混凝土中钢筋锈蚀对建筑业可持续发展的影响

简 耀

1 建筑业可持续发展的紧迫性

目前,“可持续发展”的概念已经为世人普遍认同,世界各国对人类的可持续发展问题都给予了高度的重视。概括来讲,可持续发展是指“既能满足当代人的需要,又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展”[1]。

建筑业是典型的立足于消耗大量资源和能源、对自然环境产生极大影响的产业。据统计,建筑业消耗了地球上约50%的能源、42%的水资源、50%的材料和48%的耕地;产生了全球24%的空气污染、50%的温室效应、40%的水源污染、20%的固体垃圾和50%的氟氯烃等[2]。

随着我国经济活力的不断提高,我国建筑业也取得了飞速的发展,逐渐成为关系到国计民生的支柱产业。住宅方面:随着我国新农村建设的政策以及城市化步伐的加快,城乡建筑发展十分迅速,房屋建设规模日益扩大,住宅产业投资规模不断地扩张,每年新建建筑面积达18亿m2,已有的建筑面积已近400亿m2[2]。公路、桥梁方面:目前已建成高速公路2.5万km(平均1 km～2 km有1座桥梁),总里程仅次于美国,已经居世界第2位。建设中的高速公路有1.6万km,还有 4万km将在未来 10年～20年内建成[3],这样的建设规模与速度是世界罕见的。如此大规模的建设和强大的市场需求,增加了我国对资源的需求和对环境的影响,因此也增加了建筑业可持续性发展的紧迫性。

2 混凝土结构耐久性不足对建筑业可持续发展的严重影响

混凝土结构耐久性是指混凝土结构及其构件在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下,在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程,而不需要花费大量资金维修,也能保持其安全性和适用性的功能[4]。

首先,混凝土结构耐久性不足引起了巨大的经济损失。根据美国标准局(NBS)1975年的调查,美国全年各种因混凝土结构耐久性不足造成的损失为700多亿美元;其中混凝土中钢筋锈蚀损失占40%,1985年则达1 680亿美元[5]。美国材料咨询委员会1987年的年度报告中指出,有253 000座混凝土桥处于不同程度损伤,且以每年35 000座的速度在增加[6];1989年美国运输部门给国会的一份关于美国公路与桥梁状况的报告中指出:“现在积压着有待修补的混凝土桥梁的维修费用是1 550亿美元[5]。”

在英国,许多现代公路、公用与商业用钢筋混凝土结构的耐久性问题也十分突出。英国环保部门最近的一份报告估计,英国建筑工业的年成交额为500亿英镑,而现在,因钢筋锈蚀破坏需要更换钢筋或重建的钢筋混凝土结构占36%[3],年修补费已达5.5亿英镑(占其1.1%),已成为英国一个沉重的财政负担[5]。

在前苏联一般工业区,大部分工业厂房和构筑物都不同程度的遭到各种介质的侵蚀,其损耗总值每年达400亿卢布以上,约占工业固定资产总值的16%,若不对这些厂房和构筑物采取措施,那么因建筑结构缩短使用周期而造成的材料损耗将达40亿卢布[7]。

日本、北欧、加拿大、澳大利亚都存在氯盐为主的盐害。据瑞士联邦公路局统计,瑞士公路系统约3 000座桥梁,每年用于桥面检测及维护的费用达8 000万瑞士法郎,修理或更换的费用更高[7]。

在我国,混凝土结构耐久性的问题也十分严重,据1986年国家统计局和建设部对全国城乡28个省、市、自治区的323个城市和5 000个镇进行普查的结果,目前我国已有城镇房屋建筑面积46.76亿m2,占全部房屋建筑面积的60%,已有工业厂房约5亿m2,覆盖的国有固定资产超过5000亿元,这些建筑物中约有23亿m2需要分期分批进行评估与加固,而其中半数以上急需维修加固之后才能正常使用[8]。1989年,建设部混凝土结构耐久性调查组对北京、杭州等地区的一些建筑物进行了调查,结果表明,建国初期的建筑物均已达到必须大修的状态;现有的大多数工业建筑不能满足50年的使用要求,一般使用25年～30年就需大修加固[7]。

其次,混凝土结构耐久性不足对资源需求、生态环境平衡构成极大的威胁。拌制混凝土的主要成分是水泥、石子和砂。文献[9]指出:每生产 1 t水泥熟料,将释放出 0.95 t CO2。2003年我国水泥消费8.2亿 t,占全世界产量的55%[3],全世界总水泥产量约为15亿t。生产15亿t水泥将产生14.3亿t的CO2,同时还将排放约300万t的NOx和大量粉尘。大量CO2的排放不仅加剧温室效应,它还和SO2与NOx通过形成酸雨危害农作物及其他植被[9]。NOx和粉尘还使环境恶化,影响人类健康。同时,水泥生产和混凝土的拌制都需要大量的天然石灰石、砂以及黏土等材料,这些天然材料的开采也会对地球自然植被造成较严重的破坏。另一方面,混凝土结构耐久性不足还会迫使大量混凝土结构提前拆除,结构的拆除必然造成大量建筑垃圾的堆置,如美国每年大约有6 000万t废弃混凝土,日本约为 1 600万 t,中国约为4 000万t[9],这些建筑垃圾的处理所需要的能源及其对环境的影响也是当前社会不可忽视的一个重要问题。

总之,混凝土结构耐久性不足对建筑业的可持续发展形成严峻的挑战,严重威胁着人类的生存和发展。今天建造的混凝土结构物若不是现在的50年寿命,而是250年寿命,那么混凝土业的资源利用效率就能提高5倍[10]。

3 钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的首要因素

钢筋混凝土耐久性退化的原因可以分为两大类:一类是由于混凝土材料自身的腐蚀、劣化所引起,按其机理的不同又可以分为:碱骨料反应、冻融循环、浸析腐蚀、化学腐蚀、结晶腐蚀等;另一类是由于混凝土内的钢筋锈蚀所引起。在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上,Mehta[11]教授在题为《混凝土耐久性——五十年进展》主题报告中指出:“当今世界,混凝土破坏原因按重要性递降顺序排列是:钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用。”由此可见钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性失效的首要因素,钢筋的锈蚀会导致钢筋混凝土构件承载力下降和延性的降低,从而影响整个结构的安全性和耐久性,严重的锈蚀甚至会导致结构的破坏。

在前节所述由于混凝土耐久性不足所造成的巨大经济损失中,绝大多数也是由于混凝土中钢筋锈蚀原因所造成的。这些事例反映了钢筋锈蚀危害之大和日益加剧的严重事态,是大大超出人们意料的。国外流行一个“五倍定律”,即设计阶段对钢筋防护方面节省1美元,那么就意味着:发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5美元;混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25美元;严重破坏时采取措施将追加维修费125美元[9]。

混凝土中钢筋的锈蚀程度和结构耐久寿命的关系,可用如图1所示的曲线近似说明[5]。

混凝土结构的实际寿命是图1中四个阶段所经历的时间总和,即为 t0+t1+t2+t3,但在进行结构设计寿命确定时一般取 t0+t1+t2。开展混凝土中钢筋锈蚀的研究、揭示混凝土结构耐久性退化的原理与规律,一方面能对已有的钢筋混凝土结构物进行科学的耐久性评估和剩余寿命预测,以选择合理的处理方法;另一方面也可对新建工程项目进行正确的耐久性设计。

4 结语

无论是在国内还是国外,混凝土中钢筋的锈蚀是严重威胁钢筋混凝土结构耐久性的最主要、最普遍的因素。目前我国也正处于基本建设的高峰期,开展混凝土耐久性研究,特别是混凝土中钢筋锈蚀的研究,是建筑业乃至整个社会可持续发展的必然要求,具有重大的现实意义和深远的历史影响。

[1] WCED.Our Common Future[M].Oxford:Oxford University Press,1987.

[2] 张 毅.建筑节能管理[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3] 洪乃丰.建筑腐蚀可持续发展[J].工业建筑,2006,36(13):76-79.

[4] 金伟良.混凝土结构耐久性研究主要进展及其发展趋势[R].国家自然科学基金委员会“十一·五”发展战略研究报告:“建筑、环境与土木工程Ⅱ”(土木工程卷),2006.

[5] 洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京:中国铁道出版社,1998.

[6] Mehta P K.Durability-criticalissues for the future[J].Concrete International,1997(19):27-33.

[7] 卢 木.混凝土耐久性研究现状和研究方向[J].工业建筑,1997,27(5):1-6.

[8] 王晓初,金明君,杨春峰.混凝土结构耐久性研究现状综述[J].混凝土,2006(2):31-33.

[9] 金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,2002:1.

[10] 林 茂,朱平华.混凝土结构的绿色耐久性[J].混凝土,2006(12):39-42.

[11] Mehta P K.Concrete durability:fifty year's progress[A].Proceeding of International Conference on Concrete Durability[C].ACI SP126-1,1991:1-33.