混凝土中鋼筋銹蝕對建筑業可持續發展的影響

簡 耀

1 建筑業可持續發展的緊迫性

目前,“可持續發展”的概念已經為世人普遍認同,世界各國對人類的可持續發展問題都給予了高度的重視。概括來講,可持續發展是指“既能滿足當代人的需要,又不對后代人滿足其需要的能力構成危害的發展”[1]。

建筑業是典型的立足于消耗大量資源和能源、對自然環境產生極大影響的產業。據統計,建筑業消耗了地球上約50%的能源、42%的水資源、50%的材料和48%的耕地;產生了全球24%的空氣污染、50%的溫室效應、40%的水源污染、20%的固體垃圾和50%的氟氯烴等[2]。

隨著我國經濟活力的不斷提高,我國建筑業也取得了飛速的發展,逐漸成為關系到國計民生的支柱產業。住宅方面:隨著我國新農村建設的政策以及城市化步伐的加快,城鄉建筑發展十分迅速,房屋建設規模日益擴大,住宅產業投資規模不斷地擴張,每年新建建筑面積達18億m2,已有的建筑面積已近400億m2[2]。公路、橋梁方面:目前已建成高速公路2.5萬km(平均1 km～2 km有1座橋梁),總里程僅次于美國,已經居世界第2位。建設中的高速公路有1.6萬km,還有 4萬km將在未來 10年～20年內建成[3],這樣的建設規模與速度是世界罕見的。如此大規模的建設和強大的市場需求,增加了我國對資源的需求和對環境的影響,因此也增加了建筑業可持續性發展的緊迫性。

2 混凝土結構耐久性不足對建筑業可持續發展的嚴重影響

混凝土結構耐久性是指混凝土結構及其構件在可預見的工作環境及材料內部因素的作用下,在預期的使用年限內抵抗大氣影響、化學侵蝕和其他劣化過程,而不需要花費大量資金維修,也能保持其安全性和適用性的功能[4]。

首先,混凝土結構耐久性不足引起了巨大的經濟損失。根據美國標準局(NBS)1975年的調查,美國全年各種因混凝土結構耐久性不足造成的損失為700多億美元;其中混凝土中鋼筋銹蝕損失占40%,1985年則達1 680億美元[5]。美國材料咨詢委員會1987年的年度報告中指出,有253 000座混凝土橋處于不同程度損傷,且以每年35 000座的速度在增加[6];1989年美國運輸部門給國會的一份關于美國公路與橋梁狀況的報告中指出:“現在積壓著有待修補的混凝土橋梁的維修費用是1 550億美元[5]。”

在英國,許多現代公路、公用與商業用鋼筋混凝土結構的耐久性問題也十分突出。英國環保部門最近的一份報告估計,英國建筑工業的年成交額為500億英鎊,而現在,因鋼筋銹蝕破壞需要更換鋼筋或重建的鋼筋混凝土結構占36%[3],年修補費已達5.5億英鎊(占其1.1%),已成為英國一個沉重的財政負擔[5]。

在前蘇聯一般工業區,大部分工業廠房和構筑物都不同程度的遭到各種介質的侵蝕,其損耗總值每年達400億盧布以上,約占工業固定資產總值的16%,若不對這些廠房和構筑物采取措施,那么因建筑結構縮短使用周期而造成的材料損耗將達40億盧布[7]。

日本、北歐、加拿大、澳大利亞都存在氯鹽為主的鹽害。據瑞士聯邦公路局統計,瑞士公路系統約3 000座橋梁,每年用于橋面檢測及維護的費用達8 000萬瑞士法郎,修理或更換的費用更高[7]。

在我國,混凝土結構耐久性的問題也十分嚴重,據1986年國家統計局和建設部對全國城鄉28個省、市、自治區的323個城市和5 000個鎮進行普查的結果,目前我國已有城鎮房屋建筑面積46.76億m2,占全部房屋建筑面積的60%,已有工業廠房約5億m2,覆蓋的國有固定資產超過5000億元,這些建筑物中約有23億m2需要分期分批進行評估與加固,而其中半數以上急需維修加固之后才能正常使用[8]。1989年,建設部混凝土結構耐久性調查組對北京、杭州等地區的一些建筑物進行了調查,結果表明,建國初期的建筑物均已達到必須大修的狀態;現有的大多數工業建筑不能滿足50年的使用要求,一般使用25年～30年就需大修加固[7]。

其次,混凝土結構耐久性不足對資源需求、生態環境平衡構成極大的威脅。拌制混凝土的主要成分是水泥、石子和砂。文獻[9]指出:每生產 1 t水泥熟料,將釋放出 0.95 t CO2。2003年我國水泥消費8.2億 t,占全世界產量的55%[3],全世界總水泥產量約為15億t。生產15億t水泥將產生14.3億t的CO2,同時還將排放約300萬t的NOx和大量粉塵。大量CO2的排放不僅加劇溫室效應,它還和SO2與NOx通過形成酸雨危害農作物及其他植被[9]。NOx和粉塵還使環境惡化,影響人類健康。同時,水泥生產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,這些天然材料的開采也會對地球自然植被造成較嚴重的破壞。另一方面,混凝土結構耐久性不足還會迫使大量混凝土結構提前拆除,結構的拆除必然造成大量建筑垃圾的堆置,如美國每年大約有6 000萬t廢棄混凝土,日本約為 1 600萬 t,中國約為4 000萬t[9],這些建筑垃圾的處理所需要的能源及其對環境的影響也是當前社會不可忽視的一個重要問題。

總之,混凝土結構耐久性不足對建筑業的可持續發展形成嚴峻的挑戰,嚴重威脅著人類的生存和發展。今天建造的混凝土結構物若不是現在的50年壽命,而是250年壽命,那么混凝土業的資源利用效率就能提高5倍[10]。

3 鋼筋銹蝕是影響混凝土結構耐久性的首要因素

鋼筋混凝土耐久性退化的原因可以分為兩大類:一類是由于混凝土材料自身的腐蝕、劣化所引起,按其機理的不同又可以分為:堿骨料反應、凍融循環、浸析腐蝕、化學腐蝕、結晶腐蝕等;另一類是由于混凝土內的鋼筋銹蝕所引起。在1991年召開的第二屆混凝土耐久性國際學術會議上,Mehta[11]教授在題為《混凝土耐久性——五十年進展》主題報告中指出:“當今世界,混凝土破壞原因按重要性遞降順序排列是:鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環境的物理化學作用。”由此可見鋼筋銹蝕是造成混凝土結構耐久性失效的首要因素,鋼筋的銹蝕會導致鋼筋混凝土構件承載力下降和延性的降低,從而影響整個結構的安全性和耐久性,嚴重的銹蝕甚至會導致結構的破壞。

在前節所述由于混凝土耐久性不足所造成的巨大經濟損失中,絕大多數也是由于混凝土中鋼筋銹蝕原因所造成的。這些事例反映了鋼筋銹蝕危害之大和日益加劇的嚴重事態,是大大超出人們意料的。國外流行一個“五倍定律”,即設計階段對鋼筋防護方面節省1美元,那么就意味著:發現鋼筋銹蝕時采取措施將追加維修費5美元;混凝土表面順筋開裂時采取措施將追加維修費25美元;嚴重破壞時采取措施將追加維修費125美元[9]。

混凝土中鋼筋的銹蝕程度和結構耐久壽命的關系,可用如圖1所示的曲線近似說明[5]。

混凝土結構的實際壽命是圖1中四個階段所經歷的時間總和,即為 t0+t1+t2+t3,但在進行結構設計壽命確定時一般取 t0+t1+t2。開展混凝土中鋼筋銹蝕的研究、揭示混凝土結構耐久性退化的原理與規律,一方面能對已有的鋼筋混凝土結構物進行科學的耐久性評估和剩余壽命預測,以選擇合理的處理方法;另一方面也可對新建工程項目進行正確的耐久性設計。

4 結語

無論是在國內還是國外,混凝土中鋼筋的銹蝕是嚴重威脅鋼筋混凝土結構耐久性的最主要、最普遍的因素。目前我國也正處于基本建設的高峰期,開展混凝土耐久性研究,特別是混凝土中鋼筋銹蝕的研究,是建筑業乃至整個社會可持續發展的必然要求,具有重大的現實意義和深遠的歷史影響。

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

[2] 張 毅.建筑節能管理[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[3] 洪乃豐.建筑腐蝕可持續發展[J].工業建筑,2006,36(13):76-79.

[4] 金偉良.混凝土結構耐久性研究主要進展及其發展趨勢[R].國家自然科學基金委員會“十一·五”發展戰略研究報告:“建筑、環境與土木工程Ⅱ”(土木工程卷),2006.

[5] 洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護[M].北京:中國鐵道出版社,1998.

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

[7] 盧 木.混凝土耐久性研究現狀和研究方向[J].工業建筑,1997,27(5):1-6.

[8] 王曉初,金明君,楊春峰.混凝土結構耐久性研究現狀綜述[J].混凝土,2006(2):31-33.

[9] 金偉良,趙羽習.混凝土結構耐久性[M].北京:科學出版社,2002:1.

[10] 林 茂,朱平華.混凝土結構的綠色耐久性[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.