{首页主词},&

專題 | 王東林：別讓“腐蝕”成為高屋建瓴的不定時炸彈！

2017-07-27 15:43:08 作者：王元來源：《腐蝕防護之友》分享至：

王東林中冶建筑研究總院防腐首席專家

一帶一路“帶動了全面區域合作，有利于中國”走出去“，更多國家將從生產領域、商業貿易領域、金融技術等方面開展合作，中國由此進入新經濟增長點，同時”一帶一路“也為國內經濟轉型提供了機遇，推動鋼鐵業、建筑業的發展，實現行業的轉行。

改革開放 30 多年來，我國建筑工程基礎設施建設取得了舉世矚目的成就，長江三峽水利樞紐、青藏鐵路、北京奧運場館、上海世博會場館等一大批重點工程的順利建成，說明我國建筑業的技術、管理和工程建造能力正在接近世界先進水平，為經濟建設、國防建設、文化建設和民生改善發揮了巨大作用。但建筑工程壽命低所帶來的巨大經濟損失和附加的修復工程，卻往往被人們所忽視。為了進一步普及人們對結構材料腐蝕破壞的認識，加強大型工程的重要性、耐久性、安全性的責任意識。記者采訪了中冶建筑研究總院防腐首席專家王東林。

王東林，教授級高級工程師，中冶建筑研究總院首席專家，現任中冶建筑研究總院工程材料院副總工程師、中冶建筑研究總院科技委委員，中國腐蝕與防護學會建筑工程專業委員會常務副主任兼秘書長、中國工程建設標準化協會防腐蝕委員會副主任、中國土木工程學會混凝土耐久性專業委員會副主任、北京腐蝕與防護學會副理事長，中國腐蝕與防護學會常務理事。幾十年來一直在中冶建筑研究總院從事建筑材料腐蝕控制方面的研究工作。

下面記者帶您走進關于建筑工程材料發展趨勢與結構延壽的世界。

材料不僅要各安天命還需延年益壽

對現有的各類狀態良好的老建筑結構的調查表明，木結構的壽命可達 1000年以上，鋼筋混凝土結構的壽命在 300年左右，鋼結構可以達到 100 年左右。根據現有的資料，我國目前使用的工業建筑的平均使用壽命為 30 年左右或更短，上世紀 80、90 年代修建的公路、鐵路橋梁和隧道工程結構的劣化已經到了相當嚴重的程度。對于修繕和管理體系都比較完善的歐美發達工業國家，每年的土建結構維護支出也要達到其 GDP值的 5% 左右。如果不從使用壽命角度提高我國建筑結構的耐久性能，我國面臨的結構修繕和重建費用將非常沉重。

鋼筋混凝土作為最基本的建筑材料以其低廉的價格，簡單的施工及良好的力學性能改變了建筑結構形式同時對建筑藝術的發展產生了積極的影響。材料科學的發展使鋼筋混凝土成為按照功能要求生產建筑材料的先例，即根據設計標號配制不同的混凝土，根據結構分析配置鋼筋，而不是單純利用現有材料。各種新的混凝土，如蒸壓加氣混凝土、泡沫混凝土、輕骨料混凝土等保溫隔熱混凝土的相繼問世，推動功能性新材料的發展。而高性能混凝土的開發，標志著這一材料進入新的發展階段。混凝土的抗壓強度由過去的 20MPa ～ 25MPa 提高到 50MPa ～ 60MPa，某些特殊用途的超高強混凝土可達 130MPa。高性能混凝土已在特種工程、超大型結構及高層建筑中獲得運用。在高層建筑中采用高性能混凝土或輕質混凝土可以減少柱及剪力墻等承重構件的截面積，相應地增加使用面積，增高樓層數量，經濟效益明顯。例如，澳大利亞墨爾本的 55 層BourRePlace 大樓，混凝土強度由 40MPa提高到 61.2MPa 時，平均每層可節約9.9×104 美元，減少施工費 15%，另外混凝土的和易性、耐久性研究也在不斷深入。

中冶建筑研究總院防腐首席專家王東林在國家游泳中心（水立方）建筑工地

另一種常見的建筑結構材料 -- 鋼，其材料的力學性能也在不斷提高。與混凝土結構相比，鋼結構具有重量輕、抗震性好、工業化程度高、易于回收再利用等優點，因此，鋼結構的應用范圍越來越大。許多原來用鋼筋混凝土結構建造的建筑類型，逐漸被鋼結構取代，如流行一時的混凝土薄殼結構、高聳結構、膜結構等等。國外許多原來用鋼筋混凝土框架結構建造的住宅，也逐漸由功能更合理的輕鋼結構所替代。我國在上世紀 80 年代中后期引進國外輕鋼結構住宅進行開發研究。由于冶金技術的發展，鋼材的強度較以前有很大的提高，經過熱處理的高強低合金鋼，其最低屈服強度為 620MPa ～ 690MPa，而普通的碳素鋼屈服強度為 195MPa ～ 275MPa。可見，在功能需要的地方采用高強度的鋼材，可以大大降低鋼結構的耗鋼量。我國是世界上的產鋼大國，同時也是世界上消耗鋼材最多的國家之一，許多特種鋼材還依賴進口，生產高強度的鋼材是提高我國鋼結構水平的重要條件。由于生產鋼對能源和自然資源的消耗很大，因此，降低鋼的用量就成為保護環境的有力措施之一。然而，鋼材有許多缺點，如不能耐高溫、易被腐蝕等等，克服這些缺點就成為減少鋼材損耗、降低造價的重要方面。如在鋼結構高層建筑中，為達到防火的要求，鋼結構構件常用石膏板或混凝土外包，這便增加了結構自重，減少了使用面積。發達國家在建筑鋼結構中采用各種”耐火“鋼，在高溫狀態可以維持較高的屈服強度，可以減少或取消防火材料，這就降低了建造成本。

確保材料性能延壽 ”腐蝕“隱患需去除

”腐蝕“是影響建筑工程壽命的最大隱患。建筑工程非正常失效，往往會造成運行成本增加，資源浪費，經濟嚴重損失，甚至人員的傷亡。由于各種腐蝕（包括基礎設施工程、生產設備、交通運輸工具等）每年帶來的直接、間接損失，在美國約占GDP的4.9%（1976年）和 4.2%（1996 年）；英國 30 年來的腐蝕損失平均占 GDP 的 3.5%，澳大利亞占 GDP 的 4.2%，而波蘭更占 GDP 的6 ～ 10%，為西方國家的二倍。在腐蝕損失中，土建基礎設施工程的劣化損壞占有較大比例，可能達 40%，其中主要是混凝土結構的腐蝕。雖然腐蝕損失不能完全避免，但是可以采取各種措施盡量挽回和減少損失。研究結果顯示，如果對橋面板采取全壽命費用分析的優化投資維修策略，就可以節省46%的費用。在某些情況下，使用過程中的長期維修費用可高到初期建造投資的 10 倍。

鋼筋混凝土結構采用的材料來源容易，價格低廉及堅固耐用等特點，它已成為現代生活中最普遍常用的。通常條件下，鋼筋在混凝土的高堿性環境中呈現鈍態而不受腐蝕，但是隨著建筑物老化和環境污染的加重，目前，鋼筋混凝土結構的腐蝕己成為一個世界性的嚴重問題。我國近年來的工程調查也表明，鋼筋混凝上腐蝕破壞的情況也非常嚴重。因此，鋼筋混凝土腐蝕破壞問題已引起國內外的重視，目前正積極開展這方面的工程調查及科學研究工作。混凝土中鋼筋的腐蝕是導致整個結構破壞的主要因素之一。鋼筋表面生成鐵銹，體積增大約 2 ～ 5 倍，混凝土中的鋼筋銹蝕到一定程度，由于鋼筋產生的體積脹力足以使保護層混凝土開裂，給浸蝕性物質的進入提供了有利的條件，造成鋼筋銹蝕的進一步加劇。混凝土結構保護層厚度、水灰比、混凝土強度和密實度、水泥品種、標號和用量、外加劑類型、結構或構件的構造、混凝土和鋼筋的應力水平、裂縫等因素，影響混凝土結構的碳化速度、結構或構件的裂縫形成和發展，有些因素與堿－骨料反應有關。

工業建筑使用環境一般較惡劣，如建筑結構長期處于較高溫度環境下工作，造成各種結構的熱應力變形、強度降低和直接被烘烤破壞等現象。如冶煉廠房中的局部屋面溫度高于 100℃，部分吊車梁溫度高達 250℃，煙囪外壁溫度高達 140℃，造成混凝土酥松、龜裂和保護層脫落，致使鋼筋嚴重銹蝕，溫度造成的結構破壞是很嚴重的。由于工藝改進或強化生產引起的溫度升高，對結構未采取相應的防護和改進措施而造成的結構破壞也較普遍。又如冶金生產需用大量水，它對結構也有危害，有水的直接沖刷和滲透、水的汽化對結構的直接沖蝕、有害廢水的侵蝕等等，還有振動等等，都會引起結構材料的失效。材料或構件在大氣環境下也會發生的腐蝕。金屬置于大氣環境中時，其表面通常會形成一層極薄的不易看見的濕氣膜（水膜）。當這層水膜達到 20 － 30 個分子厚度時，它就變成電化學腐蝕所需要的電解液膜。這種電解液膜的形成，或者是由于水分（雨、雪）的直接沉淀，或者是大氣的濕度或溫度變化以及其他種種原因引起的凝聚作用而形成。如果金屬表面只是處于純凈的水膜中，一般不足以造成強烈的電化學腐蝕。大氣環境下形成的水膜往往含有水溶性的鹽類及溶入的腐蝕性氣體。影響腐蝕的主要因素有濕度、大氣腐蝕性成分等。外部環境因素主要為氣候、潮濕、高溫、氯離子侵蝕、化學介質（酸、酸鹽、海水、堿類等）侵蝕，還有凍融破壞、磨損破壞等。環境因素是通過混凝土結構的內在因素起作用的。

建筑工程材料延壽技術未來將走得更遠

一、材料延壽技術向新型功能材料、高性能結構材料和先進復合材料方向發展。

1）高端金屬結構材料。較傳統金屬結構材料具有更高的強度、韌性和耐高溫、抗腐蝕等性能的金屬材料。

2）先進高分子材料。具有相對獨特物理化學性能、適宜在特殊領域或特定環境下應用的人工合成高分子新材料。

3）新型無機非金屬材料。在傳統無機非金屬材料基礎上新出現的具有耐磨、耐腐蝕、光電等特殊性能的材料。

4）高性能復合材料。由兩種或兩種以上異質、異型、異性材料（一種作為基體，其他作為增強體）復合而成的具有特殊功能和結構的新型材料。

二、材料延壽技術向納米發展

隨著納米技術和納米材料的進一步發展和研究，國外和國內目前主要目標仍然是開發高強度鋼材和高強混凝土，同時探索將碳纖維及其他纖維材料與混凝土聚合物等復合制造的輕質高強結構材料。

三、材料延壽技術順應現代社會基礎設施的建設日趨大型化、綜合化趨勢要求

例如超高層建筑，大型水利設施、海底隧道等大型工程，耗資巨大、建設周期長、維修困難，因此對其耐久性的要求越來越高。目前，主要的開發目標有高耐久性混凝土、鋼骨混凝土、耐蝕鋼筋、陶瓷質外壁胎面材料、合成樹脂涂料、防蟲蛀材料、耐低溫材料，以及在地下、海洋、高溫等苛刻環境下能長久保持性能的材料。

四、建筑工程在役結構延壽技術的發展

1、碳纖維結構修復技術

1）、碳纖維片材輕質高強：其抗拉強度比普通鋼材高 8 ～ 10 倍，將它用粘結樹脂與結構粘貼后形成一體，能可靠地與鋼筋混凝土共同工作，有優異的補強效果，而結構自重的增加幾乎可以忽略。

2）、抗腐蝕：碳纖維能有效地防護構件的混凝土和鋼筋免受酸、堿、鹽、水等介質的腐蝕。

3）、耐老化：碳纖維與膠結構本身及經其補強的構件可以長期承受紫外線、核幅射；長期在-54～80℃下使用，強度不會降低；經加速暴露老化試驗驗證可歷時 40 年性能不變；且在表面涂裝后，耐用性更加突出。

4）、保持結構原狀，外形美觀：碳纖維片材便于隨構件原形貼附，基本不改變構件斷面尺寸，貼片后表面可以涂刷、粘貼飾面材料、防火材料。

5）、施工簡便、快捷：采用傳統的加固補強方法，如包混凝土法、粘鋼法，均需進行大量剔鑿、植筋、焊接、澆混凝土作業，碳纖維片材施工卻不需要。因此，它對施工空間要求很低，便于狹窄空間作業，施工快捷，對生產、使用的干擾很小。

2、鋼絲（筋）網水泥砂漿加固技術

鋼絲（筋）網水泥砂漿是以鋼絲網或鋼筋網和加筋為增強材料，水泥砂漿為基材組成的薄層結構，鋼絲（筋）網也可以用其他合適的金屬材料代替。與混凝土相比，鋼絲（筋）網水泥砂漿的主要特點是配筋分散性好和骨料顆粒粒徑小，因此，具有更好的抗裂、抗滲和韌性。

3、預應力加固技術

在建筑物加固領域中，體外預應力加固法已愈來愈受到人們的關注，它克服了采用其它方法加固材料中普遍存在的應力滯后的弱點，保證了新舊材料和結構的整體性與協同工作。工程實踐表明采用預應力法加固建筑物不僅能提高其承載力，還可以減小撓度和裂縫寬度，提高結構的彈性恢復力，并且具有施工方便，不占用空間等特點。

體外預應力技術在設計理論還是材料設備、施工工藝上都取得了一定的進展，應用范圍從早期 PC 橋梁拓展到了建筑結構，從新建結構拓展到了結構的加固改造和臨時性預應力結構或施工臨時性鋼索。除此之外，體外預應力的應用范圍還不僅僅局限于混凝土結構。評價結構設計的基本原則之一就是看該結構形式是否能夠充分發揮材料的力學特性，通過運用體外預應力索，任何具有合理壓縮特性的材料都可以被連接起來，在適當的應用環境中是一種合理的結構形式。在工程實踐中，體外預應力己從單純應用于混凝土結構拓展到了鋼結構，木結構，磚石結構等等，充分證明了其在結構體系方面的優勢。

國外先進經驗給我們的啟示

對建筑基礎設施腐蝕與耐久性的問題，應提到戰略高度去認識。美國 20世紀五六十年代是大規模基礎設施建設時期，而進入 20 世紀七八十年代后，出現了大規模基礎設施的修復時期，并且修復費用遠遠高于初建費用。美國學者曾作如下表述：為什么基礎設施腐蝕如此嚴重、甚至造成事故，一個主要原因就是輕視了腐蝕控制工作。可見，對建筑、基礎設施防腐蝕破壞的戰略、策略，首先應該從對其認識和重視開始。

作為防止、減緩建筑基礎設施腐蝕的戰略途徑，至少應該有兩個層面。其一是國家政策、策略、政令、法律、法規層面上，其中以人為本的教育和管理是最重要的；另一個是技術層面上，包括腐蝕防護方面的規程規范、施工技術、新技術新材料的研究開發與應用等。兩個方面都是重要的，第一方面的戰略意義更為突出。

美國在經驗教訓的基礎上，立足國家長遠利益，提出要與建筑基礎設施的腐蝕危害作斗爭。要求采取以防為主的戰略方針，主動采取防護措施，以推遲修復時間和減少修復產生的高成本。美國首用推行于建設項目的全壽命經濟分析法（Total Life Cycle CostAnalysis），也稱作壽命成本分析法（LCCA），是上述兩個層面很好結合的實例。一方面頒布法律、政令，要求確保基礎設施的壽命，并必須經濟合理、技術合理；同時它又是一個可以具體操作的方法，是重要的投資評估和經濟分析技術。美國法典（USC）給 LCCA 的定義是一個程序和方法，用于評價可行計劃項目的總經濟價值，包括初始成本和經折扣后的成本乃至整個壽命期內的維護、修復、重建和表面翻新處理成本。以往的工程項目，主要考慮初建成本，工程使用后再花多少錢則很少考慮。實踐證明，這種做法從技術、經濟上都是不合理的。在保證使用壽命的前提下減少支出，是 LCCA 方法的精髓。

以防為主、在保證使用壽命的前提下減少支出的指導思想和戰略方針是值得我們借鑒和學習的。它既可以抑制短期行為這類非技術因素的不利影響，又可以選擇最佳技術、經濟方案，使國家長遠利益最大化。世界上已經有一些國家開始實行 LCCA 方法。

我國 2000 年發布的建設工程質量管理條令（中華人民共和國國務院第279 號令），對建設工程質量的耐久性、年限、保修期等提出了明確要求，實際上是貫徹全壽命責任制的體現，其意義是重大而深遠的，為壽命—經濟分析奠定了良好的基礎。

積極引入綠色建設概念提高建筑自身生命力

以科學發展觀為指導，全面貫徹落實可持續發展的戰略方針，無論工業建筑、民用建筑還是農村建筑都必須把耐久性、安全性和可靠性擺放在重要地位，實施建筑全壽命周期評價分析和應用，從建筑規劃、建筑材料、建筑結構、建設施工管理、建筑維修加固等各個環節，積極引入綠色建設概念，使各類建筑即要為改善環境作貢獻，同時，適應環境變化，增強對惡劣環境抵抗力，提高建筑自身生命力。

1）以建筑全壽命周期評價分析為統領，使材料和結構延壽系統化、全局化。建筑全壽命周期是指建筑從建造、使用到拆除的全過程。包括原材料的獲取，建筑材料與構配件的加工制造，現場施工與安裝，建筑的運行和維護，以及建筑最終的拆除與處置。所謂”全壽命周期評價“，即將材料構件生產、規劃與設計、建造與運輸、運行與維護、拆除與處理全循環過程中物質能量流動所產生對環境影響的經濟效益、社會效益和環境效益綜合評價。建筑材料和結構延壽是全壽命周期的組成部分，也是建筑可持續發展不可缺的環節，單純以材料和結構延壽來說建筑的壽命問題，只是技術層面的問題，其重要性容易被忽視。只有將其放到全壽命周期的高度，才能更加引起各方重視和關注，才能更好推動材料和結構延壽研究的深入、技術的發展。

2）以綠色建筑理念為核心，使建筑材料和結構延壽和可持續發展有機結合。綠色建筑是指為人們提供健康、舒適、安全的居住、工作和活動的空間，同時在建筑生命周期（物料生產、建筑規劃、設計、施工、運營維護及拆除、回收過程）內實現高效率地利用資源（能源、土地、水資源、材料）、最低限度地破壞環境的建筑物。綠色建筑是以節約能源、有效利用資源的方式，建造低環境負荷情況下的安全、健康、高效及舒適的居住空間，達到人、建筑與環境共生共榮、持續發展。綠色建筑是建筑發展的大趨勢，是具有強大生命力的建筑。應該說建筑材料和結構延壽是綠色建筑應有之意，綠色建筑蘊含著材料和結構延壽。比如綠色混凝土具有比傳統混凝土更高的強度和耐久性，可以實現非再生性資源的可循環利用和有害物質的最低排放，既能減少環境污染，又能與自然生態系統協調共生。綠色混凝土的環境協調性是指對資源和能源的消耗少、對環境污染小和循環再生利用率高。此外，綠色混凝土還具有自適應性，也即具有滿意的使用性能，又能夠改善環境，具有感知、調節和修復等機敏特性。

3）利用現代混凝土科學技術增加混凝土的使用壽命，盡量減少造成修補或拆除的浪費和建筑垃圾，大量利用優質的工業廢棄物和礦石，盡量減少自然資源和能源的消耗，減少對環境的污染，使混凝土高性能化和綠色化。高性能混凝土具有良好的耐久性和優異的工作性和物理力學性能，被稱為 21 世紀的混凝土。高性能混凝土與普通混凝土的不同之處是普通混凝土的設計是以強度作為主要控制指標，而 HPC 則是以耐久性作為主要控制指標，強度只起從屬的作用。高強度不一定高性能，而高性能必須要求混凝土具有較高的密實度和抗滲能力，因此其強度也不會太低。國內外研究資料表明，高性能混凝土具有優良的抗滲、抗凍性，并能抑制堿 - 骨料反應，抗碳化能力、抗 Cl - 滲透性及耐蝕性均有大幅度提高，徐變和干縮性能也有較大改善。綠色混凝土主要特點有最大限度地降低水泥用量，大量利用工業廢料；與傳統混凝土相比，具有更加良好的力學性能和耐久性；具有與自然環境的協調性，減輕對環境的負荷，實現非再生資源的可循環使用，節省能源及還物質的”零排放“；能夠為人類提供溫和、舒適、便捷和安全的生存環境。

4）大力發展鋼結構建筑。鋼結構建筑是資源節約型建筑。作為重要的節能型建筑形式，鋼結構建筑資源消耗量較少，每平方米消耗資源量大約是 800 ～ 1000kg，其中 50％是可再生資源，而鋼混結構每平方米消耗資源量則在 1700kg 以上。我國建筑用鋼量占總用鋼量的 30％，美國、日本則達到 50％～ 55％，我國建筑用鋼量其中鋼結構用鋼量占 10％，而美國則達到40％～ 50％，可見，鋼結構的應用在發達國家是十分普遍的。我國目前的鋼結構發展水平與之存在一定差距。鋼結構建筑將有效帶動建筑業的產業升級。”住宅產業化“的概念是德國人在 1910 年率先提出的，近 100 年來，歐洲許多國家大量興建鋼結構多、高層建筑，逐步形成較高的鋼結構工業化生產和裝配水平。鋼結構建筑屬于高技術、高效率產品，發展鋼結構建筑，對建筑業的技術進步，促進建筑業產業升級，向技術密集型產業轉化，將起到極大推動作用。鋼結構建筑綜合效益顯著，鋼結構建筑便于實現工廠化、規模化生產，比傳統磚混結構和鋼筋混凝土結構施工周期短、現場用工少、勞動生產率高，而且品質易保證。鋼結構建筑的另一個突出優點是自重輕、延性好、抗震性能優越，對于我國這樣多地震災害的國家來說，可以明顯減輕地震造成的損失。鋼結構建筑隔熱保溫性能好，有利于建筑節能，同時鋼材可回收利用，符合中央”大力發展循環經濟，建設節約型社會“的方針。

聲明：本網原創，轉載時請務必標明文章來源和作者信息。未經允許，嚴禁用于商業用途。

后記

混凝土是世界最大宗建筑材料，是建筑施工中不可或缺的新型材料。在我國科技水平日益發展的今天，鋼筋混凝土在建筑界占據著非常重要位置，大力提高鋼筋混凝土的耐久性，力控腐蝕以保國家工程永固長新！

人物簡介

王東林，男，1958 年 4 月出生，中共黨員，教授級高級工程師，中冶建筑研究總院首席專家，1980 年 7月畢業于北京科技大學、金屬腐蝕與防護專業，同年分配到中冶建筑研究總院工作至今，擔任中冶建筑研究總院工程材料院副總工程師、中冶建筑研究總院科技委委員，中國腐蝕與防護學會建筑工程專業委員會常務副主任兼秘書長、中國工程建設標準化協會防腐蝕委員會副主任、中國土木工程學會混凝土耐久性專業委員會副主任、北京腐蝕與防護學會副理事長，中國腐蝕與防護學會常務理事。曾任中冶建筑研究總院工程材料院副院長。

主持參加完成國家及部級科研成果 12 項，12 項科研成果全部是填補國內空白，有的性能指標具有國際領先水平，其中 2 項獲得國家科學技術進步二等獎，一項獲得中冶集團科學技術一等獎。主持并完成國內及國外9 項重點防腐（檢測）工程。主編及參編國家規范標準 10 部，發表論文 50 多篇。

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。