鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕與全壽命經(jīng)濟(jì)分析
2007-01-29 00:00
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[摘 要] 我國(guó)基工程建設(shè)，仍以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主體。而基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性，卻成了當(dāng)今世界的重大問(wèn)題。腐蝕、特別是混凝土中鋼筋腐蝕，成為影響耐久性的主要因素之一。本文概述腐蝕與耐久性的關(guān)系，腐蝕對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響及介紹“全壽命經(jīng)濟(jì)分析法”的有關(guān)內(nèi)容與意義。
[關(guān)鍵詞] 腐蝕 耐久性 壽命期 經(jīng)濟(jì)分析
REINFORCING CONCRETE CORROSION OF INFRASTRUCTURE AND LIFE —CYCLE COSTING ANALYSIS
Hong Nai-feng
(Central Research Institute of Building and Construction of MMI，Beijing 100088）
[Abstract] The infrastructure constructs mainly with the reinforcing concrete in China. The Durability of infrastructure is a grave question. Rebar corrosion in concrete is mass instance. This paper present corrosion- durability and LCCA
[Keywords] corrosion durability life-cycle costing analysis
1． 引言
2000年我國(guó)發(fā)布了《建設(shè)工程質(zhì)量管理?xiàng)l理》（中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院第279號(hào)令），首次以政令形式規(guī)定了“設(shè)計(jì)文件應(yīng)符合國(guó)家規(guī)定的設(shè)計(jì)深度要求，注明合理使用年限”“建設(shè)工程實(shí)行質(zhì)量保修制度……基礎(chǔ)設(shè)施工程最低保修期限為設(shè)計(jì)文件規(guī)定的該工程的合理使用年限”。這實(shí)際上就是對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施工程的耐久性提出明確要求。以往，待工程驗(yàn)收后，設(shè)計(jì)和工程承包方就算基本“完成任務(wù)”，一般不再承擔(dān)使用期間環(huán)境破壞、修復(fù)、重建等的相關(guān)義務(wù)和責(zé)任。這就造成了大量工程因耐久性不足引起的、由國(guó)家承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)務(wù)院第279號(hào)令中的上述規(guī)定，實(shí)際上是貫徹實(shí)施基礎(chǔ)設(shè)施工程的“全壽命責(zé)任制”，其意義是重大而深遠(yuǎn)的。
以往對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性認(rèn)識(shí)不足或重視不夠，不少?lài)?guó)家吃了大虧。在經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，以美國(guó)為首的一些國(guó)家，率先推出了“全壽命經(jīng)濟(jì)分析”（Total Life Cycle Cost Analysis）的概念，也稱(chēng)作“壽命期成本分析”（LCCA）。在美國(guó)，它既是政府法令，又是工程投資的評(píng)估、計(jì)算方法。設(shè)計(jì)、工程承包和投資方，都要以“全壽命”為出發(fā)點(diǎn)，為保證規(guī)定的工程使用年限，采取技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理的戰(zhàn)略措施。由于美國(guó)以橋梁為主的鋼筋腐蝕破壞最為突出，所以政府指令LCCA首先在交通、公路系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施工程和管理中實(shí)行。據(jù)悉，世界上已經(jīng)有20多個(gè)國(guó)家采用了LCCA法。作者訪(fǎng)問(wèn)我國(guó)臺(tái)灣省時(shí)，被告知臺(tái)灣也正準(zhǔn)備實(shí)行LCCA法。
我國(guó)正處在基礎(chǔ)建設(shè)的高潮時(shí)期，貫徹279號(hào)令意義重大，進(jìn)而對(duì)“全壽命”進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析也勢(shì)在必行和更具深遠(yuǎn)意義。
2． 腐蝕、耐久性與國(guó)民經(jīng)濟(jì)
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，都起著極其重大的作用。鋼筋混凝土在一定條件下也是相對(duì)耐久的，成為世界上最龐大的建筑材料和結(jié)構(gòu)形式。然而。隨著時(shí)間的推移和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的積累，人們不斷認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在“耐久性”問(wèn)題，而其中橋梁的耐久性更顯得突出。世界上一些國(guó)家的許多橋梁，遠(yuǎn)達(dá)不到人們預(yù)想的使用壽命（設(shè)計(jì)年限）的要求，甚至在幾年、十幾年內(nèi)就發(fā)生嚴(yán)重破壞。給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)重大損失。
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題，可以說(shuō)成是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，諸多的影響因素、眾多的人為原因，不是容易分析和控制的。就大的方面說(shuō)，有材料（水泥、鋼筋品質(zhì)與質(zhì)量等）、設(shè)計(jì)（耐久性的考慮與對(duì)策）、施工（質(zhì)量控制）、使用、管理、維護(hù)等因素，更有使用環(huán)境中的眾多因素（污染、腐蝕、凍融、堿集料反映等）。除了一些“先天”因素之外，環(huán)境因素成為影響結(jié)構(gòu)耐久性的焦點(diǎn)，結(jié)構(gòu)物必須經(jīng)受環(huán)境作用的考驗(yàn)和時(shí)間的考驗(yàn)。環(huán)境因素也是多方面的，其中，腐蝕因素被認(rèn)為是主要乃至第一位的影響因素。特別混凝土中鋼筋腐蝕破壞又占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，在有關(guān)混凝土耐久性的國(guó)際會(huì)議上，在眾多影響混凝土耐久性的因素中，把鋼筋腐蝕排列到首位。以橋梁為例，在世界范圍內(nèi)，鋼筋腐蝕破壞的影響尤為突出，特別是沿海、跨海橋，采用防冰鹽的公路橋、城市立交橋以及處于鹽堿地區(qū)的公路、鐵路橋等，腐蝕破壞是相當(dāng)嚴(yán)重的。甚至在幾年、十幾年內(nèi)就不得不修復(fù)或重建，遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限（如40、50年）的要求，成為世界注目的大問(wèn)題。
引起鋼筋腐蝕的原因，也同樣與上面所列舉的“先天”因素密切相關(guān)。但就環(huán)境因素而言，“鹽害”、特別氯鹽引起腐蝕破壞，在世界范圍內(nèi)和大量現(xiàn)實(shí)表明，Cl—算得上是主要“罪魁禍?zhǔn)住?。?guó)內(nèi)外存在著廣泛的氯鹽環(huán)境：海洋環(huán)境、大量使用道路防冰鹽、鹽湖地域等。這些地區(qū)還往往是基礎(chǔ)建設(shè)的重點(diǎn)投資區(qū)（如我國(guó)沿海開(kāi)發(fā)區(qū)屬海洋環(huán)境、西部大開(kāi)發(fā)中的石油基地多為鹽堿地、青海鹽湖的開(kāi)發(fā)、我國(guó)北方地區(qū)正在大量使用道路防冰鹽等），因此“鹽害”是一個(gè)特別突出的問(wèn)題，甚至對(duì)于一些國(guó)家，“鹽害”已經(jīng)成為影響基礎(chǔ)設(shè)施耐久性的關(guān)鍵因素。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，腐蝕所造成的經(jīng)濟(jì)損失一般可達(dá)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值（GDP）的 2-4%。如歐洲約為3%，美國(guó)和澳大利亞均為4.2%，而波蘭則為6-10%。我國(guó)尚缺乏嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，若按GDP的 2-4%推算，每年的腐蝕損失可達(dá)1800—3600億元。值得注意的是，按照國(guó)外的統(tǒng)計(jì)，基礎(chǔ)設(shè)施、特別是鋼筋腐蝕所造成的損失，占據(jù)相當(dāng)大的比例。美國(guó)的報(bào)道表明，1975年美國(guó)的總腐蝕損失為700億美元，其中與鋼筋腐蝕有關(guān)的占40%；到1995年，美國(guó)的總腐蝕損失為3000億美元，其中基礎(chǔ)設(shè)施鋼筋腐蝕占到50%（1500億美元）；而最近的報(bào)道，美國(guó)的總腐蝕損失為4400億美元，仍按50%計(jì)，基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕可達(dá)2200億美元。腐蝕損失高于水、風(fēng)、火災(zāi)的總和，大于美國(guó)的國(guó)防軍費(fèi)預(yù)算，不能不引起美國(guó)朝野的震驚和高度重視。
就橋梁而言，美國(guó)九十年代報(bào)道，60萬(wàn)座路橋由于“鹽害”（防冰鹽和海洋環(huán)境），已經(jīng)有半數(shù)以上遭鋼筋腐蝕破壞和40%承載力不足、必須修復(fù)或重建，修復(fù)費(fèi)達(dá)1550億美元，是這些橋初建費(fèi)用的4倍！
1991年，美國(guó)國(guó)家技術(shù)評(píng)估中心（OTA）計(jì)算出美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的總資產(chǎn)為1.4萬(wàn)億美元,,而每年的修復(fù)費(fèi)是1400億美元，恰是總資產(chǎn)的1/10。若橋梁維持40年，則累積修復(fù)費(fèi)是總資產(chǎn)的4倍！用4座橋的費(fèi)用維持一座橋的事實(shí)，深刻地教育了人們，不重視“耐久性”、對(duì)環(huán)境長(zhǎng)期的腐蝕作用認(rèn)識(shí)不足或措施不力，將造成長(zhǎng)遠(yuǎn)的巨大的經(jīng)濟(jì)損失！
據(jù)悉，英國(guó)每年基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)費(fèi)為55億英鎊，澳大利亞的年腐蝕損失為250億美元，特別指明主要部分是基礎(chǔ)設(shè)施中鋼筋腐蝕造成的。歐洲、亞洲、中東等地區(qū)，有大量橋梁鋼筋腐蝕破壞的報(bào)道。加拿大既有海洋環(huán)境又大量使用道路防冰鹽，以橋梁為主的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕破壞特別嚴(yán)重，完全修復(fù)或重建的費(fèi)用至少要5000億美元。據(jù)悉，韓國(guó)、我國(guó)臺(tái)灣省，以橋梁為主的基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕破壞也是明顯和嚴(yán)重的，澎湖大橋使用7年開(kāi)始修復(fù)，17年推倒重建，這僅是橋梁不耐久造成經(jīng)濟(jì)損失的個(gè)例。
我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕破壞以沿海最為明顯，有些碼頭、橋量在使用3-10年內(nèi)就要修復(fù)，而北方撒鹽的危害也已經(jīng)顯露出來(lái)，如北京西直門(mén)立交橋，使用19年就腐蝕嚴(yán)重（已經(jīng)重修），東直門(mén)橋等數(shù)座橋也“鹽害“明顯和嚴(yán)重，不得不修復(fù)、加固處理。更值得注意的是，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正空前高速進(jìn)行，而耐久性防護(hù)措施卻跟不上，如北方撒鹽量每年大幅度增加，而相應(yīng)的“規(guī)范”中卻沒(méi)有“防鹽”措施的規(guī)定！這是十分不利的，其潛在危害是不可低估的。
美國(guó)腐蝕工程師學(xué)會(huì)（NACE）曾指出：“為什么基礎(chǔ)設(shè)施如此嚴(yán)重破壞和造成麻煩？主要原因之一是在整個(gè)基礎(chǔ)項(xiàng)目過(guò)程中，沒(méi)有重視腐蝕防護(hù)并作為工程維護(hù)的組成部分”。國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是我們的一面鏡子，在經(jīng)濟(jì)損失方面曾經(jīng)吃了大虧的國(guó)家，現(xiàn)在，都把加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕防護(hù)作為經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略措施對(duì)待。就此，美國(guó)國(guó)務(wù)院曾發(fā)布過(guò)《白皮書(shū)》，提出要與基礎(chǔ)設(shè)施的“鹽害”等作斗爭(zhēng)，要求采取“以防為主”的策略，倡導(dǎo)先行、主動(dòng)采取防護(hù)措施，以減少后來(lái)在修復(fù)中的高花費(fèi)（以4座橋的費(fèi)用維持一座橋顯然是極不經(jīng)濟(jì)合理的）。在此背景下，產(chǎn)生出首用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的“全壽命經(jīng)濟(jì)分析法”（LCCA）。
3． 全壽命經(jīng)濟(jì)分析法
3． 1 行政法令
美國(guó)《聯(lián)邦基礎(chǔ)設(shè)施投資原則》（第12893號(hào)政府令）明確要求，投資成本要細(xì)化、量化、合理化，工程項(xiàng)目的投資成本包含整個(gè)使用壽命期內(nèi)的一切費(fèi)用。美國(guó)聯(lián)邦公路局（FHWA），于1994年發(fā)布公文《關(guān)于實(shí)施全壽命經(jīng)濟(jì)分析法的政策聲明》（FHWA—94—15）指明：“凡聯(lián)邦和與地方聯(lián)合管理的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的投資評(píng)估，均執(zhí)行“全壽命經(jīng)濟(jì)分析法”（LCCA）”。運(yùn)輸部也指令要求對(duì)橋梁、路、人行道等工程，在設(shè)計(jì)、施工階段，實(shí)施LCCA。1995年美國(guó)發(fā)布國(guó)家公路系統(tǒng)（NHS）設(shè)計(jì)指令，要求在路、橋等設(shè)計(jì)階段，貫徹執(zhí)行LCCA。
3．2 LCCA方法
LCCA作為法令是必須執(zhí)行的，同時(shí)它又是一個(gè)可以具體操作的方法，是重要的投資評(píng)估和經(jīng)濟(jì)分析技術(shù)。美國(guó)法典（USC）給LCCA的定義是“他是一個(gè)程序和方法，用于評(píng)價(jià)可行計(jì)劃項(xiàng)目的總經(jīng)濟(jì)價(jià)值。包括初始成本和經(jīng)折扣的進(jìn)一步成本——整個(gè)壽命期內(nèi)的維護(hù)、修復(fù)、重建和表面翻新處理成本”。以往的工程項(xiàng)目，主要考慮初建成本，工程使用后再花多少錢(qián)則很少乃至不與考慮。實(shí)踐證明，以往的做法是技術(shù)、經(jīng)濟(jì)都不合理的。執(zhí)行LCCA方法，要求一個(gè)工程立項(xiàng)，首先對(duì)其投入資金及其合理性進(jìn)行評(píng)估。全部投資資金應(yīng)包括初始投資和進(jìn)一步投資兩部分組成。第一部分是指建設(shè)時(shí)的設(shè)計(jì)、施工相關(guān)費(fèi)用；第二部分包括保證達(dá)到壽命期所必須的“進(jìn)一步費(fèi)用”。這兩項(xiàng)花費(fèi)的分配要合理。其表達(dá)式為：
n
NPV（當(dāng)前值）= 初值 + ∑[ 1/（1+i ）nk ] （1）
K=1
n ——進(jìn)一步投資的年數(shù)
i ——折扣率
采用LCCA方法對(duì)項(xiàng)目評(píng)估的目的與評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)是在保證工程壽命期的前提下,綜合花費(fèi)最少的成本,實(shí)現(xiàn)技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理。鑒于美國(guó)已經(jīng)有用4座橋的費(fèi)用維持1座橋的深刻教訓(xùn)，特別強(qiáng)調(diào)適當(dāng)增加初始投入以減少后期的巨大開(kāi)支。對(duì)腐蝕破壞而言，就是實(shí)施“以防為主”的戰(zhàn)略方針。美國(guó)LCCA委員會(huì)指出，實(shí)行LCCA的目的就是“減少后期投資、提高項(xiàng)目質(zhì)量與性能”。是一個(gè)長(zhǎng)期效益“最大化”的有效方法。
作為工程項(xiàng)目投資決定和項(xiàng)目投標(biāo)的重要依據(jù)，實(shí)行LCCA能有效避免“短期行為”，使投資方、設(shè)計(jì)者、工程承包方和使用管理部門(mén)，從一開(kāi)始就立足于“全壽命”，各盡其職、各負(fù)其責(zé)，提出技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的方案，并對(duì)多種方案進(jìn)行比較，選出最佳方案。工程項(xiàng)目的投標(biāo)者，應(yīng)該是最佳方案的制定者，而不是初始成本最低者。
實(shí)質(zhì)上，我國(guó)頒布的關(guān)于基礎(chǔ)設(shè)施“終生保修”的意思，也是立足于“全壽命”，扭轉(zhuǎn)以往那種工程驗(yàn)收后“完事”的做法，使設(shè)計(jì)和工程承包單位，必須考慮“耐久性”問(wèn)題，也必然涉及到增加防護(hù)費(fèi)用、對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)的問(wèn)題。這也是在基礎(chǔ)建設(shè)方面，逐漸提高我國(guó)的技術(shù)水平的管理能力、與國(guó)際接軌的重要方面。
實(shí)施LCCA意義重大，長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益巨大。然而真正實(shí)施并非容易，需要有大量的基礎(chǔ)工作、可靠的依據(jù)。如對(duì)橋梁提出75年使用壽命的要求是容易的，但怎樣達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)、施工采取何種措施等，都需要依據(jù)。為此，國(guó)外多年來(lái)做了大量工作，并已經(jīng)有“壽命預(yù)測(cè)模型”軟件問(wèn)世。以下僅介紹LCCA的應(yīng)用實(shí)例。
3．3 LCCA的應(yīng)用實(shí)例
鑒于“鹽害”是影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的主要環(huán)境因素，LCCA大多首先應(yīng)用于氯鹽環(huán)境的分析。美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)（ACI）戰(zhàn)略部與幾個(gè)單位聯(lián)合研制出LCCA—365應(yīng)用軟件，對(duì)氯鹽環(huán)境中常用的各種防護(hù)措施選用，預(yù)測(cè)壽命與成本的關(guān)系。表1列出了鋼筋混凝土常用防護(hù)措施。
表1 在氯鹽環(huán)境中鋼筋防腐蝕常用技術(shù)措施
圖1是對(duì)橋梁進(jìn)行LCCA結(jié)果?？梢钥闯?，在鹽環(huán)境中的常規(guī)混凝土（不采取防護(hù)措施），雖然初建費(fèi)是低一點(diǎn)，但大約15年便開(kāi)始第一次修復(fù)工程，40年內(nèi)要修復(fù)4次，修復(fù)費(fèi)約為初建費(fèi)的4倍（這與美國(guó)橋梁的實(shí)際情況相符合）；而采用加鋼筋阻銹劑同時(shí)摻硅灰的方法，40年內(nèi)不用修復(fù)，初建費(fèi)略有增加，60年的總費(fèi)用較之不采取防護(hù)措施者至少節(jié)約70%！，這也正是近年來(lái)美國(guó)大力推行在密實(shí)混凝土的基礎(chǔ)上加鋼筋阻銹劑的原因所在。 表2給出了利用LCCA方法對(duì)橋梁75年壽命期總花費(fèi)（式1中的NPV值）的評(píng)定結(jié)果的相對(duì)比較值（不采取防護(hù)措施者（空白）為100）?？梢钥闯觯瑥募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)綜合效益看來(lái)，最好的防護(hù)措施還是密實(shí)混凝土加鋼筋阻銹劑。采用該措施，雖然初始成本要增加一些，但在壽命期內(nèi)的進(jìn)一步花費(fèi)（修復(fù)費(fèi)等）大大降低。在技術(shù)上能達(dá)到壽命期要求的前提下，總體花費(fèi)（NPV值）較不采取防護(hù)措施，可節(jié)約成本66%。 | ||||||||||||||||||||
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