[摘 要] 當今世界建筑工程，仍以鋼筋混凝土結構為主體。混凝土的耐久性已成為重大課題。在使用環境中，混凝土自身的腐蝕、特別是混凝土中鋼筋腐蝕，已是影響耐久性的主要因素。本文重點討論腐蝕與耐久性關系中，相關壽命預測方面的進展與難點問題。
[關鍵詞] 腐蝕 耐久性 壽命預測 經濟分析
1． 引言
從1987年世界第一次混凝土耐久性會議召開以來，到2003年第六次國際混凝土耐久性會議在希臘召開，數年來，混凝土耐久性問題一直是世界關注的焦點之一。這是一個帶有普遍性、實際性問題，與國民經濟和可持續發展緊密相連。許多國家投入大量人力、物力，以期望解決這個世界性問題與難題，同時也取得長足的進展。
我國正在進行空前規模的土木工程建設，混凝土用量連續多年來處于世界第一位，混凝土的耐久性是我國面臨的重大而迫切的問題之一；同時，我國大量已有的鋼筋混凝土結構，達不到設計壽命、過早破壞的問題也凸現出來。這是需要我們認真對待的。
混凝土耐久性研究，涉及到廣泛的技術、學術領域，其中，相關壽命預測的課題成為國內外研究的熱點。壽命預測的必要性與重要性是不言而喻的。新建工程的設計階段，就需要以壽命預測作基礎，這種預測的準確度越高，該工程的壽命保障的可靠性就越大（反之也成）。
而對于已有工程，何時需要修復、修復后的耐久性如何等，也是需要預測的。
目前，世界上公布的混凝土耐久性壽命預測“模型”已經有不少，更多的研究正在進行中。研究最多的“模型”，是與腐蝕相關，特別是有關鋼筋腐蝕與混凝土耐久性關系的“模型”研究，是最普遍和深入的。目前，進入工程使用的“模型”，多以氯離子引起鋼筋腐蝕為出發點。其中原因，正如梅塔教授（V. M. Malhotra）強調的那樣，鋼筋腐蝕是排名第一位的影響混凝土耐久性的因素。當然，其他因素（凍融、堿集料、硫酸鹽等）也在研究之中。人們的研究已經由單一因素向多因素發展，但其中的復雜性和難點是不能回避的。即使是單一因素（如氯離子），仍然有許多問題需要探討。正如一些學者指出的，目前，“模型”研究雖然取得了長足進展，但從工程使用的角度看，還仍然是“初步的”。各類“模型”的可靠性有很多差別。關鍵是大量基礎數據的采集與積累。僅有少量試驗室數據或靠“假設”所建立起來的“模型”，是很少有使用價值的。以下，以氯鹽引起鋼筋腐蝕的相關問題，進行討論與探討。
2．氯鹽引起鋼筋腐蝕與混凝土的耐久性
統計數據表明，美國近期每年的腐蝕損失達2760億美元，而其中基礎設施、公共設施的腐蝕損失占總損失的52%（http://www.exponent.com/practices/materials/corrosion_），這些設施大多以鋼筋混凝土為主體。據悉，美國因鋼筋腐蝕的成本（包括修復）每年超過1500億美元。鋼筋腐蝕是結構破壞的主要原因，這已經是普遍接受的說法。混凝土中鋼筋腐蝕是基礎設施的主要威脅，是混凝土結構耐久性的主要問題之一。
雖然引起鋼筋腐蝕的環境因素也是多方面的，而其中氯鹽的作用成為主要“元兇”（被稱作“鹽害”）。氯鹽主要來源于海洋環境、使用化冰鹽等，這在世界范圍都是廣泛存在的。有資料表明，美國因氯鹽因素所造成的經濟損失，可占到GNP的4%( Parker 1, 1997)，因而，氯鹽環境不僅是影響混凝土耐久性的主要外在條件，同時也是個經濟問題，成為技術界學者、經濟界學者、政府官員與管理者共同關注的問題，是當今國內外研究的重點、熱點問題。
我國地域廣大，跨越亞熱帶到寒帶區段，從海洋性氣候到大陸性氣候，還有嚴重的環境污染等問題。我國北方廣大地區，冬季仍然是使用以氯鹽為主的“融雪劑”（不僅不“環保”，而且腐蝕性很強），我國內陸、沿海還有不少“鹽漬土”地區。總的說來，我國的鋼筋混凝土結構，面臨著比較嚴酷的腐蝕環境，特別是氯鹽腐蝕影響混凝土耐久性的問題，值得高度重視。
2000年我國發布了《建設工程質量管理條理》（中華人民共和國國務院第279號令），首次以政令形式規定了“設計文件應符合國家規定的設計深度要求，注明合理使用年限”“建設工程實行質量保修制度……基礎設施工程最低保修期限為設計文件規定的該工程的合理使用年限”。這是國家對基礎設施工程的耐久性，提出了明確的要求。實際上是貫徹實施基礎設施工程的“全壽命責任制”，其意義是重大而深遠的，對我國混凝土結構耐久性工作的研究與發展，已經和正在起著巨大推動作用。
3． 氯鹽腐蝕預測“模型”與其可靠性討論
3.1“模型”依據
可能有不同的“壽命期”理解與定義，而對于氯鹽的影響，通常用圖1的“四階段論”（Cady-Weyers）和菲克第二定（Fick，公式1）作為依據律進行描述的。
按圖1，Clˉ導致鋼筋腐蝕結構破壞大致可分為A、B、C、D 四個階段：
A——Clˉ進入混凝土中，在鋼筋表面達到“臨界值”（鋼筋開始腐蝕）；
B——鋼筋腐蝕發展，混凝土順筋開裂發生；
C——鋼筋腐蝕繼續發展、膨脹，導致混凝土剝落；
D——鋼筋腐蝕繼續發展，最終導致結構失效、破壞。
早期的研究者認為，要控制結構的使用年限，控制第一階段是最重要、最實際的（后面三個階段是很難控制的難度大）。于是，早期絕大多數的“模型”創建者，均將第一階段的末端（鋼筋開始腐蝕）定義為“壽命期”（預示結構應該考慮修復了，并不等同于結構實際使用壽命）。
另外一個理論依據（大多數的研究者贊同）是利用菲克定律來描述Cl— 在混凝土中擴散過程的，其簡單表達式是：
C（x, t）= C0(1-erf x/2√D0t ) (1)
式1中：
C（x, t）——經過時間t達到混凝土深度x處的Cl—濃度；
C0——混凝土表面的Cl—濃度；
D0——Cl—擴散系數。
理論上講，只要知道混凝土表面的Cl—濃度C0、Cl—擴散系數D0，和鋼筋表面混凝土層的厚度，在確定一個“臨界值”的情況下，就可以計算出鋼筋開始腐蝕的時間（t）來，那么“壽命期”便是可推算和預知的了。
3.2“模型”可靠性、可用性分析
“模型”的真正意義在于它的可用性、可靠性。由公式1可以看出，“模型”與實際的符合程度，取決于C0、D0t的正確選擇和“臨界值”的恰當確定。這幾個參數恰恰是問題的焦點與難點：
——C0 定義為混凝土表面的Cl—濃度（kg/m3），它應該從現場實測中獲得。“現場”是復雜多變的，取樣方法與厚度不同、化驗分析方法不統一，C0 定量值很難準確化，比如，對于海洋飛濺區，以往研究者確認C0 的取值可能在10-18 kg/m3范圍內。取值不同，則結構壽命預測值也不一樣；
——D0定義為Cl—擴散系數，可能由試驗室試驗確定或由現場分層取樣化驗分析確定。試驗與取樣方法的不同（相關試驗方法，目前存在著許多差異和爭論），可以得出相差很大結果，而準確地測定D0仍然是難題之一。何況實際中D0是隨時間、溫度等變化的，雖然近期的研究者已經考慮的修正問題，但D0的公認測定方法、與實際的符合等，仍然是需要認真探討、研究的。
——C（x, t）定義為經過時間t達到混凝土深度x處的Cl—濃度。如果C達到“臨界值”作為“模型”判斷“壽命期”的依據，那么，Cl—濃度“臨界值”的測量與確定就是至關重要的了。然而，恰恰是在此問題上，世界范圍的研究者存在著明顯的分歧和認識上的不一致。“臨界值”存在兩個方面的問題，其一是“到底應該是多少？”，第二是用什么方法、手段確定。雖然Cl—濃度“臨界值”，可以用試驗或現場調查分析方法獲得，然而，不同試驗條件、不同方法，甚至不同混凝土配比和施工工藝等，都會影響“臨界值”和得到不一致的結果。理論研究者以Cl—/OH—為依據，給出的“臨界值”范圍為0.25-2.5（相差10倍），實際工作者以混凝土中Cl—含量為依據，給出的“臨界值”范圍在0.36-2.4 kg/m3）之間（相差6.6倍）。看來，隨便選定一個“臨界值”是不適當的，而具體到工程應用，準確地確定“臨界值”，并不是很容易的。
以上分析可見，工程實際中，以上幾個關鍵因子的確定都有其難點，因為每一個因子又受到多方面因素的影響與制約。需要做大量、深入、細致的試驗研究工作，獲取足夠的試驗室和現場數據。只有認真、科學地對待、努力克服這些難點，才能使“模型”的可靠性、可用性得到實質性的提高。
創建“模型”已經成為“熱點”，但關鍵要有實用價值。根本問題還在于基礎數據的積累（數量、質量）和試驗方法的可靠性、通用性，并最大限度的符合實際，更嚴肅、嚴格、嚴密的科學態度。國內外研究者正在對準“熱點”努力攻關。
以上僅僅討論了圖1中以第一階段（鋼筋腐蝕開始）為“壽命期”的“模型”。有些研究者認為，以第二階段的終點（混凝土出現順裂紋）為“壽命期”更為合適（是決定修復的最好時機）。這種觀點逐漸得到認同，一批研究者已經著手研究第二階段終點的確立、確認問題。研究者多已鋼筋腐蝕速度、銹層厚度、開裂時間等作為參數和判別依據，這方面同樣存在難點、乃至難度更大。比如，實際中鋼筋腐蝕速度是隨條件、時間變化的，銹蝕是不均勻的，混凝土開裂與許多因素都有關系（厚度、配筋等），怎樣總合考慮這些問題，正是研究者所關注的。同時，需要大量現場調查、長時期實物試驗和可靠的試驗室試驗方法進行的數據積累、統計、優化，才可獲得有價值的“模型”。
另外一個重要問題是，實際中混凝土不可避免的存在微觀、宏觀裂縫。而圖1的“四階段論”和菲克第二定律（公式1），僅使用于無裂紋的情況（這是理想狀態）。實際中，需要考慮裂紋存在下的“模型”，這又給可用性“模型”的創建帶來新的挑戰。
人們并沒有知難而退，世界上有一批科學工作者正在不懈努力，有的已經創建了有使用價值的“模型”（已經納入一些國家的規程、規范、指南等），并且正在考慮、研究多因素的影響。國內研究比較分散，但也在為此而努力。
4．“模型”的發展與應用
國內外對以基礎設施為主的混凝土結構，提出50-100年的使用年限要求（如跨江、跨海大橋、重要場館等），有些要求年限更長（如水電、核電站等）。在氯鹽環境下（海洋環境、使用化冰鹽），實踐證明，達到所期望的使用年限并不是容易的。首先必須從設計者做起（設計階段就考慮到耐久性問題與選擇保障措施）。而壽命預測“模型”是設計者的幫手和依靠工具。“模型”的第一功能是幫助確立“壽命期”（或修復期）；第二功能與任務是優選延長結構壽命的措施。第二點應該著重強調，因為它包含了實現長壽命的許多具體技術措施，如混凝土方面，包括水泥品種、水灰比、混凝土層厚，摻加硅粉、粉煤灰、阻銹劑等（高性能混凝土）；鋼筋方面包括普通鋼筋、耐蝕鋼筋、環氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋、非金屬鋼筋等；還有混凝土外涂層、陰極保護等。
