1 結構耐久性的現狀

在土木工程中，對結構發生作用的因素可分為三類：荷載、災害、環境。其中荷載因素和災害主要對結構的安全性產生影響，以往的研究也比較多，而環境因素主要對結構的耐久性產生影響，由于這類影響的長期性和隱蔽性，長期以來并未獲得足夠的重視。具體來說，環境因素包括海洋、土壤和大氣中各種鹽類的腐蝕作用、除冰鹽的使用、由氣候條件引起的凍融循環和干濕循環等。此類耐久性問題帶來的后果不僅會造成經濟上的大量損失，也給結構的安全性帶來巨大隱患。

根據著名混凝土專家美國加州大學伯克利分校的P.K.Mehta教授的研究，混凝土結構破壞的原因首先是鋼筋腐蝕，其次是凍害。據美國1988年的統計，當年鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復費為2500億美元，其中橋梁修復費為1550億美元，是這些橋初建費用的4倍。在我國因腐蝕引起的結構破壞問題同樣嚴重，八十年代交通部曾組織有關單位對沿海碼頭展開調查，據1980年有關單位對華南地區沿海碼頭的調查結果，80％以上的碼頭發生了嚴重或較嚴重的鋼筋銹蝕破壞，出現破壞的碼頭有的距建成時間僅5～10年，對華東及北方地區沿海碼頭調查也得到類似結果。因長期使用除冰鹽引起的耐久性問題同樣嚴重，例如，北京的某立交橋1999年拆除重建時，距建成還不到19年。此外，在我國的西部存在大范圍的鹽漬土，北方地區的凍融環境，均使鋼筋混凝土結構面臨嚴重的耐久性問題。

由于耐久性問題帶來巨大的經濟損失，從上世紀80年代開始受到國內工程界的關注，交通部根據對沿海碼頭耐久性問題的調查研究結果，于1986年制訂了《海港鋼筋混凝土結構防腐蝕技術規定》和《海港預應力鋼筋混凝土結構防腐蝕技術規定》，使結構耐久性問題以技術標準的形式得以確定，為提高海港工程的耐久性發揮了重要作用。然而隨著近年國民經濟的高速發展，土木工程建設的質量要求越來越高，同時土建工程的全壽命成本分析也得到了越來越多的關注，因此對結構耐久性提出了更高的要求。據有關單位2000年對華南沿海碼頭的調查結果，即便是按上述兩本“規定”設計、施工的碼頭，10年后也出現了不同程度的銹蝕和產生裂縫。而近年興建的不少大型工程都提出了不少于50年甚至100年的使用壽命要求。

鑒于最近幾年工程界對結構耐久性要求的大幅提高，耐久性問題得到了前所未有的關注，新材料新技術大量涌現，解決了不少實際問題，極大地推動了工程耐久性技術的進步和發展，但這些技術在用于工程實踐的過程中，出現了一定的盲目性。為了能夠使用目前發展的技術解決結構的耐久性問題，在實踐過程中必須重視以下幾點。

首先是轉變僅僅依靠材料解決耐久性問題的思想。由于環境因素往往對結構物的建造材料直接產生影響，使結構表現為因材料劣化而失效，因而人們習慣于認為，采用了耐久性材料就解決了結構耐久性問題。然而，國內外大量實踐情況表明，耐久性問題的解決不僅是材料的問題，更需要解決施工過程中的管理和質量控制問題。也就是說使用耐久性材料，必須培養應用過程中的高素質人才。

第二是不能僅僅依靠單一技術解決耐久性問題。結構耐久性問題應基于多種技術的綜合運用。譬如，高性能混凝土是解決海洋環境下鋼筋混凝土結構耐久性的一種非常有效的手段，但要發揮其高耐久性的特點，不僅要有材料配制的技術，還需要先進的原材料加工技術、施工養護技術以及結構設計中的全面考慮。當使用了一種主要手段以后，使用一些其他輔助手段也是必要的。

第三，在結構的耐久性方案制定過程中，也常出現手段單一的情況，如過分依賴某項耐久性技術、片面追求混凝土的低水膠比、片面強調增加鋼筋混凝土保護層厚度，等。

根據我們在結構耐久性方面的研究，本文擬在以下幾個問題上進行初步探討。

2 多種耐久性技術的綜合使用

對鋼筋混凝土結構進行“耐久性設計”的概念在國外始于七十年代，而我國則近幾年才出現。事實上各類耐久性技術發展至今，已出現了多種非常有效的提高結構耐久性的方法，以抗氯鹽腐蝕技術為例，主要技術手段有以下幾種。

（1）高性能混凝土

所謂高性能混凝土就是以一定的新材料配制技術以及良好的生產、澆搗和養護技術，達到高工作性、高強度以及高耐久性，尤以高耐久性為其區別于普通混凝土的最明顯特征。主要方法是通過摻用活性礦物摻合料（粉煤灰、磨細礦渣粉、硅粉等），提高混凝土的性能，有效阻止氯離子的滲入，從而達到有效保護鋼筋的目的。由于高性能混凝土所具有的高性價比，近年來已成為國內較為盛行的方法，尤其在港口工程、橋梁工程中獲得了較廣泛的應用。

（2）鋼筋混凝土構件外施用涂料或裹覆

在混凝土構件外表面施用各類涂料，如封閉型和滲透型涂料。或采用纖維增強材料等直接裹覆，可在其使用壽命內有效隔離氯離子的滲透。

（3）增加混凝土保護層厚度

眾多的調查和試驗都顯示，暴露于有氯鹽存在的環境中的混凝土，其表面12mm深度內的氯離子濃度遠高于25~50mm深度范圍，因此對氯鹽環境下的工程結構增加混凝土保護層厚度是提高耐久性的一項有效措施。

（4）混凝土中摻用阻銹劑

利用化學物質提高鋼筋開始銹蝕的電位，即降低鋼筋表面鈍化膜對氯離子的敏感性，但保證其長期有效地發揮作用仍依賴于混凝土保護層具有長期的抗氯離子滲入能力，且以Ca(NO2)2為主要成份的阻銹劑會降低混凝土的電阻率，加快銹蝕開始后的腐蝕速率。

（5）鋼筋表面使用致密材料涂覆

 即經噴砂除銹鋼筋表面敷涂一層致密的環氧樹脂涂層，使鋼筋與腐蝕性環境隔離。環氧涂層制作良好時能夠延緩銹蝕的開始，但因生產環氧涂層鋼筋時除去了鋼筋表面的氧化膜，一旦銹蝕開始，銹蝕速率較快。此外，在潮濕狀態下，環氧涂層與內部鋼筋之間的粘結力容易喪失。因此在一部分國家，此類技術已被禁用。

（6）混凝土中鋼筋使用陰極保護

可有效降低鋼筋的腐蝕速率，通常在鋼筋開始銹蝕后啟用。

以上是提高海洋工程混凝土耐久性的常用手段，國內對上述各類技術進行了大量研究，其中一些技術——如高性能混凝土、混凝土中鋼筋的陰極保護技術等已經進入了制訂標準的醞釀階段。但是對于這些技術的聯合采用所產生的效果則研究極少，而事實上，在實際工程中，單靠一種技術常常是達不到所需要的耐久性要求的。

根據理論研究，將幾種耐久性技術合理結合，可產生極佳的效果?，F以某工程樁基防腐為例進行簡要說明。

某工程基礎的一部分低墩承臺采用直徑1.2m的PHC樁作為基礎。我們通過研究計算，為其設計了綜合耐久性方案，即采用高性能混凝土制樁，同時樁身表面用纖維增強復合材料（FRP）包覆。

根據試驗研究，PHC樁樁身采用摻用磨細礦渣粉、硅粉等礦物摻合料的高性能混凝土，可以獲得極佳的抗滲透性，實測快速氯離子滲透試驗結果達到200庫侖左右，由此推算氯離子擴散系數約0.7×10-12m2/s左右。根據費克第二定律，如果按照PHC樁63.5mm保護層厚度計算，不考慮安全系數，單靠高性能混凝土制樁，PHC樁的鋼筋銹蝕誘導期可以達到75年。但考慮到箍筋保護層只有40mm，按此推算，誘導期只有54年。

玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂（俗稱玻璃鋼）包覆的防腐蝕技術，在國外應用歷史已經超過60年，而對其耐久性的認識是隨著實踐經驗的積累而加深的。在二十世紀七十年代末，國際上復合材料科學界普遍認為其可靠壽命在30年以上，因為歐洲戰后建立的玻璃鋼貯罐已經有30余年的使用壽命，而時至現在都認同玻璃鋼的設計壽命可以在60年以上，因為這些結構一直完好地應用至今。我們從八十年代初開始對此項技術的研究，并于1983年在上海石化總廠化工碼頭中首次應用于鋼樁防腐試驗，成為國內首創。1986～2001年先后7次開包檢測，未見任何銹蝕。1988年，又與華東理工大學合作完成了“FRP復合層在海水介質中的腐蝕特性”的課題研究，經過兩年多的加速浸泡腐蝕、鹽霧、介電特性、電子探針等試驗與分析手段，綜合評述了不同鋪層、不同樹脂的纖維復合材料在海水介質中的腐蝕特性，并從理論推算厚度2.5mm以上復合層耐腐蝕壽命為58.1年。而根據國內外大量研究文獻，FRP包覆層達到40年使用壽命是完全有把握的。

根據我們的研究，如果將上述兩種技術聯合使用，鋼筋銹蝕誘導期并非54＋40＝94年，而是遠遠超過94年。

國內外研究文獻、實測資料以及我們的試驗研究證明，混凝土的氯離子擴散系數并不是常數，除了與混凝土自身性能及環境因素有關外，還隨齡期而變化，尤其是在最初的1～3年，呈現出明顯的衰減趨勢，并于30年以后逐漸趨近于某一定值。這是因為混凝土是一種水硬性材料，其水化過程需要經過很長的時間才能完成?；炷恋某墒於葘τ诼入x子的擴散存在很大的影響，水化越充分，混凝土內部越密實，抗侵蝕能力也越強。因此采用FRP包覆層可以使管樁混凝土獲得一個很好的成長期，由此帶來的使用年限增長遠遠大于二者簡單疊加的效應。由于FRP材料具有極佳的穩定性，按保守的估計，在10年之內隔離海水中氯離子的滲透是完全有把握的。因此可以認為，在FRP包覆層的保護下，大管樁樁身混凝土的誘導期的起算時間可以推遲到竣工10年之后。據此計算的結果是誘導期為126年，再加上鋼筋銹蝕的擴展期，完全可以滿足工程基礎100年使用壽命的要求。

可見如果合理利用各種防腐技術并加以有機結合，可得到事半功倍的效果，得到結構耐久性的最優設計。

3 材料設計與施工的合理結合

在結構耐久性設計過程中，材料工程師的工作無疑是第一項關鍵，但要發揮材料設計的耐久性指標，必須要有適應于材料設計的施工工藝。

以上述樁基礎的FRP包覆技術為例，對新建工程，樁的包覆可在預制廠內完成，施工條件較好，易于保證包覆質量。對已建工程項目，必須在水中作業，給包覆施工帶來極大難度。而包覆質量的好壞則直接影響耐久性設計指標的發揮。針對這種情況，我們曾研制了一套專用設備——樁基防腐處理專用作業船及作業井，可以對處于潮差段的樁基建立一個人工防腐施工的干式作業空間，從而使包覆質量得到保證。

又如目前國內廣泛使用的高性能混凝土，由于各類活性礦物摻合料的應用以及采用較低的水膠比，極大地改善了混凝土的顆粒級配，使混凝土達到了前所未有的致密性和抗滲性，氯離子擴散系數可比普通混凝土降低一個數量級以上。但由于高性能混凝土拌和物含細材料多，又往往采用較低的水膠比，因此成為低泌水材料，因此相比普通混凝土會產生較大的塑性收縮。高性能混凝土的水化作用持續時間也比普通混凝土長得多，如果外界沒有水分交換條件，水化作用會消耗漿體內部自身水分而產生自收縮。膠凝材料的活性越大、水膠比越低，則自收縮越大。因此高性能混凝土如果按照普通混凝土的要求進行的養護，極易引起因早期收縮而造成的開裂，而裂縫一旦出現，將為氯離子的侵入提供快速通道，高性能混凝土所應有的耐久性就不能實現。因此在高性能混凝土應用較早的國家——如美國和北歐國家，均對高性能混凝土的施工和養護的每個環節做了細致的規定。其中，挪威施工的標準程序是：在混凝土平整抹面后，馬上噴養護劑，然后覆蓋塑料薄膜/防雨油布或隔熱被。而美國混凝土學會則在高性能混凝土的定義中引入了施工與養護的內容（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.）。

在國內，高性能混凝土的應用尚處于起步階段，材料工程師是第一批認識高性能混凝土作用機理的人員，而施工單位對高性能混凝土的認識有時比較欠缺，因此會出現材料設計比較完善，而施工工藝則沿用普通混凝土一般規定的情況。在我們高性能混凝土應用過程中，已多次遇到施工過程中因養護不當而引起的早期開裂問題，通過及時養護、延長浸水養護時間、覆蓋塑料薄膜等措施，開裂情況可以迅速好轉。

4 材料設計與結構設計的合理結合

目前我國的結構設計基本上是基于安全性和承載力的設計，而對各種環境因素作用下的結構耐久性缺乏較完整的設計標準，也沒有明確的設計使用壽命要求。在這種情況下，結構耐久性問題的解決往往依賴施工過程中的材料選擇和施工工藝的改進。

　　在發達國家，結構的耐久性設計已經成為結構設計中的一個重要概念，不僅包括結構使用壽命的考慮，還將結構設計、施工以及材料技術作為達到結構耐久性的綜合因素寫入規范。例如美國混凝土學會的“耐久混凝土指南”中，對可能暴露于潮濕和凍融環境下的結構規定如下：

　＊結構設計盡可能少暴露于與水接觸的環境中

　＊低水膠比

?。m當引氣

?。x用質量良好的原材料

　＊首次受凍融作用前足夠地養護

　＊施工時特別注意

此外，從防止構件開裂的意義上說，存在一個公認的觀點——合理的配筋可以有效控制鋼筋混凝土構件開裂，而控制開裂是保證結構耐久性的一項重要措施。

對鋼筋混凝土結構工作壽命的預測方法主要有經驗法、性能比較法、加速試驗法、數學模型法和統計法。對海洋環境下的鋼筋混凝土，氯鹽污染導致的鋼筋銹蝕是導致結構失效的的最主要因素，因此結構的使用壽命預測也主要針對氯離子侵入過程的計算來進行。氯離子侵入混凝土主要有4種方式：擴散作用、毛細管作用、滲透和電化學遷移，同時還伴有氯離子與膠凝材料之間的化學結合、物理粘結以及膠凝材料對少量水溶性氯離子的吸附過程等。在建立壽命預測的計算模型時，可將上述幾個過程簡化為一個總體的“表觀擴散”過程，并用費克第二定律（Fick’s 2nd Law）來表示。迄今大量的長期現場暴露試驗和實際工程調查也證實，費克第二定律能較好地描述氯離子在混凝土中的遷移行為，其解可以很好地擬合現有結構的實測結果，因而成為目前國際上通用的最有效的壽命預測模型。

由上式可以得到兩個結論：第一，鋼筋銹蝕誘導期與擴散系數成反比，即擴散系數減小10倍，誘導期延長10倍；第二，鋼筋銹蝕誘導期與保護層厚度的平方成正比，即保護層厚度增加一倍，誘導期延長4倍。

       可見，獲得更好耐久性的根本措施在于降低砼材料的氯離子擴散系數和增加保護層厚度。因此在追求材料高性能的同時，增加保護層厚度成為提高結構耐久性的最有效、最經濟的措施。交通部現行標準《港口工程混凝土結構設計規范》規定海水港中處于浪濺區的一般構件最小保護層厚度為65mm（南方地區），而目前國內的一些大型海洋工程則出現了8cm～10cm的保護層厚度。這樣的設計有可能給控制裂縫帶來一定難度。鋼筋的抗裂作用存在一個有效范圍問題，在一般環境下，抗裂范圍為10d，潮濕環境下為8d。如果保護層過厚，即便增加配筋量，對控制裂縫仍然是效果有限的。

需要指出的是，合理配筋所防止的是結構裂縫，包括荷載引起的裂縫和大體積混凝土溫度變化所引起的裂縫，與上述混凝土早期裂縫不同?；炷恋脑缙谑湛s裂縫與材料和施工因素有關，而結構裂縫的控制很大程度上取決于結構設計。近年國內高性能混凝土應用過程中出現的一部分結構裂縫曾導致輿論上的誤區，誤以為開裂是高性能混凝土材料的固有特性，而忽視了合理的結構設計。事實上，高性能混凝土與普通混凝土的結構裂縫在本質上是一樣的，盡管高性能混凝土因摻入了大量礦物摻合料而具有較低的水化熱，但由于現代大型工程的構件往往比較大，而為了獲得較高的耐久性又采用較厚的保護層，仍然較易出現此類裂縫。

對預應力結構的設計，耐久性方面的考慮更為重要。今年六月份坍塌的遼河大橋曾經是1969年經周恩來總理親自批準的“07021工程”，是由國防經費投資修建的大型橋梁工程。發生坍塌的原因初步分析是由車輛超載引起，后經進一步檢查發現，起因是預應力筋的腐蝕，因為該橋是拼裝式結構，預應力筋的銹斷直接導致懸臂梁端突然斷裂，橋板脫落，而發生銹蝕最為嚴重的預應力筋則幾乎全部位于排水不利的位置。

可見合理的結構設計可以有效保證結構的耐久性，同時在配筋設計中，應在增加保護層厚度與控制構件開裂之間尋求一個平衡點，使鋼筋保護層在不開裂的情況下最大程度地發揮其護筋作用。

5 材料設計與材料生產的合理結合

結構的耐久性是一項系統工程，需要先進的材料技術、合理的結構設計以及良好的施工工藝，同時材料的生產技術也至關重要，尤其是對施工條件惡劣的水工結構。早在上世紀末，我們就嘗試將高性能混凝土的研究成果用于海上施工，但終因船機設備的限制以及施工條件的惡劣而未能得以實現。高性能混凝土用于海上施工時存在以下問題：

（1）海上施工的可操作性

由于水泥和外摻料分別加入，現場施工時要求配有相應筒倉，但海上施工時主要由攪拌船進行施工作業，受空間限制，一般不可能配置太多筒倉，且各筒倉的容積比很難與膠凝材料的組成比例相吻合，使上料后連續澆筑的混凝土方量大打折扣。此外，如果膠凝材料中含有硅粉等小摻量組分時，一般的稱量系統也很難滿足配制精度的要求，從而給材料的質量帶來影響。

（2）對工期的影響

根據交通部《海港工程防腐蝕技術規范》（JTJ270-2000）及《水運工程混凝土施工規范》（JTJ268-96）要求，當水泥中摻加活性外摻料時，攪拌時間應延長40—60s；此外，由于海洋上的氣候與施工條件遠比陸地苛刻，有效施工時間遠少于陸上?；炷恋纳a效率將只有使用單一膠凝材料時的二分之一到三分之一，船機生產效率大大下降。

（3）攪拌均勻性易波動

由于膠凝材料材料各組分的分布均勻性對混凝土性能影響極大，尤其是硅粉等小顆粒、小摻量的成分，很難將其充分分散到混凝土中。因攪拌不均勻會給混凝土的性能帶來很大的影響。

針對上述問題，我們對高性能混凝土膠凝材料采用了工廠化預拌的方法，將水泥和幾種礦物摻合料在預拌廠使用干拌設備精確計量后攪拌均勻，成為均勻的預拌混合膠凝材料（Premixed Blend-Cementing Material for High Performance Concrete，簡稱PBC），裝入攪拌船上的筒倉，按照常規膠凝材料——水泥那樣進行混凝土拌制，生產出具有良好抗氯離子滲透性能的高性能混凝土。這種預拌混合膠凝材料工藝不僅可以解決現有攪拌船無法使用多種摻合料的難題，而且攪拌時間不必延長，攪拌船上料也變得簡單，最重要的一點是使用預拌混合膠凝材料保證了高性能混凝土的均勻性、并且不降低船機生產效率，解決了保證混凝土質量和加快施工進度這一對矛盾。

目前國內高性能混凝土技術發展迅速，除上述預拌膠凝材料PBC以外，國內也有多家單位開發了多種形式的產品，此類產品生產的標準化、規范化成為亟待解決的問題。我們目前正在從事這方面的工作。采用工業化方式生產高性能混凝土的原材料，不僅對保證工程質量有積極意義，還可以節省成本，此外，通過建立完善的產品標準，可以使此類產品系列化，功能多元化，極大地推動結構耐久性技術的發展。

6 建立結構的綜合評估技術

對在役工程結構，耐久性的問題有時比新建工程更加重要。

對老舊結構和危舊結構的安全性以及實際承載能力評估，工程界開展了大量研究，開發了許多檢測方法和評估計算方法。此外在材料劣化程度方面，也有不少檢測技術，如對鋼筋銹蝕程度的檢測、混凝土碳化深度的檢測、混凝土構件中氯離子濃度分布的檢測等。但結構安全性和承載力評估與材料劣化程度評估之間的關聯性研究較少。實際情況是，對腐蝕環境下的結構，材料劣化對結構的安全性和承載能力有很大的影響。例如對海洋環境下的鋼筋混凝土結構，海水中氯鹽的長期滲透會使鋼筋銹蝕、體積增大，有效斷面減小，造成構件實際承載力的降低。如果鋼筋銹蝕引起保護層混凝土脹裂、脫落，則對構件承載力的影響更大。對預應力構件，保護層的缺失還直接影響到預應力筋的錨固性能，從而形成結構的安全性隱患。此類安全隱患目前在結構評估中是較少考慮的。

因此，建立結構安全性、承載力與耐久性的綜合評估技術意義重大。

7 小結

結構的耐久性問題是普遍存在的，我國目前所面臨的許多耐久性問題正是發達國家在二戰后曾經遇到的，發達國家通過長期的研究、探索所形成的對耐久性問題的認識對我國是寶貴的經驗。但同時必須考慮實際情況，探索適應國情的新技術，例如，高性能混凝土膠凝材料的工廠化預拌技術就是考慮了我國現有施工設備與施工技術的實際情況而形成的，在最大程度上解決了高性能混凝土施工所面臨的實際問題。

目前，結構耐久性問題正引起越來越多的關注，隨著有關研究的逐步深入和更多的工程實踐，結構耐久性問題必能得到更好的解決，并為國民經濟可持續的發展作出貢獻。