交通基础设施腐蚀现状分析

2023-08-07 13:59:22 作者：本网发布来源：说桥分享至：

我国交通基础设施规模存量巨大，发展稳定，码头、桥梁等建造技术都取得了突破性进展。随着我国基础设施投产年份的增长，交通基础设施结构腐蚀防护问题不断凸显。相对于发达国家，我国尚缺乏主动的腐蚀防护意识，先进的腐蚀控制技术没有得到积极的推广和应用，各类由腐蚀引起的交通基础设施破坏的事故触目惊心，严重地影响到社会经济的发展。

基础设施的腐蚀防护问题一直受到广泛关注，国内外学者在交通基础设施腐蚀防护方面做了大量的研究工作和生产实践，主要关注于码头钢管桩^[1]、码头钢混结构^[2-6]、钢筋混凝土桥梁^[7-10]、公路桥涵^[11]腐蚀的成因、类型以及防护措施，对腐蚀防护成本的关注度明显不足。

随着我国基础设施投产年份的增长，交通基础设施的腐蚀防护问题不断凸显，全国各地区、各级行业主管部门、建设单位逐渐开展了一些调查和分析工作^[12]。笔者收集、整理数据，分析阐述了国内外交通基础设施腐蚀防护的基本情况和成本投入情况，对于交通基础设施腐蚀防护工作的宏观分析、统筹规划、项目方案设计及实施具有积极意义，为交通领域的腐蚀防护工作提供参考。

1国内外交通基础设施腐蚀情况分析

1.1港口码头腐蚀情况分析

1.1.1国外港口码头腐蚀情况

港口码头多以钢筋混凝土结构为主，沿海码头混凝土内钢筋锈蚀现象十分普遍，尤其是以水位变动区、浪溅区及水上区域更为突出。据调查，美国建筑材料的腐蚀损失中与钢筋锈蚀相关的损失高达40%；欧洲国家和日本的码头腐蚀情况^[13-15]见表1。

表1 欧洲国家和日本的码头腐蚀情况

国家	码头腐蚀情况
挪威	200座沿海结构物中：60%的码头使用时间介于20~50a；38%的浪溅区桩柱发生严重钢筋锈蚀破损；20%的梁板发生严重钢筋锈蚀破损
荷兰	64座码头、泄水闸；3~63a使用时间；使用年限低于30a的结构物未见明显腐蚀现象
以色列	阿希道德港、埃特拉港、海法港部分码头；7~27a使用时间；码头使用7~8a时出现腐蚀早期现象；使用15a预应力面板保护层脱落、预应力筋完全锈蚀；使用27a后水上钢筋混凝土桩严重锈蚀
日本	103座海港混凝土码头中：使用年限20a以上的码头都有相当多的顺筋裂缝；21.4%的钢筋混凝土结构损坏由钢筋锈蚀引起

1.1.2我国港口码头腐蚀情况

我国交通运输部曾针对不同区域、不同建设年代的沿海码头，组织了多次的调查工作^[5-6]，部分码头腐蚀情况见图1。调查的区域包括华南、华东以及北方地区，调查的码头对象建设年代包括1986年以前、1986—1996年以及1996年之后。调查后的主要腐蚀情况见表2。

表2 我国沿海港口码头腐蚀情况调查

建设年代	码头腐蚀情况
1986年之前	运行10~15a，有严重破坏构件的码头数量约占50%；浪溅区IV级破坏的构件达到50%~100%
1986年至1996年	运行10~15a，情况所有改善；II~III级破坏较为普遍；多数构件表面出现锈迹，混凝土中钢筋已发生锈蚀
1996年之后	运行10年左右的码头基本未出现钢筋锈蚀情况
注:表中腐蚀破坏等级说明：II级，一般破坏，构件出现长度占布筋方向30%~80%、宽度为1~3mm的顺筋裂缝；III级，构件存在小面积的锈斑和锈迹，出现较短的、宽度为0.3~1mm的顺筋裂缝；IV级，构件存在少量的锈斑和锈迹，出现很短很细的、宽度小于0.3mm的顺筋裂缝。

调查结果发现：码头结构物耐久性的提升与耐久性相关标准的完善、高性能混凝土的应用、腐蚀防护措施的应用以及设计施工水平的提高息息相关。

a)混凝土桩基保护层脱落

b) 梁板底部钢筋锈蚀

c）纵梁底部开裂

图1 我国部分码头腐蚀情况

1.2公路桥梁腐蚀情况分析

1.2.1国外公路桥梁腐蚀情况

目前，发达国家的桥梁已进入维护高峰期，需维修桥梁占比达到25%~39%，见图2。国际上普遍关注的桥梁问题包括结构损伤、功能退化以及承载力不足等。

图2 国外部分国家维修桥梁占比

美国、欧洲国家桥梁多且老龄化，每年需要大量维修成本和更换成本。据FHWA预测，未来美国每年需要维修资金达200亿美元以上（ASCE，2013）^[16]。欧洲国家国有桥梁仅占桥梁总数的一小部分，例如法国仅占10%，每年桥梁维修费用为0.73亿~3.18亿欧元，年更换费用为60亿~300亿欧元。2004年统计的欧洲国家国有桥梁年维修和更换费用^[17]见表3。

表3 欧洲国家国有桥梁年维修和更换费用

国家	法国	德国	挪威	英国	瑞典、西班牙、芬兰、比利时
国有桥梁数量/座	28000	34600	17000	9500	48600
年维修费用/亿欧元	0.73	3.18	0.37	2.25	1.45
年更换费用/亿欧元	149	300	60	225	161

1.2.2 我国公路桥梁腐蚀情况

2006—2012年交通运输部“桥梁耐久性关键技术研究”重大专项对我国13个省份的132座桥梁的耐久性进行了专项调研，并对我国西部各省区及部分东部沿海省区的1200余座混凝土桥梁技术状况及病害资料文献进行整理分析，同时对我国31个省、直辖市或自治区的253个公路桥梁管理部门进行函调，开展了一次大规模的公路桥梁技术状况调查统计工作^[16]。对我国65万余座桥梁，按级别进行了技术等级划分，根据我国《公路桥梁技术状况评定标准》^[18]，技术状况等级为四、五类的桥梁不能保证其正常使用，甚至会危及桥梁安全，所以急需大修、加固改建甚至重建。

调研结果表明：随着道路行政等级的提升，四、五类桥梁占比从24%减少到1%，见图3。在所有调查桥梁中，四、五类桥梁（需维修加固桥梁）占比14.21%。

图3 我国公路桥梁技术状况调查

桥梁腐蚀中，拉吊体系腐蚀是重点问题。拉吊体系主要的腐蚀现象有：PE护套开裂、防水罩失效、锚头进水和拉索锈蚀断裂等，见图4 。

a）PE护套开裂

b）防水罩失效锚头进水

c）拉索锈蚀、断裂

图4 桥梁拉吊体系腐蚀典型问题

根据拉吊体系桥梁的调查统计数据，桥梁吊杆的更换多发生在通车后5~16a，平均使用寿命11.8a，远低于吊杆20a的设计使用寿命，见图5。

图5 桥梁拉吊体系腐蚀发生年份

梁式体系和其他体系中桥墩、桥梁和桥塔等部位的钢筋混凝土腐蚀问题也较为严重。混凝土的腐蚀现象主要有混凝土保护层剥落和钢筋锈蚀，我国东部沿海地区位于水位变动区、浪溅区的墩柱腐蚀现象最为严重^[19]。桥梁钢筋护凝土的腐蚀会严重影响桥梁的耐久性，降低其使用年限。根据2004年对东南沿海公路桥梁耐久性调查发现，梁式体系的主梁和支座等上部结构的耐久性损害占总体损害的比重最大，桥墩、基础等下部结构的耐久性损害比重位居其二^[20]，图6为海水潮汐区和浪溅区桥梁的损害部位统计。

图6 海水潮汐区和浪溅区桥梁的损害部位统计

广东省珠海市1995年建成通车的海燕大桥在2003年的养护中发现其桥墩混凝土剥离、混凝土钢筋锈蚀胀裂、箍筋已断落丧失作用；2002年竣工的灵昆大桥在投入使用的第5年维护检测时，桥墩已出现较为严重的混凝土脱落及钢筋锈蚀问题；天津滨海盐渍地的3座排架墩桥在投入使用8~10年已出现墩柱混凝土脱落、钢筋腐蚀的问题，桥梁被迫重建。2016年舟山某跨海大桥调研中发现部分混凝土索塔、箱梁、锚碇等结构出现病害，见图7。

a.桥梁索塔出现竖向裂缝

b.桥梁索塔出现竖向裂缝

c.桥梁钢混结合段处混凝土箱梁裂缝

d.桥梁锚碇混凝土结构裂缝

图7 舟山某跨海大桥混凝土结构病害

2腐蚀防护成本情况

交通行业是用钢大户，见表4。每亿元投资中，城市轨道交通、铁路和机场的用钢量分别为1万t、0.333万t和0.1万t；高速公路建设中用钢量约450t/km^[21]；每个港口码头泊位建设用钢量约2000t。因此，腐蚀防护需求市场较大。

表4 交通细分行业钢材应用范围和用钢量

数据来源：中国腐蚀与防护网

2.1国际典型国家腐蚀损失情况

国际范围内的腐蚀调查^[16]显示：由结构物腐蚀带来的经济损失大约占GDP的1%~5%，采用有效的控制和防护措施，能够避免的损失大约为14%~35%，见表5。腐蚀损失包括直接损失和间接损失。直接损失是腐蚀构件对营运商造成的直接损失，相对容易估算；而间接损失是除直接损失之外的所有损失，如对人员安全、营运时间、环境等造成的所有影响，间接损失显著高于直接损失。

表5欧洲国家和日本的码头腐蚀情况

2.2 我国腐蚀成本总体情况

我国开展过两次大规模的腐蚀调查，1999年“中国工业与自然环境腐蚀问题调查与对策”项目中提出，1999年-2001年我国年腐蚀损失约为5000亿元^[22]，间接腐蚀损失是直接腐蚀损失的1.5~2.0倍；2015年“我国腐蚀状况及控制战略研究”项目中提出，2014年我国腐蚀成本（包括直接和间接成本）约为21278.2亿元，约占当年国内生产总值（GDP）的3.34%^[16]。从防腐技术统计口径，各类技术的腐蚀成本比例见图8。

图8 2014年腐蚀成本分析

2.3我国交通基础设施防腐蚀投入

2.3.1总体投入

“我国腐蚀状况及控制战略研究”项目对2014年基础设施防腐蚀总成本（包括新建基础设施的防腐蚀费用和老旧基础设施的维护费用）测算为814.5亿元^[16]，占各行业防腐蚀总成本的7%。其中公路桥梁防腐蚀成本624.7亿元、港口码头防腐蚀成本总计26.3亿元，见图9。据2014年交通行业发展统计公报，当年公路建设投资15460.94亿元和水运建设投资1459.98亿元，公路桥梁腐蚀成本占当年公路桥梁行业建设投资总额的4.0%，港口码头腐蚀成本占当年水运行业建设投资总额的1.8%。

图9 基础设施领域成本分析（数值单位:亿元）

2.3.2典型工程腐蚀防护

2.3.2.1宁波-舟山港大榭港区码头

海港工程混凝土碳化一般较小，碳化对其耐久性的影响有限^[23]。海洋环境中因氯离子侵蚀而导致的钢筋混凝土腐蚀破坏是海港码头钢筋混凝土结构最为普遍和严峻的腐蚀破损形式^[24]。杭州湾地区海港工程混凝土结构耐久性调查发现，已遭腐蚀破坏的海港工程混凝土，采用局部修补及全面封闭的处理措施有一定的局限性，其修复的耐久性明显不足，一般使用5a、甚至有的只有2a就会出现局部混凝土二次开裂^[12]。宁波-舟山港大榭港区实华码头为高桩墩式码头2001年竣工投产，2010年对其进行的全面的耐久性调查^[12]发现：各类型混凝土结构基本未发生碳化，混凝土保护层基本完好，但涂层系统老化严重，表6为大榭港区混凝土结构耐久性调查结果。

表6 2010年宁波-舟山港大榭港区混凝土结构耐久性调查

调查项目	横梁	纵梁	墩台	备注
混凝土强度/MPa	29.1~49.4	30.7~52.9	28.1~57.5	设计值：C30
钢筋保护层厚度/mm	62-81（底面） 45-68（侧面）	69-81（底面） 45-75（侧面）	78-104	横梁与纵梁的侧面设计值：70 横梁与纵梁的底面设计值：50 墩台设计值：70
混凝土碳化程度	基本未碳化	基本未碳化	基本未碳化	-
氯离子含量/% (相对于混凝土)	0.002~0.01	0.002~0.045	0.004~0.098	浪溅区钢筋锈蚀氯离子临界值0.059%～0.107％
电阻率/(kΩ.cm)	26.09~40.23	12.11~20.55	12.02~18.25	10～50时活化钢筋可出现中高锈蚀速率^[25]

2.3.2.2舟山跨海大桥

根据舟山跨海大桥养护规划及投入情况^[16]，48km的五桥一线20a内总养护费用约20亿元，合计每年平均养护费用约1亿，折算年度单位里程养护费用约为215万元/(a·km)，其中路基路面养护费用约占比60%，其他桥梁、涵洞、隧道的结构、机电等养护费用大部分与腐蚀等耐久性维护相关，约占比40%。其中，西堠门大桥是我国最长的悬索桥，主跨1650m，其养护项目中大部分与腐蚀防护相关。图10为西堠门大桥构件腐蚀情况，表7为2015年西堠门大桥腐蚀状态年度常规检测病害情况，表8为西堠门大桥构件养护规划情况。

a)桥梁支座螺栓锈蚀

b) 吊索防腐涂装劣化

图10 西堠门大桥构件腐蚀情况

表7 2015年西堠门大桥腐蚀状态年度常规检测病害情况

表8 西堠门大桥构件养护规划情况