鋼筋混凝土基礎設施的腐蝕與全壽命經(jīng)濟分析
2007-01-29 00:00
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[摘 要] 我國基工程建設，仍以鋼筋混凝土結構為主體。而基礎設施的耐久性，卻成了當今世界的重大問題。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”的有關內容與意義。
[關鍵詞] 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
1． 引言
2000年我國發(fā)布了《建設工程質量管理條理》（中華人民共和國國務院第279號令），首次以政令形式規(guī)定了“設計文件應符合國家規(guī)定的設計深度要求，注明合理使用年限”“建設工程實行質量保修制度……基礎設施工程最低保修期限為設計文件規(guī)定的該工程的合理使用年限”。這實際上就是對基礎設施工程的耐久性提出明確要求。以往，待工程驗收后，設計和工程承包方就算基本“完成任務”，一般不再承擔使用期間環(huán)境破壞、修復、重建等的相關義務和責任。這就造成了大量工程因耐久性不足引起的、由國家承擔的經(jīng)濟損失。國務院第279號令中的上述規(guī)定，實際上是貫徹實施基礎設施工程的“全壽命責任制”，其意義是重大而深遠的。
以往對基礎設施的耐久性認識不足或重視不夠，不少國家吃了大虧。在經(jīng)驗教訓的基礎上，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、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)的基礎設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，被告知臺灣也正準備實行LCCA法。
我國正處在基礎建設的高潮時期，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意義。
2． 腐蝕、耐久性與國民經(jīng)濟
鋼筋混凝土結構，在過去、現(xiàn)在和將來的基礎設施建設中，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構形式。然而。隨著時間的推移和經(jīng)驗教訓的積累，人們不斷認識和發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土結構存在“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，遠達不到人們預想的使用壽命（設計年限）的要求，甚至在幾年、十幾年內就發(fā)生嚴重破壞。給國民經(jīng)濟帶來重大損失。
鋼筋混凝土結構耐久性問題，可以說成是一個復雜的系統(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、鋼筋品質與質量等）、設計（耐久性的考慮與對策）、施工（質量控制）、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)境因素成為影響結構耐久性的焦點，結構物必須經(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)主導地位。因此，在有關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，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，腐蝕破壞是相當嚴重的。甚至在幾年、十幾年內就不得不修復或重建，遠達不到設計使用年限（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。但就環(huán)境因素而言，“鹽害”、特別氯鹽引起腐蝕破壞，在世界范圍內和大量現(xiàn)實表明，Cl—算得上是主要“罪魁禍首”。國內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)還往往是基礎建設的重點投資區(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)成為影響基礎設施耐久性的關鍵因素。
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，基礎設施、特別是鋼筋腐蝕所造成的損失，占據(jù)相當大的比例。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的占40%；到1995年，美國的總腐蝕損失為3000億美元，其中基礎設施鋼筋腐蝕占到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，基礎設施腐蝕可達2200億美元。腐蝕損失高于水、風、火災的總和，大于美國的國防軍費預算，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、必須修復或重建，修復費達1550億美元，是這些橋初建費用的4倍！
1991年，美國國家技術評估中心（OTA）計算出美國基礎設施的總資產(chǎn)為1.4萬億美元,,而每年的修復費是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識不足或措施不力，將造成長遠的巨大的經(jīng)濟損失！
據(jù)悉，英國每年基礎設施的修復費為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設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構腐蝕破壞特別嚴重，完全修復或重建的費用至少要5000億美元。據(jù)悉，韓國、我國臺灣省，以橋梁為主的基礎設施腐蝕破壞也是明顯和嚴重的，澎湖大橋使用7年開始修復，17年推倒重建，這僅是橋梁不耐久造成經(jīng)濟損失的個例。
我國基礎設施的腐蝕破壞以沿海最為明顯，有些碼頭、橋量在使用3-10年內就要修復，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年就腐蝕嚴重（已經(jīng)重修），東直門橋等數(shù)座橋也“鹽害“明顯和嚴重，不得不修復、加固處理。更值得注意的是，我國的基礎設施建設正空前高速進行，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。
美國腐蝕工程師學會（NACE）曾指出：“為什么基礎設施如此嚴重破壞和造成麻煩？主要原因之一是在整個基礎項目過程中，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，都把加強基礎設施的腐蝕防護作為經(jīng)濟戰(zhàn)略措施對待。就此，美國國務院曾發(fā)布過《白皮書》，提出要與基礎設施的“鹽害”等作斗爭，要求采取“以防為主”的策略，倡導先行、主動采取防護措施，以減少后來在修復中的高花費（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)生出首用于基礎設施建設項目的“全壽命經(jīng)濟分析法”（LCCA）。
3． 全壽命經(jīng)濟分析法
3． 1 行政法令
美國《聯(lián)邦基礎設施投資原則》（第12893號政府令）明確要求，投資成本要細化、量化、合理化，工程項目的投資成本包含整個使用壽命期內的一切費用。美國聯(lián)邦公路局（FHWA），于1994年發(fā)布公文《關于實施全壽命經(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)合管理的基礎建設項目的投資評估，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，在設計、施工階段，實施LCCA。1995年美國發(fā)布國家公路系統(tǒng)（NHS）設計指令，要求在路、橋等設計階段，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。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——整個壽命期內的維護、修復、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、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。第一部分是指建設時的設計、施工相關費用；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準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，特別強調適當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的重要依據(jù)，實行LCCA能有效避免“短期行為”，使投資方、設計者、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、各負其責，提出技術可靠、經(jīng)濟合理的方案，并對多種方案進行比較，選出最佳方案。工程項目的投標者，應該是最佳方案的制定者，而不是初始成本最低者。
實質上，我國頒布的關于基礎設施“終生保修”的意思，也是立足于“全壽命”，扭轉以往那種工程驗收后“完事”的做法，使設計和工程承包單位，必須考慮“耐久性”問題，也必然涉及到增加防護費用、對技術經(jīng)濟進行分析、評價的問題。這也是在基礎建設方面，逐漸提高我國的技術水平的管理能力、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，設計、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“壽命預測模型”軟件問世。以下僅介紹LCCA的應用實例。
3．3 LCCA的應用實例
鑒于“鹽害”是影響橋梁結構耐久性的主要環(huán)境因素，LCCA大多首先應用于氯鹽環(huán)境的分析。美國混凝土學會（ACI）戰(zhàn)略部與幾個單位聯(lián)合研制出LCCA—365應用軟件，對氯鹽環(huán)境中常用的各種防護措施選用，預測壽命與成本的關系。表1列出了鋼筋混凝土常用防護措施。
表1 在氯鹽環(huán)境中鋼筋防腐蝕常用技術措施
圖1是對橋梁進行LCCA結果。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工程，40年內要修復4次，修復費約為初建費的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年內不用修復，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上加鋼筋阻銹劑的原因所在。 表2給出了利用LCCA方法對橋梁75年壽命期總花費（式1中的NPV值）的評定結果的相對比較值（不采取防護措施者（空白）為100）?？梢钥闯觯瑥募夹g經(jīng)濟綜合效益看來，最好的防護措施還是密實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，但在壽命期內的進一步花費（修復費等）大大降低。在技術上能達到壽命期要求的前提下，總體花費（NPV值）較不采取防護措施，可節(jié)約成本66%。 | ||||||||||||||||||||
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