特性、电子探针等试验与分析手段，综合评述了不同铺层、不同树脂的纤维复合材料在海水介质中的腐蚀特性，并从理论推算厚度2.5mm以上复合层耐腐蚀寿命为58.1年。而根据国内外大量研究文献，FRP包覆层达到40年使用寿命是完全有把握的。

根据我们的研究，如果将上述两种技术联合使用，钢筋锈蚀诱导期并非54＋40＝94年，而是远远超过94年。

国内外研究文献、实测资料以及我们的试验研究证明，混凝土的氯离子扩散系数并不是常数，除了与混凝土自身性能及环境因素有关外，还随龄期而变化，尤其是在最初的1～3年，呈现出明显的衰减趋势，并于30年以后逐渐趋近于某一定值。这是因为混凝土是一种水硬性材料，其水化过程需要经过很长的时间才能完成。混凝土的成熟度对于氯离子的扩散存在很大的影响，水化越充分，混凝土内部越密实，抗侵蚀能力也越强。因此采用FRP包覆层可以使管桩混凝土获得一个很好的成长期，由此带来的使用年限增长远远大于二者简单叠加的效应。由于FRP材料具有极佳的稳定性，按保守的估计，在10年之内隔离海水中氯离子的渗透是完全有把握的。因此可以认为，在FRP包覆层的保护下，大管桩桩身混凝土的诱导期的起算时间可以推迟到竣工10年之后。据此计算的结果是诱导期为126年，再加上钢筋锈蚀的扩展期，完全可以满足工程基础100年使用寿命的要求。

可见如果合理利用各种防腐技术并加以有机结合，可得到事半功倍的效果，得到结构耐久性的最优设计。

3 材料设计与施工的合理结合

在结构耐久性设计过程中，材料工程师的工作无疑是第一项关键，但要发挥材料设计的耐久性指标，必须要有适应于材料设计的施工工艺。

以上述桩基础的FRP包覆技术为例，对新建工程，桩的包覆可在预制厂内完成，施工条件较好，易于保证包覆质量。对已建工程项目，必须在水中作业，给包覆施工带来极大难度。而包覆质量的好坏则直接影响耐久性设计指标的发挥。针对这种情况，我们曾研制了一套专用设备——桩基防腐处理专用作业船及作业井，可以对处于潮差段的桩基建立一个人工防腐施工的干式作业空间，从而使包覆质量得到保证。

又如目前国内广泛使用的高性能混凝土，由于各类活性矿物掺合料的应用以及采用较低的水胶比，极大地改善了混凝土的颗粒级配，使混凝土达到了前所未有的致密性和抗渗性，氯离子扩散系数可比普通混凝土降低一个数量级以上。但由于高性能混凝土拌和物含细材料多，又往往采用较低的水胶比，因此成为低泌水材料，因此相比普通混凝土会产生较大的塑性收缩。高性能混凝土的水化作用持续时间也比普通混凝土长得多，如果外界没有水分交换条件，水化作用会消耗浆体内部自身水分而产生自收缩。胶凝材料的活性越大、水胶比越低，则自收缩越大。因此高性能混凝土如果按照普通混凝土的要求进行的养护，极易引起因早期收缩而造成的开裂，而裂缝一旦出现，将为氯离子的侵入提供快速通道，高性能混凝土所应有的耐久性就不能实现。因此在高性能混凝土应用较早的国家——如美国和北欧国家，均对高性能混凝土的施工和养护的每个环节做了细致的规定。其中，挪威施工的标准程序是：在混凝土平整抹面后，马上喷养护剂，然后覆盖塑料薄膜/防雨油布或隔热被。而美国混凝土学会则在高性能混凝土的定义中引入了施工与养护的内容（Concrete meeting special combinations of performance and uniformity requirements that cannot always be achieved routinely using conventional constituents and normal mixing, placing, and curing practices.）。

在国内，高性能混凝土的应用尚处于起步阶段，材料工程师是第一批认识高性能混凝土作用机理的人员，而施工单位对高性能混凝土的认识有时比较欠缺，因此会出现材料设计比较完善，而施工工艺则沿用普通混凝土一般规定的情况。在我们高性能混凝土应用过程中，已多次遇到施工过程中因养护不当而引起的早期开裂问题，通过及时养护、延长浸水养护时间、覆盖塑料薄膜等措施，开裂情况可以迅速好转。

4 材料设计与结构设计的合理结合

目前我国的结构设计基本上是基于安全性和承载力的设计，而对各种环境因素作用下的结构耐久性缺乏较完整的设计标准，也没有明确的设计使用寿命要求。在这种情况下，结构耐久性问题的解决往往依赖施工过程中的材料选择和施工工艺的改进。

　　在发达国家，结构的耐久性设计已经成为结构设计中的一个重要概念，不仅包括结构使用寿命的考虑，还将结构设计、施工以及材料技术作为达到结构耐久性的综合因素写入规范。例如美国混凝土学会的“耐久混凝土指南”中，对可能暴露于潮湿和冻融环境下的结构规定如下：

　＊结构设计尽可能少暴露于与水接触的环境中

　＊低水胶比

　＊适当引气

　＊选用质量良好的原材料

　＊首次受冻融作用前足够地养护

　＊施工时特别注意

此外，从防止构件开裂的意义上说，存在一个公认的观点——合理的配筋可以有效控制钢筋混凝土构件开裂，而控制开裂是保证结构耐久性的一项重要措施。

对钢筋混凝土结构工作寿命的预测方法主要有经验法、性能比较法、加速试验法、数学模型法和统计法。对海洋环境下的钢筋混凝土，氯盐污染导致的钢筋锈蚀是导致结构失效的的最主要因素，因此结构的使用寿命预测也主要针对氯离子侵入过程的计算来进行。氯离子侵入混凝土主要有4种方式：扩散作用、毛细管作用、渗透和电化学迁移，同时还伴有氯离子与胶凝材料之间的化学结合、物理粘结以及胶凝材料对少量水溶性氯离子的吸附过程等。在建立寿命预测的计算模型时，可将上述几个过程简化为一个总体的“表观扩散”过程，并用费克第二定律（Fick’s 2nd Law）来表示。迄今大量的长期现场暴露试验和实际工程调查也证实，费克第二定律能较好地描述氯离子在混凝土中的迁移行为，其解可以很好地拟合现有结构的实测结果，因而成为目前国际上通用的最有效的寿命预测模型。

由上式可以得到两个结论：第一，钢筋锈蚀诱导期与扩散系数成反比，即扩散系数减小10倍，诱导期延长10倍；第二，钢筋锈蚀诱导期与保护层厚度的平方成正比，即保护层厚度增加一倍，诱导期延长4倍。

       可见，获得更好耐久性的根本措施在于降低砼材料的氯离子扩散系数和增加保护层厚度。因此在追求材料高性能的同时，增加保护层厚度成为提高结构耐久性的最有效、最经济的措施。交通部现行标准《港口工程混凝土结构设计规范》规定海水港中处于浪溅区的一般构件最小保护层厚度为65mm（南方地区），而目前国内的一些大型海洋工程则出现了8cm～10cm的保护层厚度。这样的设计有可能给控制裂缝带来一定难度。钢筋的抗裂作用存在一个有效范围问题，在一般环境下，抗裂范围为10d，潮湿环境下为8d。如果保护层过厚，即便增加配筋量，对控制裂缝仍然是效果有限的。

需要指出的是，合理配筋所防止的是结构裂缝，包括荷载引起的裂缝和大体积混凝土温度变化所引起的裂缝，与上述混凝土早期裂缝不同。混凝土的早期收缩裂缝与材料和施工因素有关，而结构裂缝的控制很大程度上取决于结构设计。近年国内高性能混凝土应用过程中出现的一部分结构裂缝曾导致舆论上的误区，误以为开裂是高性能混凝土材料的固有特性，而忽视了合理的结构设计。事实上，高性能混凝土与普通混凝土的结构裂缝在本质上是一样的，尽管高性能混凝土因掺入了大量矿物掺合料而具有较低的水化热，但由于现代大型工程的构件往往比较大，而为了获得较高的耐久性又采用较厚的保护层，仍然较易出现此类裂缝。

对预应力结构的设计，耐久性方面的考虑更为重要。今年六月份坍塌的辽河大桥曾经是1969年经周恩来总理亲自批准的“07021工程”，是由国防经费投资修建的大型桥梁工程。发生坍塌的原因初步分析是由车辆超载引起，后经进一步检查发现，起因是预应力筋的腐蚀，因为该桥是拼装式结构，预应力筋的锈断直接导致悬臂梁端突然断裂，桥板脱落，而发生锈蚀最为严重的预应力筋则几乎全部位于排水不利的位置。

可见合理的结构设计可以有效保证结构的耐久性，同时在配筋设计中，应在增加保护层厚度与控制构件开裂之间寻求一个平衡点，使钢筋保护层在不开裂的情况下最大程度地发挥其护筋作用。

5 材料设计与材料生产的合理结合

结构的耐久性是一项系统工程，需要先进的材料技术、合理的结构设计以及良好的施工工艺，同时材料的生产技术也至关重要，尤其是对施工条件恶劣的水工结构。早在上世纪末，我们就尝试将高性能混凝土的研究成果用于海上施工，但终因船机设备的限制以及施工条件的恶劣而未能得以实现。高性能混凝土用于海上施工时存在以下问题：

（1）海上施工的可操作性

由于水泥和外掺料分别加入，现场施工时要求配有相应筒仓，但海上施工时主要由搅拌船进行施工作业，受空间限制，一般不可能配置太多筒仓，且各筒仓的容积比很难与胶凝材料的组成比例相吻合，使上料后连续浇筑的混凝土方量大打折扣。此外，如果胶凝材料中含有硅粉等小掺量组分时，一般的称量系统也很难满足配制精度的要求，从而给材料的质量带来影响。

（2）对工期的影响

根据交通部《海港工程防腐蚀技术规范》（JTJ270-2000）及《水运工程混凝土施工规范》（JTJ268-96）要求，当水泥中掺加活性外掺料时，搅拌时间应延长40—60s；此外，由于海洋上的气候与施工条件远比陆地苛刻，有效施工时间远少于陆上。混凝土的生产效率将只有使用单一胶凝材料时的二分之一到三分之一，船机生产效率大大下降。

（3）搅拌均匀性易波动

由于胶凝材料材料各组分的分布均匀性对混凝土性能影响极大，尤其是硅粉等小颗粒、小掺量的成分，很难将其充分分散到混凝土中。因搅拌不均匀会给混凝土的性能带来很大的影响。

针对上述问题，我们对高性能混凝土胶凝材料采用了工厂化预拌的方法，将水泥和几种矿物掺合料在预拌厂使用干拌设备精确计量后搅拌均匀，成为均匀的预拌混合胶凝材料（Premixed Blend-Cementing Material for High Performance Concrete，简称PBC），装入搅拌船上的筒仓，按照常规胶凝材料——水泥那样进行混凝土拌制，生产出具有良好抗氯离子渗透性能的高性能混凝土。这种预拌混合胶凝材料工艺不仅可以解决现有搅拌船无法使用多种掺合料的难题，而且搅拌时间不必延长，搅拌船上料也变得简单，最重要的一点是使用预拌混合胶凝材料保证了高性能混凝土的均匀性、并且不降低船机生产效率，解决了保证混凝土质量和加快施工进度这一对矛盾。

目前国内高性能混凝土技术发展迅速，除上述预拌胶凝材料PBC以外，国内也有多家单位开发了多种形式的产品，此类产品生产的标准化、规范化成为亟待解决的问题。我们目前正在从事这方面的工作。采用工业化方式生产高性能混凝土的原材料，不仅对保证工程质量有积极意义，还可以节省成本，此外，通过建立完善的产品标准，可以使此类产品系列化，功能多元化，极大地推动结构耐久性技术的发展。

6 建立结构的综合评估技术

对在役工程结构，耐久性的问题有时比新建工程更加重要。

对老旧结构和危旧结构的安全性以及实际承载能力评估，工程界开展了大量研究，开发了许多检测方法和评估计算方法。此外在材料劣化程度方面，也有不少检测技术，如对钢筋锈蚀程度的检测、混凝土碳化深度的检测、混凝土构件中氯离子浓度分布的检测等。但结构安全性和承载力评估与材料劣化程度评估之间的关联性研究较少。实际情况是，对腐蚀环境下的结构，材料劣化对结构的安全性和承载能力有很大的影响。例如对海洋环境下的钢筋混凝土结构，海水中氯盐的长期渗透会使钢筋锈蚀、体积增大，有效断面减小，造成构件实际承载力的降低。如果钢筋锈蚀引起保护层混凝土胀裂、脱落，则对构件承载力的影响更大。对预应力构件，保护层的缺失还直接影响到预应力筋的锚固性能，从而形成结构的安全性隐患。此类安全隐患目前在结构评估中是较少考虑的。

因此，建立结构安全性、承载力与耐久性的综合评估技术意义重大。

7 小结

结构的耐久性问题是普遍存在的，我国目前所面临的许多耐久性问题正是发达国家在二战后曾经遇到的，发达国家通过长期的研究、探索所形成的对耐久性问题的认识对我国是宝贵的经验。但同时必须考虑实际情况，探索适应国情的新技术，例如，高性能混凝土胶凝材料的工厂化预拌技术就是考虑了我国现有施工设备与施工技术的实际情况而形成的，在最大程度上解决了高性能混凝土施工所面临的实际问题。

目前，结构耐久性问题正引起越来越多的关注，随着有关研究的逐步深入和更多的工程实践，结构耐久性问题必能得到更好的解决，并为国民经济可持续的发展作出贡献。