海水环境下，混凝土结构寿命如何延长？

港珠澳大桥  王胜年/供图

谈混凝土耐久性离不开环境对其的影响，不同的环境下，延长混凝土耐久性的要求各不相同。

与其他环境相比，海水环境最大的特点是含有氯盐。在这种环境下，氯离子很容易渗透进混凝土中，引起结构破坏、功能降低，甚至影响建筑工程使用安全。因此，在海水环境下，如何减少氯离子对混凝土的影响、如何在海水环境下提高混凝土耐久性是行业一直关注的问题。近日，带着这些问题本报记者采访了中交第四航务工程局有限公司副总工程师王胜年。

从不足30年到50年以上

“在海洋环境下，混凝土所面临的最大挑战就是如何避免因海水环境氯盐腐蚀而导致结构过早破坏，最大限度延长结构使用寿命，即提高混凝土结构的耐久性。”

王胜年指出，自20世纪80年代起，我国混凝土耐久性技术快速发展。一是我国广大科技工作者在海水环境混凝土结构耐久性基础理论方面做了大量研究工作，如原材料组成等自身因素外，考虑潮汐影响、环境温湿度影响、荷载和环境多因素耦合影响的混凝土劣化机理、结构性能退化规律、耐久性时变演化过程等，为混凝土耐久性技术发展提供了理论基础。

二是在海水环境混凝土结构综合防护技术上，研究开发了大量新材料和新技术。如海工高性能混凝土、混凝土表面涂层、硅烷及环氧涂层钢筋等一系列附加防腐蚀措施等。此外，还有掺入混凝土中可以提高混凝土密实性和抗氯离子渗透性的无机型抗侵蚀增强剂和憎水型抗侵蚀抑制剂；掺入混凝土可以延缓钢筋锈蚀的醇胺类复合阻锈剂；可以代替普通钢筋的耐蚀钢、不锈钢钢筋和FRP筋；混凝土结构抗裂材料和技术；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。

港珠澳大桥  王胜年/供图

三是在海水环境在役混凝土结构的维护技术上也取得了突破，除对海水环境混凝土结构材料、结构性能退化规律开展大量研究取得的成果外，在混凝土结构耐久性提升和结构延寿方面，也取得了不少具有较高应用价值的研究成果，如可以实时掌握实体混凝土结构内氯盐侵蚀情况的传感器、耐久性在线监测技术；在役结构耐久性检测和寿命评估技术；延寿效果显著的电化学维修技术，如电化学脱盐、外加电流阴极保护等。

“统计数据表明，我国20世纪80年代前兴建的海港高桩码头和沿海桥梁耐久性寿命普遍不足30年，形成鲜明对比的是，根据对2000年以后建成的工程调查，调查结果表明，工程结构寿命基本上都能达到50年以上甚至百年，而且耐久性技术进步、标准提高、设计施工技术提升，表明我们已具备建造百年及以上沿海（跨海）工程的技术条件和能力。”王胜年说。

科技进步推动混凝土耐久性提升

混凝土耐久性的提升离不开社会各界的共同努力，其中广大科技人员的辛勤攻关是关键因素。

王胜年主持和参加的国家及省部级科研项目三十多项，在混凝土材料及耐久性、腐蚀与防护、结构健康诊治等基础研究和工程应用领域成果卓著。

“基于长期暴露试验的混凝土结构耐久性劣化演变规律，建立了海水环境混凝土结构耐久性寿命预测模型。创立以海工高性能混凝土与附加防腐蚀措施相结合的综合防护技术体系。在海水环境混凝土结构健康诊治方面，一是提出贯穿于工程全寿命周期的耐久性技术理念和措施，如港珠澳大桥工程，其运营期耐久性监测方案及必要的耐久性维护措施在设计阶段就有明确规定。二是在研究和工程实践基础上，将海水环境混凝土结构剩余使用寿命评估方法和电化学维修技术，纳入我国交通运输部水运工程行业技术标准。”

盐田国际集装箱码头二期工程  王胜年/供图

谈到所取得的成绩，王胜年倍感欣喜。他表示，海水环境工程老旧结构与一般环境显著不同的是，结构混凝土中已存在渗入的氯离子，传统局部维修方法因不能除去混凝土中的氯离子，新旧修补区域之间的原电池作用反而会加速腐蚀，从而导致修复后一般不超过5年就会再次出现腐蚀破坏。而电化学维修技术，一次修复可确保15年以上不出现腐蚀破坏，这就解决了传统维修方法导致的工程使用寿命短、屡修屡坏的难题。该维修方法技术要求相对复杂，虽然相对于传统维修成本高，但从使用寿命周期来考虑，全寿命周期总成本降低。然而因技术原因和对工程维护成本的传统认知，长期以来该技术的推广使用受到限制，并没有大量应用。

在重大工程中不断积累经验

多年来，我国在海水环境下提升重大工程混凝土耐久性方面积累了很多经验。其中，20世纪90年代末的深圳港盐田港区国际集装箱码头二期工程、港珠澳大桥给王胜年留下了深刻的印象。

王胜年表示，深圳港盐田港区国际集装箱码头二期工程是国内第一个采用50年设计使用年限（要求50年不大修）建造的海港高桩码头，设计要求混凝土耐久性指标为氯离子扩散系数和吸水率。为满足设计要求，必须采用高性能混凝土技术。当时，国内海工高性能混凝土技术刚起步，工程经验缺乏，在配制高性能混凝土两大重要技术手段——减水剂产品性能和矿物掺和料使用上还存在不少技术障碍，从研究成果到工程化应用存在不少困难。

港珠澳大桥是举世瞩目的超级工程，当时，国内沿海重大或跨海基础设施一般设计使用年限是100年，显然现有技术标准不适合该工程，且华南高温高湿的海水环境腐蚀情况更为严重，所以工程备受关注的就是如何建立一套有效技术措施，能确保工程达到120年使用寿命。

王胜年表示，从工程初步设计阶段开始，他就带领团队技术骨干一起开展研究，并通过分析耐久性设计、施工和后期维护等各阶段影响寿命的技术堵点，梳理全寿命过程三大方向12项关键技术，还联合清华大学、同济大学等高等院校、专业研究机构共同开展技术攻关。最终形成了集耐久性设计、施工、维护为一体的120年使用寿命保障成套技术体系，成功支撑了港珠澳大桥的设计施工和后期维护。

从50年以上到100年以上的展望

“当前，大部分海工基础设施，如海港码头、跨海桥梁等都是50年以上甚至100年以上的长寿命工程，经济性还应从工程全寿命周期成本和绿色低碳等可持续性方面加以考虑。”

对此，王胜年表示，当前提高海水环境混凝土结构耐久性的主要应对措施分为两类：一类是提高结构自身的抗氯离子侵蚀能力，即所谓对结构“强身健体”，如结构设计上选择有利于抗海水侵蚀的构件型式、适当增加构件内钢筋保护层厚度、合理限制混凝土裂缝、采用更密实、抗氯离子渗透性强的海工高性能混凝土材料等；另一类是对结构采取附加防腐蚀措施，即为结构加上一道“防护措施”。当然上述两类措施一般是结合使用，如何结合、具体采取什么措施则要体现“合理有效”的原则。目前，在工程不同部位腐蚀环境等级划分及相应耐久性措施的选择上，我国国家标准及公路、铁路、水运、水利等相关行业标准都有比较明确的规定。

谈到未来时，王胜年认为，最有效的措施，一是加强耐久性基础性研究，注重交叉学科的融合，耐久性本身注定了其工作的长期性，耐久性成果的取得需要时间的积累。二是耐久性直接影响结构使用寿命，是一项贯穿于设计、施工和维护等全生命周期的系统问题，重大工程应将耐久性问题纳入工程全寿命周期考虑，并做好各环节耐久性技术措施的衔接。

王胜年表示，目前我国海水环境基础设施将逐步进入老化维护阶段，耐久性检测评估、基于耐久性提升和结构延寿维修加固等技术的推广应用，将会显著提高我国海水环境基础设施养护技术水平、降低工程全寿命成本，有利于工程可持续发展。