沈 堅，何曉宇，侯保榮，夏宏杰，方澤興

(1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310006；2.中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；3.岱山縣疏港公路工程建設(shè)管理中心，浙江 舟山 316000)

我國交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模存量巨大、發(fā)展穩(wěn)定，碼頭、橋梁等建造技術(shù)都取得了突破性進(jìn)展。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施投產(chǎn)年份的增長，交通基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)問題不斷凸顯。相對于發(fā)達(dá)國家，我國尚缺乏主動的腐蝕防護(hù)意識，先進(jìn)的腐蝕控制技術(shù)沒有得到積極的推廣和應(yīng)用，各類由腐蝕引起的交通基礎(chǔ)設(shè)施破壞的事故觸目驚心，嚴(yán)重地影響到社會經(jīng)濟的發(fā)展。

基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕防護(hù)問題一直受到廣泛關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者在交通基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕防護(hù)方面做了大量的研究工作和生產(chǎn)實踐，主要關(guān)注于碼頭鋼管樁[1]、碼頭鋼混結(jié)構(gòu)[2-6]、鋼筋混凝土橋梁[7-10]、公路橋涵[11]腐蝕的成因、類型以及防護(hù)措施，對腐蝕防護(hù)成本的關(guān)注度明顯不足。

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施投產(chǎn)年份的增長，交通基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕防護(hù)問題不斷凸顯，全國各地區(qū)、各級行業(yè)主管部門、建設(shè)單位逐漸開展了一些調(diào)查和分析工作[12]。筆者收集、整理數(shù)據(jù)，分析闡述了國內(nèi)外交通基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕防護(hù)的基本情況和成本投入情況，對于交通基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕防護(hù)工作的宏觀分析、統(tǒng)籌規(guī)劃、項目方案設(shè)計及實施具有積極意義，為交通領(lǐng)域的腐蝕防護(hù)工作提供參考。

1 國內(nèi)外交通基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕情況分析

1.1 港口碼頭腐蝕情況分析

1.1.1國外港口碼頭腐蝕情況

港口碼頭多以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，沿海碼頭混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕現(xiàn)象十分普遍，尤其以水位變動區(qū)、浪濺區(qū)及水上區(qū)域更為突出。據(jù)調(diào)查，美國建筑材料的腐蝕損失中與鋼筋銹蝕相關(guān)的損失高達(dá)40%；歐洲國家和日本的碼頭腐蝕情況[13-15]見表1。

表1 歐洲國家和日本的碼頭腐蝕情況

1.1.2我國港口碼頭腐蝕情況

我國交通運輸部曾針對不同區(qū)域、不同建設(shè)年代的沿海碼頭組織了多次調(diào)查工作，部分碼頭腐蝕情況見圖1。調(diào)查的區(qū)域包括華南、華東以及北方地區(qū)，調(diào)查的碼頭對象建設(shè)年代包括1986年以前、1986—1996年以及1996年之后。調(diào)查后的主要腐蝕情況見表2。

圖1 我國部分碼頭腐蝕情況

表2 我國沿海港口碼頭腐蝕情況調(diào)查

調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：碼頭結(jié)構(gòu)物耐久性的提升與耐久性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善、高性能混凝土的應(yīng)用、腐蝕防護(hù)措施的應(yīng)用以及設(shè)計施工水平的提高息息相關(guān)。

1.2 公路橋梁腐蝕情況分析

1.2.1國外公路橋梁腐蝕情況

目前，發(fā)達(dá)國家的橋梁已進(jìn)入維護(hù)高峰期，需維修橋梁占比達(dá)到25%～39%，見圖2。國際上普遍關(guān)注的橋梁問題包括結(jié)構(gòu)損傷、功能退化以及承載力不足等。

圖2 國外部分國家維修橋梁占比

歐美橋梁多且老齡化，每年需要大量維修和更換成本。據(jù)FHWA(美國聯(lián)邦公路局)預(yù)測，未來美國每年需要維修資金達(dá)200億美元以上[16]。歐洲國家國有橋梁僅占橋梁總數(shù)的一小部分，例如法國僅占10%，每年橋梁維修費用為0.73億～3.18億歐元，年更換費用為60億～300億歐元。2004年統(tǒng)計的歐洲國家國有橋梁年維修和更換費用[17]見表3。

表3 歐洲國家國有橋梁年維修和更換費用

1.2.2我國公路橋梁腐蝕情況

2006—2012年交通運輸部“橋梁耐久性關(guān)鍵技術(shù)研究”重大專項對我國13個省份的132座橋梁的耐久性進(jìn)行了專項調(diào)研，并對我國西部各省區(qū)及部分東部沿海省區(qū)的1 200余座混凝土橋梁技術(shù)狀況及病害資料文獻(xiàn)進(jìn)行整理分析，同時對我國31個省、直轄市或自治區(qū)的253個公路橋梁管理部門進(jìn)行函調(diào)，開展了一次大規(guī)模的公路橋梁技術(shù)狀況調(diào)查統(tǒng)計工作。對我國65萬余座橋梁，按級別進(jìn)行了技術(shù)等級劃分，根據(jù)我國《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[18]，技術(shù)狀況等級為四、五類的橋梁不能保證其正常使用，甚至?xí)＜皹蛄喊踩?，所以急需大修、加固改建甚至重建?/p>

調(diào)研結(jié)果表明：隨著道路行政等級的提升，四、五類橋梁占比從24%減少到1%，見圖3。在所有調(diào)查橋梁中，四、五類橋梁(需維修加固橋梁)占比14.21%。

圖3 我國公路橋梁技術(shù)狀況調(diào)查

橋梁腐蝕中，拉吊體系腐蝕是重點問題。拉吊體系主要的腐蝕現(xiàn)象有：PE護(hù)套開裂、防水罩失效、錨頭進(jìn)水和拉索銹蝕斷裂等，見圖4 。

圖4 橋梁拉吊體系腐蝕典型問題

根據(jù)拉吊體系橋梁的調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，更換橋梁吊桿多發(fā)生在通車后5～16 a，平均使用壽命11.8 a，遠(yuǎn)低于吊桿20 a的設(shè)計使用壽命，見圖5。

圖5 橋梁拉吊體系腐蝕發(fā)生年份

梁式體系和其他體系中橋墩、橋梁和橋塔等部位的鋼筋混凝土腐蝕問題也較為嚴(yán)重?；炷恋母g現(xiàn)象主要有混凝土保護(hù)層剝落和鋼筋銹蝕，我國東部沿海地區(qū)位于水位變動區(qū)、浪濺區(qū)的墩柱腐蝕現(xiàn)象最為嚴(yán)重[19]。橋梁鋼筋混凝土的腐蝕會嚴(yán)重影響橋梁的耐久性，降低其使用年限。根據(jù)2004年對東南沿海公路橋梁耐久性調(diào)查發(fā)現(xiàn)，梁式體系的主梁和支座等上部結(jié)構(gòu)的耐久性損害占總體損害的比重最大，橋墩、基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)的耐久性損害比重位居第二[20]，圖6為海水潮汐區(qū)和浪濺區(qū)橋梁的損害部位統(tǒng)計。

圖6 海水潮汐區(qū)和浪濺區(qū)橋梁的損害部位統(tǒng)計

廣東省珠海市1995年建成通車的海燕大橋在2003年的養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)其橋墩混凝土剝離、混凝土鋼筋銹蝕脹裂、箍筋已斷落喪失作用；2002年竣工的靈昆大橋在投入使用的第5 a維護(hù)檢測時，橋墩已出現(xiàn)較為嚴(yán)重的混凝土脫落及鋼筋銹蝕問題；天津濱海鹽漬地的3座排架墩橋在投入使用8～10 a已出現(xiàn)墩柱混凝土脫落、鋼筋腐蝕的問題，橋梁被迫重建；2016年舟山某跨海大橋調(diào)研中發(fā)現(xiàn)部分混凝土索塔、箱梁、錨碇等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害，見圖7。

圖7 舟山某跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)病害

2 腐蝕防護(hù)成本情況

交通行業(yè)是用鋼大戶，每億元投資中，城市軌道交通、鐵路和機場的用鋼量分別為1萬t、3 330 t和1 000 t；高速公路建設(shè)中用鋼量約450 t/km[21]；每個港口碼頭泊位建設(shè)用鋼量約2 000 t。因此，腐蝕防護(hù)需求市場較大，見表4。

表4 交通細(xì)分行業(yè)鋼材應(yīng)用范圍和用鋼量

2.1 典型國家腐蝕損失情況

國際范圍內(nèi)的腐蝕調(diào)查顯示：由結(jié)構(gòu)物腐蝕帶來的經(jīng)濟損失大約占GDP的1%～5%，采用有效的控制和防護(hù)措施，能夠避免的損失大約為14%～35%，見表5。腐蝕損失包括直接損失和間接損失。直接損失是腐蝕構(gòu)件對營運商造成的直接損失，相對容易估算；而間接損失是除直接損失之外的所有損失，如對人員安全、營運時間、環(huán)境等造成的所有影響，間接損失顯著高于直接損失。

表5 各國碼頭腐蝕情況

2.2 我國腐蝕成本總體情況

我國開展過兩次大規(guī)模的腐蝕調(diào)查，1999年“中國工業(yè)與自然環(huán)境腐蝕問題調(diào)查與對策”項目中提出，1999—2001年我國年腐蝕損失約為5 000億元[22]，間接腐蝕損失是直接腐蝕損失的1.5～2.0倍；2015年“我國腐蝕狀況及控制戰(zhàn)略研究”項目中提出，2014年我國腐蝕成本(包括直接和間接成本)約為21 278.2億元，約占當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的3.34%。從防腐技術(shù)統(tǒng)計口徑，各類技術(shù)的腐蝕成本比例見圖8。

圖8 2014年腐蝕成本分析

2.3 我國交通基礎(chǔ)設(shè)施防腐蝕投入

2.3.1總體投入

“我國腐蝕狀況及控制戰(zhàn)略研究”項目對2014年基礎(chǔ)設(shè)施防腐蝕總成本(包括新建基礎(chǔ)設(shè)施的防腐蝕費用和老舊基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)費用)測算為814.5億元，占各行業(yè)防腐蝕總成本的7%。其中公路橋梁防腐蝕成本624.7億元、港口碼頭防腐蝕成本總計26.3億元，見圖9。據(jù)2014年交通行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報，當(dāng)年公路建設(shè)投資15 460.94億元和水運建設(shè)投資1 459.98億元，公路橋梁腐蝕成本占當(dāng)年公路橋梁行業(yè)建設(shè)投資總額的4.0%，港口碼頭腐蝕成本占當(dāng)年水運行業(yè)建設(shè)投資總額的1.8%。

圖9 基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域成本分析

2.3.2典型工程腐蝕防護(hù)

2.3.2.1寧波舟山港大榭港區(qū)碼頭

海港工程混凝土碳化一般較小，碳化對其耐久性的影響有限[23]。海洋環(huán)境中因氯離子侵蝕而導(dǎo)致的鋼筋混凝土腐蝕破壞是海港碼頭鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最為普遍和嚴(yán)峻的腐蝕破損形式[24]。杭州灣地區(qū)海港工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性調(diào)查發(fā)現(xiàn)，已遭腐蝕破壞的海港工程混凝土，采用局部修補及全面封閉的處理措施有一定的局限性，其修復(fù)的耐久性明顯不足，一般使用5 a、甚至有的只有2 a就會出現(xiàn)局部混凝土二次開裂。寧波舟山港大榭港區(qū)實華碼頭為高樁墩式碼頭，2001年竣工投產(chǎn)，2010年對其進(jìn)行全面的耐久性調(diào)查發(fā)現(xiàn)：各類型混凝土結(jié)構(gòu)基本未發(fā)生碳化，混凝土保護(hù)層基本完好，但涂層老化嚴(yán)重，表6為大榭港區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性調(diào)查結(jié)果。

表6 2010年寧波舟山港大榭港區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性調(diào)查

2.3.2.2舟山跨海大橋

根據(jù)舟山跨海大橋養(yǎng)護(hù)規(guī)劃及投入情況，48 km的五橋一線20 a內(nèi)總養(yǎng)護(hù)費用約20億元，合計每年平均養(yǎng)護(hù)費用約1億元，折算年度單位里程養(yǎng)護(hù)費用約為215萬元/(a·km)，其中路基路面養(yǎng)護(hù)費用約占比60%，其他橋梁、涵洞、隧道的結(jié)構(gòu)、機電等養(yǎng)護(hù)費用大部分與腐蝕等耐久性維護(hù)相關(guān)，約占比40%。其中，西堠門大橋是我國最長的懸索橋，主跨1 650 m，其養(yǎng)護(hù)項目中大部分與腐蝕防護(hù)相關(guān)。圖10為西堠門大橋構(gòu)件腐蝕情況，表7為2015年西堠門大橋腐蝕狀態(tài)年度常規(guī)檢測病害情況，表8為西堠門大橋構(gòu)件養(yǎng)護(hù)規(guī)劃情況。

圖10 西堠門大橋構(gòu)件腐蝕情況

表7 2015年西堠門大橋腐蝕狀態(tài)年度常規(guī)檢測病害情況 處

表8 西堠門大橋構(gòu)件養(yǎng)護(hù)規(guī)劃情況

3 結(jié)語

1)沿海碼頭混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕現(xiàn)象普遍，尤其是以水位變動區(qū)、浪濺區(qū)及水上區(qū)域更為突出。

2)發(fā)達(dá)國家橋梁已經(jīng)進(jìn)入了維護(hù)高峰期，我國四、五類橋梁占比逐漸提升，即將進(jìn)入維護(hù)高峰階段。

3)交通基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕成本巨大，2014年我國基礎(chǔ)設(shè)施防腐蝕總成本為814.5億元，占各行業(yè)腐蝕總成本的7%。其中公路橋梁腐蝕成本624.7億元，占行業(yè)投資總額4.04%；港口碼頭腐蝕成本26.3億元，占行業(yè)投資總額1.8%。

4)國內(nèi)外實踐經(jīng)驗及調(diào)研數(shù)據(jù)表明，采用先進(jìn)腐蝕防護(hù)技術(shù)、提升主動腐蝕防護(hù)意識可以顯著降低腐蝕成本。我國交通基礎(chǔ)設(shè)施即將進(jìn)入維護(hù)高峰階段，重視全生命周期腐蝕成本概念意義重大。