海水環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)壽命如何延長？

談混凝土耐久性離不開環(huán)境對其的影響，不同的環(huán)境下，延長混凝土耐久性的要求各不相同。

與其他環(huán)境相比，海水環(huán)境最大的特點(diǎn)是含有氯鹽。在這種環(huán)境下，氯離子很容易滲透進(jìn)混凝土中，引起結(jié)構(gòu)破壞、功能降低，甚至影響建筑工程使用安全。因此，在海水環(huán)境下，如何減少氯離子對混凝土的影響、如何在海水環(huán)境下提高混凝土耐久性是行業(yè)一直關(guān)注的問題。近日，帶著這些問題本報(bào)記者采訪了中交第四航務(wù)工程局有限公司副總工程師王勝年。

從不足30年到50年以上

“在海洋環(huán)境下，混凝土所面臨的最大挑戰(zhàn)就是如何避免因海水環(huán)境氯鹽腐蝕而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早破壞，最大限度延長結(jié)構(gòu)使用壽命，即提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。”

王勝年指出，自20世紀(jì)80年代起，我國混凝土耐久性技術(shù)快速發(fā)展。一是我國廣大科技工作者在海水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性基礎(chǔ)理論方面做了大量研究工作，如原材料組成等自身因素外，考慮潮汐影響、環(huán)境溫濕度影響、荷載和環(huán)境多因素耦合影響的混凝土劣化機(jī)理、結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律、耐久性時變演化過程等，為混凝土耐久性技術(shù)發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

二是在海水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)綜合防護(hù)技術(shù)上，研究開發(fā)了大量新材料和新技術(shù)。如海工高性能混凝土、混凝土表面涂層、硅烷及環(huán)氧涂層鋼筋等一系列附加防腐蝕措施等。此外，還有摻入混凝土中可以提高混凝土密實(shí)性和抗氯離子滲透性的無機(jī)型抗侵蝕增強(qiáng)劑和憎水型抗侵蝕抑制劑；摻入混凝土可以延緩鋼筋銹蝕的醇胺類復(fù)合阻銹劑；可以代替普通鋼筋的耐蝕鋼、不銹鋼鋼筋和FRP筋；混凝土結(jié)構(gòu)抗裂材料和技術(shù)；防腐和耐候性更好的氟碳、聚硅氧烷、石墨烯防腐涂料，以及聚合物包覆材料等。

  港珠澳大橋  王勝年/供圖

三是在海水環(huán)境在役混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)技術(shù)上也取得了突破，除對海水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律開展大量研究取得的成果外，在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提升和結(jié)構(gòu)延壽方面，也取得了不少具有較高應(yīng)用價值的研究成果，如可以實(shí)時掌握實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)氯鹽侵蝕情況的傳感器、耐久性在線監(jiān)測技術(shù)；在役結(jié)構(gòu)耐久性檢測和壽命評估技術(shù)；延壽效果顯著的電化學(xué)維修技術(shù)，如電化學(xué)脫鹽、外加電流陰極保護(hù)等。

“統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國20世紀(jì)80年代前興建的海港高樁碼頭和沿海橋梁耐久性壽命普遍不足30年，形成鮮明對比的是，根據(jù)對2000年以后建成的工程調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明，工程結(jié)構(gòu)壽命基本上都能達(dá)到50年以上甚至百年，而且耐久性技術(shù)進(jìn)步、標(biāo)準(zhǔn)提高、設(shè)計(jì)施工技術(shù)提升，表明我們已具備建造百年及以上沿海（跨海）工程的技術(shù)條件和能力。”王勝年說。

科技進(jìn)步推動混凝土耐久性提升

混凝土耐久性的提升離不開社會各界的共同努力，其中廣大科技人員的辛勤攻關(guān)是關(guān)鍵因素。

王勝年主持和參加的國家及省部級科研項(xiàng)目三十多項(xiàng)，在混凝土材料及耐久性、腐蝕與防護(hù)、結(jié)構(gòu)健康診治等基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域成果卓著。

“基于長期暴露試驗(yàn)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化演變規(guī)律，建立了海水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測模型。創(chuàng)立以海工高性能混凝土與附加防腐蝕措施相結(jié)合的綜合防護(hù)技術(shù)體系。在海水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)健康診治方面，一是提出貫穿于工程全壽命周期的耐久性技術(shù)理念和措施，如港珠澳大橋工程，其運(yùn)營期耐久性監(jiān)測方案及必要的耐久性維護(hù)措施在設(shè)計(jì)階段就有明確規(guī)定。二是在研究和工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，將海水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)剩余使用壽命評估方法和電化學(xué)維修技術(shù)，納入我國交通運(yùn)輸部水運(yùn)工程行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。”

  鹽田國際集裝箱碼頭二期工程  王勝年/供圖

談到所取得的成績，王勝年倍感欣喜。他表示，海水環(huán)境工程老舊結(jié)構(gòu)與一般環(huán)境顯著不同的是，結(jié)構(gòu)混凝土中已存在滲入的氯離子，傳統(tǒng)局部維修方法因不能除去混凝土中的氯離子，新舊修補(bǔ)區(qū)域之間的原電池作用反而會加速腐蝕，從而導(dǎo)致修復(fù)后一般不超過5年就會再次出現(xiàn)腐蝕破壞。而電化學(xué)維修技術(shù)，一次修復(fù)可確保15年以上不出現(xiàn)腐蝕破壞，這就解決了傳統(tǒng)維修方法導(dǎo)致的工程使用壽命短、屢修屢壞的難題。該維修方法技術(shù)要求相對復(fù)雜，雖然相對于傳統(tǒng)維修成本高，但從使用壽命周期來考慮，全壽命周期總成本降低。然而因技術(shù)原因和對工程維護(hù)成本的傳統(tǒng)認(rèn)知，長期以來該技術(shù)的推廣使用受到限制，并沒有大量應(yīng)用。

在重大工程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)

多年來，我國在海水環(huán)境下提升重大工程混凝土耐久性方面積累了很多經(jīng)驗(yàn)。其中，20世紀(jì)90年代末的深圳港鹽田港區(qū)國際集裝箱碼頭二期工程、港珠澳大橋給王勝年留下了深刻的印象。

王勝年表示，深圳港鹽田港區(qū)國際集裝箱碼頭二期工程是國內(nèi)第一個采用50年設(shè)計(jì)使用年限（要求50年不大修）建造的海港高樁碼頭，設(shè)計(jì)要求混凝土耐久性指標(biāo)為氯離子擴(kuò)散系數(shù)和吸水率。為滿足設(shè)計(jì)要求，必須采用高性能混凝土技術(shù)。當(dāng)時，國內(nèi)海工高性能混凝土技術(shù)剛起步，工程經(jīng)驗(yàn)缺乏，在配制高性能混凝土兩大重要技術(shù)手段——減水劑產(chǎn)品性能和礦物摻和料使用上還存在不少技術(shù)障礙，從研究成果到工程化應(yīng)用存在不少困難。

港珠澳大橋是舉世矚目的超級工程，當(dāng)時，國內(nèi)沿海重大或跨海基礎(chǔ)設(shè)施一般設(shè)計(jì)使用年限是100年，顯然現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不適合該工程，且華南高溫高濕的海水環(huán)境腐蝕情況更為嚴(yán)重，所以工程備受關(guān)注的就是如何建立一套有效技術(shù)措施，能確保工程達(dá)到120年使用壽命。

王勝年表示，從工程初步設(shè)計(jì)階段開始，他就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)技術(shù)骨干一起開展研究，并通過分析耐久性設(shè)計(jì)、施工和后期維護(hù)等各階段影響壽命的技術(shù)堵點(diǎn)，梳理全壽命過程三大方向12項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，還聯(lián)合清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高等院校、專業(yè)研究機(jī)構(gòu)共同開展技術(shù)攻關(guān)。最終形成了集耐久性設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)為一體的120年使用壽命保障成套技術(shù)體系，成功支撐了港珠澳大橋的設(shè)計(jì)施工和后期維護(hù)。

從50年以上到100年以上的展望

“當(dāng)前，大部分海工基礎(chǔ)設(shè)施，如海港碼頭、跨海橋梁等都是50年以上甚至100年以上的長壽命工程，經(jīng)濟(jì)性還應(yīng)從工程全壽命周期成本和綠色低碳等可持續(xù)性方面加以考慮。”

對此，王勝年表示，當(dāng)前提高海水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要應(yīng)對措施分為兩類：一類是提高結(jié)構(gòu)自身的抗氯離子侵蝕能力，即所謂對結(jié)構(gòu)“強(qiáng)身健體”，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上選擇有利于抗海水侵蝕的構(gòu)件型式、適當(dāng)增加構(gòu)件內(nèi)鋼筋保護(hù)層厚度、合理限制混凝土裂縫、采用更密實(shí)、抗氯離子滲透性強(qiáng)的海工高性能混凝土材料等；另一類是對結(jié)構(gòu)采取附加防腐蝕措施，即為結(jié)構(gòu)加上一道“防護(hù)措施”。當(dāng)然上述兩類措施一般是結(jié)合使用，如何結(jié)合、具體采取什么措施則要體現(xiàn)“合理有效”的原則。目前，在工程不同部位腐蝕環(huán)境等級劃分及相應(yīng)耐久性措施的選擇上，我國國家標(biāo)準(zhǔn)及公路、鐵路、水運(yùn)、水利等相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都有比較明確的規(guī)定。

談到未來時，王勝年認(rèn)為，最有效的措施，一是加強(qiáng)耐久性基礎(chǔ)性研究，注重交叉學(xué)科的融合，耐久性本身注定了其工作的長期性，耐久性成果的取得需要時間的積累。二是耐久性直接影響結(jié)構(gòu)使用壽命，是一項(xiàng)貫穿于設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)等全生命周期的系統(tǒng)問題，重大工程應(yīng)將耐久性問題納入工程全壽命周期考慮，并做好各環(huán)節(jié)耐久性技術(shù)措施的銜接。

王勝年表示，目前我國海水環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施將逐步進(jìn)入老化維護(hù)階段，耐久性檢測評估、基于耐久性提升和結(jié)構(gòu)延壽維修加固等技術(shù)的推廣應(yīng)用，將會顯著提高我國海水環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)技術(shù)水平、降低工程全壽命成本，有利于工程可持續(xù)發(fā)展。