混凝土中鋼筋銹蝕對建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的影響

簡 耀

1 建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的緊迫性

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

建筑業(yè)是典型的立足于消耗大量資源和能源、對自然環(huán)境產(chǎn)生極大影響的產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計,建筑業(yè)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(chǎn)生了全球24%的空氣污染、50%的溫室效應(yīng)、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(jīng)濟活力的不斷提高,我國建筑業(yè)也取得了飛速的發(fā)展,逐漸成為關(guān)系到國計民生的支柱產(chǎn)業(yè)。住宅方面:隨著我國新農(nóng)村建設(shè)的政策以及城市化步伐的加快,城鄉(xiāng)建筑發(fā)展十分迅速,房屋建設(shè)規(guī)模日益擴大,住宅產(chǎn)業(yè)投資規(guī)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(jīng)居世界第2位。建設(shè)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(nèi)建成[3],這樣的建設(shè)規(guī)模與速度是世界罕見的。如此大規(guī)模的建設(shè)和強大的市場需求,增加了我國對資源的需求和對環(huán)境的影響,因此也增加了建筑業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的緊迫性。

2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足對建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的嚴重影響

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在可預(yù)見的工作環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下,在預(yù)期的使用年限內(nèi)抵抗大氣影響、化學(xué)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(jié)構(gòu)耐久性不足引起了巨大的經(jīng)濟損失。根據(jù)美國標準局(NBS)1975年的調(diào)查,美國全年各種因混凝土結(jié)構(gòu)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(guān)于美國公路與橋梁狀況的報告中指出:“現(xiàn)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(xiàn)代公路、公用與商業(yè)用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題也十分突出。英國環(huán)保部門最近的一份報告估計,英國建筑工業(yè)的年成交額為500億英鎊,而現(xiàn)在,因鋼筋銹蝕破壞需要更換鋼筋或重建的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(dān)[5]。

在前蘇聯(lián)一般工業(yè)區(qū),大部分工業(yè)廠房和構(gòu)筑物都不同程度的遭到各種介質(zhì)的侵蝕,其損耗總值每年達400億盧布以上,約占工業(yè)固定資產(chǎn)總值的16%,若不對這些廠房和構(gòu)筑物采取措施,那么因建筑結(jié)構(gòu)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(jù)瑞士聯(lián)邦公路局統(tǒng)計,瑞士公路系統(tǒng)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(jié)構(gòu)耐久性的問題也十分嚴重,據(jù)1986年國家統(tǒng)計局和建設(shè)部對全國城鄉(xiāng)28個省、市、自治區(qū)的323個城市和5 000個鎮(zhèn)進行普查的結(jié)果,目前我國已有城鎮(zhèn)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(yè)廠房約5億m2,覆蓋的國有固定資產(chǎn)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(shù)以上急需維修加固之后才能正常使用[8]。1989年,建設(shè)部混凝土結(jié)構(gòu)耐久性調(diào)查組對北京、杭州等地區(qū)的一些建筑物進行了調(diào)查,結(jié)果表明,建國初期的建筑物均已達到必須大修的狀態(tài);現(xiàn)有的大多數(shù)工業(yè)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(jié)構(gòu)耐久性不足對資源需求、生態(tài)環(huán)境平衡構(gòu)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(chǎn) 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(chǎn)量的55%[3],全世界總水泥產(chǎn)量約為15億t。生產(chǎn)15億t水泥將產(chǎn)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(yīng),它還和SO2與NOx通過形成酸雨危害農(nóng)作物及其他植被[9]。NOx和粉塵還使環(huán)境惡化,影響人類健康。同時,水泥生產(chǎn)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(jié)構(gòu)耐久性不足還會迫使大量混凝土結(jié)構(gòu)提前拆除,結(jié)構(gòu)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(huán)境的影響也是當(dāng)前社會不可忽視的一個重要問題。

總之,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足對建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展形成嚴峻的挑戰(zhàn),嚴重威脅著人類的生存和發(fā)展。今天建造的混凝土結(jié)構(gòu)物若不是現(xiàn)在的50年壽命,而是250年壽命,那么混凝土業(yè)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(jié)構(gòu)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(yīng)、凍融循環(huán)、浸析腐蝕、化學(xué)腐蝕、結(jié)晶腐蝕等;另一類是由于混凝土內(nèi)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(xué)術(shù)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(dāng)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(huán)境的物理化學(xué)作用?！庇纱丝梢婁摻钿P蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的首要因素,鋼筋的銹蝕會導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件承載力下降和延性的降低,從而影響整個結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,嚴重的銹蝕甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。

在前節(jié)所述由于混凝土耐久性不足所造成的巨大經(jīng)濟損失中,絕大多數(shù)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(tài),是大大超出人們意料的。國外流行一個“五倍定律”,即設(shè)計階段對鋼筋防護方面節(jié)省1美元,那么就意味著:發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)耐久壽命的關(guān)系,可用如圖1所示的曲線近似說明[5]。

混凝土結(jié)構(gòu)的實際壽命是圖1中四個階段所經(jīng)歷的時間總和,即為 t0+t1+t2+t3,但在進行結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)耐久性退化的原理與規(guī)律,一方面能對已有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物進行科學(xué)的耐久性評估和剩余壽命預(yù)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(shè)計。

4 結(jié)語

無論是在國內(nèi)還是國外,混凝土中鋼筋的銹蝕是嚴重威脅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)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(yè)乃至整個社會可持續(xù)發(fā)展的必然要求,具有重大的現(xiàn)實意義和深遠的歷史影響。

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