鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕與全壽命經(jīng)濟分析

[摘 要]  我國基工程建設(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，腐蝕對國民經(jīng)濟的影響及介紹“全壽命經(jīng)濟分析法”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

 

　　2000年我國發(fā)布了《建設(shè)工程質(zhì)量管理條理》（中華人民共和國國務(wù)院第279號令），首次以政令形式規(guī)定了“設(shè)計文件應(yīng)符合國家規(guī)定的設(shè)計深度要求，注明合理使用年限”“建設(shè)工程實行質(zhì)量保修制度……基礎(chǔ)設(shè)施工程最低保修期限為設(shè)計文件規(guī)定的該工程的合理使用年限”。這實際上就是對基礎(chǔ)設(shè)施工程的耐久性提出明確要求。以往，待工程驗收后，設(shè)計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、由國家承擔(dān)的經(jīng)濟損失。國務(wù)院第279號令中的上述規(guī)定，實際上是貫徹實施基礎(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。

　　以往對基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性認(rèn)識不足或重視不夠，不少國家吃了大虧。在經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，以美國為首的一些國家，率先推出了“全壽命經(jīng)濟分析”（Total Life Cycle Cost Analysis）的概念，也稱作“壽命期成本分析”（LCCA）。在美國，它既是政府法令，又是工程投資的評估、計算方法。設(shè)計、工程承包和投資方，都要以“全壽命”為出發(fā)點，為保證規(guī)定的工程使用年限，采取技術(shù)、經(jīng)濟合理的戰(zhàn)略措施。由于美國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)施工程和管理中實行。據(jù)悉，世界上已經(jīng)有20多個國家采用了LCCA法。作者訪問我國臺灣省時，被告知臺灣也正準(zhǔn)備實行LCCA法。

　　我國正處在基礎(chǔ)建設(shè)的高潮時期，貫徹279號令意義重大，進而對“全壽命”進行經(jīng)濟分析也勢在必行和更具深遠(yuǎn)意義。

　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在過去、現(xiàn)在和將來的基礎(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。隨著時間的推移和經(jīng)驗教訓(xùn)的積累，人們不斷認(rèn)識和發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在“耐久性”問題，而其中橋梁的耐久性更顯得突出。世界上一些國家的許多橋梁，遠(yuǎn)達不到人們預(yù)想的使用壽命（設(shè)計年限）的要求，甚至在幾年、十幾年內(nèi)就發(fā)生嚴(yán)重破壞。給國民經(jīng)濟帶來重大損失。

　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題，可以說成是一個復(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，有材料（水泥、鋼筋品質(zhì)與質(zhì)量等）、設(shè)計（耐久性的考慮與對策）、施工（質(zhì)量控制）、使用、管理、維護等因素，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，結(jié)構(gòu)物必須經(jīng)受環(huán)境作用的考驗和時間的考驗。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)混凝土耐久性的國際會議上，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)達不到設(shè)計使用年限（如40、50年）的要求，成為世界注目的大問題。

　　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)實表明，Cl^—算得上是主要“罪魁禍?zhǔn)住薄鴥?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)的重點投資區(qū)（如我國沿海開發(fā)區(qū)屬海洋環(huán)境、西部大開發(fā)中的石油基地多為鹽堿地、青海鹽湖的開發(fā)、我國北方地區(qū)正在大量使用道路防冰鹽等），因此“鹽害”是一個特別突出的問題，甚至對于一些國家，“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)計數(shù)據(jù)表明，腐蝕所造成的經(jīng)濟損失一般可達國民經(jīng)濟總產(chǎn)值（GDP）的 2-4%。如歐洲約為3%，美國和澳大利亞均為4.2%，而波蘭則為6-10%。我國尚缺乏嚴(yán)格的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，若按GDP的 2-4%推算，每年的腐蝕損失可達1800—3600億元。值得注意的是，按照國外的統(tǒng)計，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。美國的報道表明，1975年美國的總腐蝕損失為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）；而最近的報道，美國的總腐蝕損失為4400億美元，仍按50%計，基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕可達2200億美元。腐蝕損失高于水、風(fēng)、火災(zāi)的總和，大于美國的國防軍費預(yù)算，不能不引起美國朝野的震驚和高度重視。

　　就橋梁而言，美國九十年代報道，60萬座路橋由于“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)費達1550億美元，是這些橋初建費用的4倍！

　　1991年，美國國家技術(shù)評估中心（OTA）計算出美國基礎(chǔ)設(shè)施的總資產(chǎn)為1.4萬億美元,,而每年的修復(fù)費是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)費是總資產(chǎn)的4倍！用4座橋的費用維持一座橋的事實，深刻地教育了人們，不重視“耐久性”、對環(huán)境長期的腐蝕作用認(rèn)識不足或措施不力，將造成長遠(yuǎn)的巨大的經(jīng)濟損失！

　　據(jù)悉，英國每年基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)費為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)或重建的費用至少要5000億美元。據(jù)悉，韓國、我國臺灣省，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年開始修復(fù)，17年推倒重建，這僅是橋梁不耐久造成經(jīng)濟損失的個例。

　　我國基礎(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，如北京西直門立交橋，使用19年就腐蝕嚴(yán)重（已經(jīng)重修），東直門橋等數(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，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正空前高速進行，而耐久性防護措施卻跟不上，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。

　　美國腐蝕工程師學(xué)會（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基礎(chǔ)項目過程中，沒有重視腐蝕防護并作為工程維護的組成部分”。國外的經(jīng)驗教訓(xùn)是我們的一面鏡子，在經(jīng)濟損失方面曾經(jīng)吃了大虧的國家，現(xiàn)在，都把加強基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕防護作為經(jīng)濟戰(zhàn)略措施對待。就此，美國國務(wù)院曾發(fā)布過《白皮書》，提出要與基礎(chǔ)設(shè)施的“鹽害”等作斗爭，要求采取“以防為主”的策略，倡導(dǎo)先行、主動采取防護措施，以減少后來在修復(fù)中的高花費（以4座橋的費用維持一座橋顯然是極不經(jīng)濟合理的）。在此背景下，產(chǎn)生出首用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目的“全壽命經(jīng)濟分析法”（LCCA）。

　　美國《聯(lián)邦基礎(chǔ)設(shè)施投資原則》（第12893號政府令）明確要求，投資成本要細(xì)化、量化、合理化，工程項目的投資成本包含整個使用壽命期內(nèi)的一切費用。美國聯(lián)邦公路局（FHWA），于1994年發(fā)布公文《關(guān)于實施全壽命經(jīng)濟分析法的政策聲明》（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)項目的投資評估，均執(zhí)行“全壽命經(jīng)濟分析法”（LCCA）”。運輸部也指令要求對橋梁、路、人行道等工程，在設(shè)計、施工階段，實施LCCA。1995年美國發(fā)布國家公路系統(tǒng)（NHS）設(shè)計指令，要求在路、橋等設(shè)計階段，貫徹執(zhí)行LCCA。

　　LCCA作為法令是必須執(zhí)行的，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(jīng)濟分析技術(shù)。美國法典（USC）給LCCA的定義是“他是一個程序和方法，用于評價可行計劃項目的總經(jīng)濟價值。包括初始成本和經(jīng)折扣的進一步成本——整個壽命期內(nèi)的維護、修復(fù)、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乃至不與考慮。實踐證明，以往的做法是技術(shù)、經(jīng)濟都不合理的。執(zhí)行LCCA方法，要求一個工程立項，首先對其投入資金及其合理性進行評估。全部投資資金應(yīng)包括初始投資和進一步投資兩部分組成。第一部分是指建設(shè)時的設(shè)計、施工相關(guān)費用；第二部分包括保證達到壽命期所必須的“進一步費用”。這兩項花費的分配要合理。其表達式為：

                             n

  NPV（當(dāng)前值）= 初值 + ∑[ 1/（1+i ）^nk ]         （1）

                            K=1

 

       n ——進一步投資的年數(shù)

       i ——折扣率

 

　　采用LCCA方法對項目評估的目的與評估的標(biāo)準(zhǔn)是在保證工程壽命期的前提下,綜合花費最少的成本,實現(xiàn)技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理。鑒于美國已經(jīng)有用4座橋的費用維持1座橋的深刻教訓(xùn)，特別強調(diào)適當(dāng)增加初始投入以減少后期的巨大開支。對腐蝕破壞而言，就是實施“以防為主”的戰(zhàn)略方針。美國LCCA委員會指出，實行LCCA的目的就是“減少后期投資、提高項目質(zhì)量與性能”。是一個長期效益“最大化”的有效方法。

　　作為工程項目投資決定和項目投標(biāo)的重要依據(jù)，實行LCCA能有效避免“短期行為”，使投資方、設(shè)計者、工程承包方和使用管理部門，從一開始就立足于“全壽命”，各盡其職、各負(fù)其責(zé)，提出技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理的方案，并對多種方案進行比較，選出最佳方案。工程項目的投標(biāo)者，應(yīng)該是最佳方案的制定者，而不是初始成本最低者。

　　實質(zhì)上，我國頒布的關(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)以往那種工程驗收后“完事”的做法，使設(shè)計和工程承包單位，必須考慮“耐久性”問題，也必然涉及到增加防護費用、對技術(shù)經(jīng)濟進行分析、評價的問題。這也是在基礎(chǔ)建設(shè)方面，逐漸提高我國的技術(shù)水平的管理能力、與國際接軌的重要方面。

　　實施LCCA意義重大，長遠(yuǎn)經(jīng)濟效益巨大。然而真正實施并非容易，需要有大量的基礎(chǔ)工作、可靠的依據(jù)。如對橋梁提出75年使用壽命的要求是容易的，但怎樣達到這個目標(biāo)，設(shè)計、施工采取何種措施等，都需要依據(jù)。為此，國外多年來做了大量工作，并已經(jīng)有“壽命預(yù)測模型”軟件問世。以下僅介紹LCCA的應(yīng)用實例。

　　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。美國混凝土學(xué)會（ACI）戰(zhàn)略部與幾個單位聯(lián)合研制出LCCA—365應(yīng)用軟件，對氯鹽環(huán)境中常用的各種防護措施選用，預(yù)測壽命與成本的關(guān)系。表1列出了鋼筋混凝土常用防護措施。

 

 

　　圖1是對橋梁進行LCCA結(jié)果。可以看出，在鹽環(huán)境中的常規(guī)混凝土（不采取防護措施），雖然初建費是低一點，但大約15年便開始第一次修復(fù)工程，40年內(nèi)要修復(fù)4次，修復(fù)費約為初建費的4倍（這與美國橋梁的實際情況相符合）；而采用加鋼筋阻銹劑同時摻硅灰的方法，40年內(nèi)不用修復(fù)，初建費略有增加，60年的總費用較之不采取防護措施者至少節(jié)約70%！，這也正是近年來美國大力推行在密實混凝土的基礎(chǔ)上加鋼筋阻銹劑的原因所在。