钢筋混凝土基础设施的腐蚀与全寿命经济分析

[摘 要]  我国基工程建设，仍以钢筋混凝土结构为主体。而基础设施的耐久性，却成了当今世界的重大问题。腐蚀、特别是混凝土中钢筋腐蚀，成为影响耐久性的主要因素之一。本文概述腐蚀与耐久性的关系，腐蚀对国民经济的影响及介绍“全寿命经济分析法”的有关内容与意义。

[关键词]  腐蚀  耐久性  寿命期  经济分析

 

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年我国发布了《建设工程质量管理条理》（中华人民共和国国务院第279号令），首次以政令形式规定了“设计文件应符合国家规定的设计深度要求，注明合理使用年限”“建设工程实行质量保修制度……基础设施工程最低保修期限为设计文件规定的该工程的合理使用年限”。这实际上就是对基础设施工程的耐久性提出明确要求。以往，待工程验收后，设计和工程承包方就算基本“完成任务”，一般不再承担使用期间环境破坏、修复、重建等的相关义务和责任。这就造成了大量工程因耐久性不足引起的、由国家承担的经济损失。国务院第279号令中的上述规定，实际上是贯彻实施基础设施工程的“全寿命责任制”，其意义是重大而深远的。

　　以往对基础设施的耐久性认识不足或重视不够，不少国家吃了大亏。在经验教训的基础上，以美国为首的一些国家，率先推出了“全寿命经济分析”（Total Life Cycle Cost Analysis）的概念，也称作“寿命期成本分析”（LCCA）。在美国，它既是政府法令，又是工程投资的评估、计算方法。设计、工程承包和投资方，都要以“全寿命”为出发点，为保证规定的工程使用年限，采取技术、经济合理的战略措施。由于美国以桥梁为主的钢筋腐蚀破坏最为突出，所以政府指令LCCA首先在交通、公路系统的基础设施工程和管理中实行。据悉，世界上已经有20多个国家采用了LCCA法。作者访问我国台湾省时，被告知台湾也正准备实行LCCA法。

　　我国正处在基础建设的高潮时期，贯彻279号令意义重大，进而对“全寿命”进行经济分析也势在必行和更具深远意义。

　　钢筋混凝土结构，在过去、现在和将来的基础设施建设中，都起着极其重大的作用。钢筋混凝土在一定条件下也是相对耐久的，成为世界上最庞大的建筑材料和结构形式。然而。随着时间的推移和经验教训的积累，人们不断认识和发现，钢筋混凝土结构存在“耐久性”问题，而其中桥梁的耐久性更显得突出。世界上一些国家的许多桥梁，远达不到人们预想的使用寿命（设计年限）的要求，甚至在几年、十几年内就发生严重破坏。给国民经济带来重大损失。

　　钢筋混凝土结构耐久性问题，可以说成是一个复杂的系统工程，诸多的影响因素、众多的人为原因，不是容易分析和控制的。就大的方面说，有材料（水泥、钢筋品质与质量等）、设计（耐久性的考虑与对策）、施工（质量控制）、使用、管理、维护等因素，更有使用环境中的众多因素（污染、腐蚀、冻融、碱集料反映等）。除了一些“先天”因素之外，环境因素成为影响结构耐久性的焦点，结构物必须经受环境作用的考验和时间的考验。环境因素也是多方面的，其中，腐蚀因素被认为是主要乃至第一位的影响因素。特别混凝土中钢筋腐蚀破坏又占据主导地位。因此，在有关混凝土耐久性的国际会议上，在众多影响混凝土耐久性的因素中，把钢筋腐蚀排列到首位。以桥梁为例，在世界范围内，钢筋腐蚀破坏的影响尤为突出，特别是沿海、跨海桥，采用防冰盐的公路桥、城市立交桥以及处于盐碱地区的公路、铁路桥等，腐蚀破坏是相当严重的。甚至在几年、十几年内就不得不修复或重建，远达不到设计使用年限（如40、50年）的要求，成为世界注目的大问题。

　　引起钢筋腐蚀的原因，也同样与上面所列举的“先天”因素密切相关。但就环境因素而言，“盐害”、特别氯盐引起腐蚀破坏，在世界范围内和大量现实表明，Cl^—算得上是主要“罪魁祸首”。国内外存在着广泛的氯盐环境：海洋环境、大量使用道路防冰盐、盐湖地域等。这些地区还往往是基础建设的重点投资区（如我国沿海开发区属海洋环境、西部大开发中的石油基地多为盐碱地、青海盐湖的开发、我国北方地区正在大量使用道路防冰盐等），因此“盐害”是一个特别突出的问题，甚至对于一些国家，“盐害”已经成为影响基础设施耐久性的关键因素。

　　统计数据表明，腐蚀所造成的经济损失一般可达国民经济总产值（GDP）的 2-4%。如欧洲约为3%，美国和澳大利亚均为4.2%，而波兰则为6-10%。我国尚缺乏严格的统计数据，若按GDP的 2-4%推算，每年的腐蚀损失可达1800—3600亿元。值得注意的是，按照国外的统计，基础设施、特别是钢筋腐蚀所造成的损失，占据相当大的比例。美国的报道表明，1975年美国的总腐蚀损失为700亿美元，其中与钢筋腐蚀有关的占40%；到1995年，美国的总腐蚀损失为3000亿美元，其中基础设施钢筋腐蚀占到50%（1500亿美元）；而最近的报道，美国的总腐蚀损失为4400亿美元，仍按50%计，基础设施腐蚀可达2200亿美元。腐蚀损失高于水、风、火灾的总和，大于美国的国防军费预算，不能不引起美国朝野的震惊和高度重视。

　　就桥梁而言，美国九十年代报道，60万座路桥由于“盐害”（防冰盐和海洋环境），已经有半数以上遭钢筋腐蚀破坏和40%承载力不足、必须修复或重建，修复费达1550亿美元，是这些桥初建费用的4倍！

　　1991年，美国国家技术评估中心（OTA）计算出美国基础设施的总资产为1.4万亿美元,,而每年的修复费是1400亿美元，恰是总资产的1/10。若桥梁维持40年，则累积修复费是总资产的4倍！用4座桥的费用维持一座桥的事实，深刻地教育了人们，不重视“耐久性”、对环境长期的腐蚀作用认识不足或措施不力，将造成长远的巨大的经济损失！

　　据悉，英国每年基础设施的修复费为55亿英镑，澳大利亚的年腐蚀损失为250亿美元，特别指明主要部分是基础设施中钢筋腐蚀造成的。欧洲、亚洲、中东等地区，有大量桥梁钢筋腐蚀破坏的报道。加拿大既有海洋环境又大量使用道路防冰盐，以桥梁为主的钢筋混凝土结构腐蚀破坏特别严重，完全修复或重建的费用至少要5000亿美元。据悉，韩国、我国台湾省，以桥梁为主的基础设施腐蚀破坏也是明显和严重的，澎湖大桥使用7年开始修复，17年推倒重建，这仅是桥梁不耐久造成经济损失的个例。

　　我国基础设施的腐蚀破坏以沿海最为明显，有些码头、桥量在使用3-10年内就要修复，而北方撒盐的危害也已经显露出来，如北京西直门立交桥，使用19年就腐蚀严重（已经重修），东直门桥等数座桥也“盐害“明显和严重，不得不修复、加固处理。更值得注意的是，我国的基础设施建设正空前高速进行，而耐久性防护措施却跟不上，如北方撒盐量每年大幅度增加，而相应的“规范”中却没有“防盐”措施的规定！这是十分不利的，其潜在危害是不可低估的。

　　美国腐蚀工程师学会（NACE）曾指出：“为什么基础设施如此严重破坏和造成麻烦？主要原因之一是在整个基础项目过程中，没有重视腐蚀防护并作为工程维护的组成部分”。国外的经验教训是我们的一面镜子，在经济损失方面曾经吃了大亏的国家，现在，都把加强基础设施的腐蚀防护作为经济战略措施对待。就此，美国国务院曾发布过《白皮书》，提出要与基础设施的“盐害”等作斗争，要求采取“以防为主”的策略，倡导先行、主动采取防护措施，以减少后来在修复中的高花费（以4座桥的费用维持一座桥显然是极不经济合理的）。在此背景下，产生出首用于基础设施建设项目的“全寿命经济分析法”（LCCA）。

　　美国《联邦基础设施投资原则》（第12893号政府令）明确要求，投资成本要细化、量化、合理化，工程项目的投资成本包含整个使用寿命期内的一切费用。美国联邦公路局（FHWA），于1994年发布公文《关于实施全寿命经济分析法的政策声明》（FHWA—94—15）指明：“凡联邦和与地方联合管理的基础建设项目的投资评估，均执行“全寿命经济分析法”（LCCA）”。运输部也指令要求对桥梁、路、人行道等工程，在设计、施工阶段，实施LCCA。1995年美国发布国家公路系统（NHS）设计指令，要求在路、桥等设计阶段，贯彻执行LCCA。

　　LCCA作为法令是必须执行的，同时它又是一个可以具体操作的方法，是重要的投资评估和经济分析技术。美国法典（USC）给LCCA的定义是“他是一个程序和方法，用于评价可行计划项目的总经济价值。包括初始成本和经折扣的进一步成本——整个寿命期内的维护、修复、重建和表面翻新处理成本”。以往的工程项目，主要考虑初建成本，工程使用后再花多少钱则很少乃至不与考虑。实践证明，以往的做法是技术、经济都不合理的。执行LCCA方法，要求一个工程立项，首先对其投入资金及其合理性进行评估。全部投资资金应包括初始投资和进一步投资两部分组成。第一部分是指建设时的设计、施工相关费用；第二部分包括保证达到寿命期所必须的“进一步费用”。这两项花费的分配要合理。其表达式为：

                             n

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

                            K=1

 

       n ——进一步投资的年数

       i ——折扣率

 

　　采用LCCA方法对项目评估的目的与评估的标准是在保证工程寿命期的前提下,综合花费最少的成本,实现技术可靠、经济合理。鉴于美国已经有用4座桥的费用维持1座桥的深刻教训，特别强调适当增加初始投入以减少后期的巨大开支。对腐蚀破坏而言，就是实施“以防为主”的战略方针。美国LCCA委员会指出，实行LCCA的目的就是“减少后期投资、提高项目质量与性能”。是一个长期效益“最大化”的有效方法。

　　作为工程项目投资决定和项目投标的重要依据，实行LCCA能有效避免“短期行为”，使投资方、设计者、工程承包方和使用管理部门，从一开始就立足于“全寿命”，各尽其职、各负其责，提出技术可靠、经济合理的方案，并对多种方案进行比较，选出最佳方案。工程项目的投标者，应该是最佳方案的制定者，而不是初始成本最低者。

　　实质上，我国颁布的关于基础设施“终生保修”的意思，也是立足于“全寿命”，扭转以往那种工程验收后“完事”的做法，使设计和工程承包单位，必须考虑“耐久性”问题，也必然涉及到增加防护费用、对技术经济进行分析、评价的问题。这也是在基础建设方面，逐渐提高我国的技术水平的管理能力、与国际接轨的重要方面。

　　实施LCCA意义重大，长远经济效益巨大。然而真正实施并非容易，需要有大量的基础工作、可靠的依据。如对桥梁提出75年使用寿命的要求是容易的，但怎样达到这个目标，设计、施工采取何种措施等，都需要依据。为此，国外多年来做了大量工作，并已经有“寿命预测模型”软件问世。以下仅介绍LCCA的应用实例。

　　鉴于“盐害”是影响桥梁结构耐久性的主要环境因素，LCCA大多首先应用于氯盐环境的分析。美国混凝土学会（ACI）战略部与几个单位联合研制出LCCA—365应用软件，对氯盐环境中常用的各种防护措施选用，预测寿命与成本的关系。表1列出了钢筋混凝土常用防护措施。

 

 

　　图1是对桥梁进行LCCA结果。可以看出，在盐环境中的常规混凝土（不采取防护措施），虽然初建费是低一点，但大约15年便开始第一次修复工程，40年内要修复4次，修复费约为初建费的4倍（这与美国桥梁的实际情况相符合）；而采用加钢筋阻锈剂同时掺硅灰的方法，40年内不用修复，初建费略有增加，60年的总费用较之不采取防护措施者至少节约70%！，这也正是近年来美国大力推行在密实混凝土的基础上加钢筋阻锈剂的原因所在。