海水環境下，混凝土結構壽命如何延長？

談混凝土耐久性離不開環境對其的影響，不同的環境下，延長混凝土耐久性的要求各不相同。

與其他環境相比，海水環境最大的特點是含有氯鹽。在這種環境下，氯離子很容易滲透進混凝土中，引起結構破壞、功能降低，甚至影響建筑工程使用安全。因此，在海水環境下，如何減少氯離子對混凝土的影響、如何在海水環境下提高混凝土耐久性是行業一直關注的問題。近日，帶著這些問題本報記者采訪了中交第四航務工程局有限公司副總工程師王勝年。

從不足30年到50年以上

“在海洋環境下，混凝土所面臨的最大挑戰就是如何避免因海水環境氯鹽腐蝕而導致結構過早破壞，最大限度延長結構使用壽命，即提高混凝土結構的耐久性。”

王勝年指出，自20世紀80年代起，我國混凝土耐久性技術快速發展。一是我國廣大科技工作者在海水環境混凝土結構耐久性基礎理論方面做了大量研究工作，如原材料組成等自身因素外，考慮潮汐影響、環境溫濕度影響、荷載和環境多因素耦合影響的混凝土劣化機理、結構性能退化規律、耐久性時變演化過程等，為混凝土耐久性技術發展提供了理論基礎。

二是在海水環境混凝土結構綜合防護技術上，研究開發了大量新材料和新技術。如海工高性能混凝土、混凝土表面涂層、硅烷及環氧涂層鋼筋等一系列附加防腐蝕措施等。此外，還有摻入混凝土中可以提高混凝土密實性和抗氯離子滲透性的無機型抗侵蝕增強劑和憎水型抗侵蝕抑制劑；摻入混凝土可以延緩鋼筋銹蝕的醇胺類復合阻銹劑；可以代替普通鋼筋的耐蝕鋼、不銹鋼鋼筋和FRP筋；混凝土結構抗裂材料和技術；防腐和耐候性更好的氟碳、聚硅氧烷、石墨烯防腐涂料，以及聚合物包覆材料等。

  港珠澳大橋  王勝年/供圖

三是在海水環境在役混凝土結構的維護技術上也取得了突破，除對海水環境混凝土結構材料、結構性能退化規律開展大量研究取得的成果外，在混凝土結構耐久性提升和結構延壽方面，也取得了不少具有較高應用價值的研究成果，如可以實時掌握實體混凝土結構內氯鹽侵蝕情況的傳感器、耐久性在線監測技術；在役結構耐久性檢測和壽命評估技術；延壽效果顯著的電化學維修技術，如電化學脫鹽、外加電流陰極保護等。

“統計數據表明，我國20世紀80年代前興建的海港高樁碼頭和沿海橋梁耐久性壽命普遍不足30年，形成鮮明對比的是，根據對2000年以后建成的工程調查，調查結果表明，工程結構壽命基本上都能達到50年以上甚至百年，而且耐久性技術進步、標準提高、設計施工技術提升，表明我們已具備建造百年及以上沿海（跨海）工程的技術條件和能力。”王勝年說。

科技進步推動混凝土耐久性提升

混凝土耐久性的提升離不開社會各界的共同努力，其中廣大科技人員的辛勤攻關是關鍵因素。

王勝年主持和參加的國家及省部級科研項目三十多項，在混凝土材料及耐久性、腐蝕與防護、結構健康診治等基礎研究和工程應用領域成果卓著。

“基于長期暴露試驗的混凝土結構耐久性劣化演變規律，建立了海水環境混凝土結構耐久性壽命預測模型。創立以海工高性能混凝土與附加防腐蝕措施相結合的綜合防護技術體系。在海水環境混凝土結構健康診治方面，一是提出貫穿于工程全壽命周期的耐久性技術理念和措施，如港珠澳大橋工程，其運營期耐久性監測方案及必要的耐久性維護措施在設計階段就有明確規定。二是在研究和工程實踐基礎上，將海水環境混凝土結構剩余使用壽命評估方法和電化學維修技術，納入我國交通運輸部水運工程行業技術標準。”

  鹽田國際集裝箱碼頭二期工程  王勝年/供圖

談到所取得的成績，王勝年倍感欣喜。他表示，海水環境工程老舊結構與一般環境顯著不同的是，結構混凝土中已存在滲入的氯離子，傳統局部維修方法因不能除去混凝土中的氯離子，新舊修補區域之間的原電池作用反而會加速腐蝕，從而導致修復后一般不超過5年就會再次出現腐蝕破壞。而電化學維修技術，一次修復可確保15年以上不出現腐蝕破壞，這就解決了傳統維修方法導致的工程使用壽命短、屢修屢壞的難題。該維修方法技術要求相對復雜，雖然相對于傳統維修成本高，但從使用壽命周期來考慮，全壽命周期總成本降低。然而因技術原因和對工程維護成本的傳統認知，長期以來該技術的推廣使用受到限制，并沒有大量應用。

在重大工程中不斷積累經驗

多年來，我國在海水環境下提升重大工程混凝土耐久性方面積累了很多經驗。其中，20世紀90年代末的深圳港鹽田港區國際集裝箱碼頭二期工程、港珠澳大橋給王勝年留下了深刻的印象。

王勝年表示，深圳港鹽田港區國際集裝箱碼頭二期工程是國內第一個采用50年設計使用年限（要求50年不大修）建造的海港高樁碼頭，設計要求混凝土耐久性指標為氯離子擴散系數和吸水率。為滿足設計要求，必須采用高性能混凝土技術。當時，國內海工高性能混凝土技術剛起步，工程經驗缺乏，在配制高性能混凝土兩大重要技術手段——減水劑產品性能和礦物摻和料使用上還存在不少技術障礙，從研究成果到工程化應用存在不少困難。

港珠澳大橋是舉世矚目的超級工程，當時，國內沿海重大或跨海基礎設施一般設計使用年限是100年，顯然現有技術標準不適合該工程，且華南高溫高濕的海水環境腐蝕情況更為嚴重，所以工程備受關注的就是如何建立一套有效技術措施，能確保工程達到120年使用壽命。

王勝年表示，從工程初步設計階段開始，他就帶領團隊技術骨干一起開展研究，并通過分析耐久性設計、施工和后期維護等各階段影響壽命的技術堵點，梳理全壽命過程三大方向12項關鍵技術，還聯合清華大學、同濟大學等高等院校、專業研究機構共同開展技術攻關。最終形成了集耐久性設計、施工、維護為一體的120年使用壽命保障成套技術體系，成功支撐了港珠澳大橋的設計施工和后期維護。

從50年以上到100年以上的展望

“當前，大部分海工基礎設施，如海港碼頭、跨海橋梁等都是50年以上甚至100年以上的長壽命工程，經濟性還應從工程全壽命周期成本和綠色低碳等可持續性方面加以考慮。”

對此，王勝年表示，當前提高海水環境混凝土結構耐久性的主要應對措施分為兩類：一類是提高結構自身的抗氯離子侵蝕能力，即所謂對結構“強身健體”，如結構設計上選擇有利于抗海水侵蝕的構件型式、適當增加構件內鋼筋保護層厚度、合理限制混凝土裂縫、采用更密實、抗氯離子滲透性強的海工高性能混凝土材料等；另一類是對結構采取附加防腐蝕措施，即為結構加上一道“防護措施”。當然上述兩類措施一般是結合使用，如何結合、具體采取什么措施則要體現“合理有效”的原則。目前，在工程不同部位腐蝕環境等級劃分及相應耐久性措施的選擇上，我國國家標準及公路、鐵路、水運、水利等相關行業標準都有比較明確的規定。

談到未來時，王勝年認為，最有效的措施，一是加強耐久性基礎性研究，注重交叉學科的融合，耐久性本身注定了其工作的長期性，耐久性成果的取得需要時間的積累。二是耐久性直接影響結構使用壽命，是一項貫穿于設計、施工和維護等全生命周期的系統問題，重大工程應將耐久性問題納入工程全壽命周期考慮，并做好各環節耐久性技術措施的銜接。

王勝年表示，目前我國海水環境基礎設施將逐步進入老化維護階段，耐久性檢測評估、基于耐久性提升和結構延壽維修加固等技術的推廣應用，將會顯著提高我國海水環境基礎設施養護技術水平、降低工程全壽命成本，有利于工程可持續發展。