交通基礎設施腐蝕的現(xiàn)狀*

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.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；3.岱山縣疏港公路工程建設管理中心，浙江 舟山 316000)

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

基礎設施的腐蝕防護問題一直受到廣泛關注，國內(nèi)外學者在交通基礎設施腐蝕防護方面做了大量的研究工作和生產(chǎn)實踐，主要關注于碼頭鋼管樁[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、類型以及防護措施，對腐蝕防護成本的關注度明顯不足。

隨著我國基礎設施投產(chǎn)年份的增長，交通基礎設施的腐蝕防護問題不斷凸顯，全國各地區(qū)、各級行業(yè)主管部門、建設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)外交通基礎設施腐蝕防護的基本情況和成本投入情況，對于交通基礎設施腐蝕防護工作的宏觀分析、統(tǒng)籌規(guī)劃、項目方案設計及實施具有積極意義，為交通領域的腐蝕防護工作提供參考。

1 國內(nèi)外交通基礎設施腐蝕情況分析

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的損失高達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標準的完善、高性能混凝土的應用、腐蝕防護措施的應用以及設計施工水平的提高息息相關。

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)達國家的橋梁已進入維護高峰期，需維修橋梁占比達到25%～39%，見圖2。國際上普遍關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)預測，未來美國每年需要維修資金達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進行整理分析，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)狀況評定標準》[18]，技術(shù)狀況等級為四、五類的橋梁不能保證其正常使用，甚至會危及橋梁安全，所以急需大修、加固改建甚至重建。

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護套開裂、防水罩失效、錨頭進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，遠低于吊桿20 a的設計使用壽命，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重?；炷恋母g現(xiàn)象主要有混凝土保護層剝落和鋼筋銹蝕，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)象最為嚴重[19]。橋梁鋼筋混凝土的腐蝕會嚴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維護檢測時，橋墩已出現(xiàn)較為嚴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；高速公路建設中用鋼量約450 t/km[21]；每個港口碼頭泊位建設用鋼量約2 000 t。因此，腐蝕防護需求市場較大，見表4。

表4 交通細分行業(yè)鋼材應用范圍和用鋼量

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 我國交通基礎設施防腐蝕投入

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年基礎設施防腐蝕總成本(包括新建基礎設施的防腐蝕費用和老舊基礎設施的維護費用)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，當年公路建設投資15 460.94億元和水運建設投資1 459.98億元，公路橋梁腐蝕成本占當年公路橋梁行業(yè)建設投資總額的4.0%，港口碼頭腐蝕成本占當年水運行業(yè)建設投資總額的1.8%。

圖9 基礎設施領域成本分析

2.3.2典型工程腐蝕防護

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，混凝土保護層基本完好，但涂層老化嚴重，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)護規(guī)劃及投入情況，48 km的五橋一線20 a內(nèi)總養(yǎng)護費用約20億元，合計每年平均養(yǎng)護費用約1億元，折算年度單位里程養(yǎng)護費用約為215萬元/(a·km)，其中路基路面養(yǎng)護費用約占比60%，其他橋梁、涵洞、隧道的結(jié)構(gòu)、機電等養(yǎng)護費用大部分與腐蝕等耐久性維護相關，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)護項目中大部分與腐蝕防護相關。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)達國家橋梁已經(jīng)進入了維護高峰期，我國四、五類橋梁占比逐漸提升，即將進入維護高峰階段。

3)交通基礎設施腐蝕成本巨大，2014年我國基礎設施防腐蝕總成本為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，采用先進腐蝕防護技術(shù)、提升主動腐蝕防護意識可以顯著降低腐蝕成本。我國交通基礎設施即將進入維護高峰階段，重視全生命周期腐蝕成本概念意義重大。