钢筋腐蚀的代价与应对之策

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作者：Ivan Zambon^1,2,*, Monica Santamaria Ariza³,

José Campos e Matos³ and Alfred Strauss²

1. FCP Fritsch，Chiari ＆ Partner ZT 有限责任公司，桥梁建设部，奥地利，维也纳；

2. 奥地利自然资源与生命科学大学，土木工程与自然灾害系，结构工程研究所，

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3. 葡萄牙米尼奥大学土木工程系，

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[e-mail]   

* 通讯作者：Ivan Zambon，

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一直以来，钢筋混凝土凭借其耐久性和相对较低的养护成本，成为民用基础设施（例如桥梁）的主要建筑材料。然而近年来有证据表明，钢筋混凝土实际的养护和维修成本较高。

氯化物引起的腐蚀是钢筋混凝土劣化的主要原因之一。2002年，美国腐蚀工程师协会（NACE）和美国联邦公路署(FHWA)指出，由于钢筋腐蚀，美国约有13.4万座桥梁存在结构缺陷。因此，研究人员和有关组织机构已致力于开发、改善氯化物的导入模型。研究中使用的模型得到了国际结构混凝土联合会（fib）欧洲混凝土规范Model Code 2010(MC2010)，fib公告34 (fib Bulletin 34)，fib公告59 (fib Bulletin 59)和fib公告76 (fib Bulletin 76)的支持。

测量和监测氯含量的技术，以及将相关数据用于贝叶斯统计法决策的研究，也引起了广泛关注。此外，COST行动TU1402“量化结构健康监测（SHM）的价值”（2014-2019）在贝叶斯决策理论方面做出了巨大贡献，共有来自中国、美国、澳洲等29个国家的学术界、混凝土行业、基础设施业主、运营方和政府的人士参与。这一行动侧重于在贝叶斯决策理论的框架下，制定信息价值（VoI）分析，进而做出最优决策。

对抗腐蚀的成本效益

钢筋腐蚀的过程可以粗略地分为引发阶段和后续过程。混凝土中碱性物质在钢筋表面上形成了氧化层，使钢筋处于钝化状态。当碱度超过氯化物阈值时，氧化物层溶解，导致钢筋去钝化。此时，腐蚀开始蔓延，出现各种劣化情况，如混凝土开裂、分层、钢筋-混凝土黏结损失，以及钢筋截面面积损失。这些因素会影响结构的耐久性和生命周期性能，导致大量的维修和养护成本。

因此，对抗钢筋腐蚀应优选预防策略。也就是在腐蚀仍处于萌芽阶段，没有可见损坏的情况下，对遭受氯离子浸入的钢筋混凝土结构进行养护/修复。因此，应测量氯化物的含量。然而，这样的测量会产生成本，且测试的准确性并不确定。所以，在无可见的损害中，VoI的数值可帮助判断测试和测量是否具有成本效益。

决策树如图1所示。如果进行测量,可在一定程度上显示钢筋是否发生去钝化。在检测到去钝化的情况下,不论幅度大小,都应进行修复。此外,在没有进行任何测量或测量表明没有去钝化的情况下,钢筋仍存在去钝化的可能。

图1 决定氯化物测量信息值的决策树，其中(a)表示决策树中的事件；(b)表示发生的概率和相关成本。

决策树得出了9种可能的结果。其中，成本标记为Ui，如图1。氯化物测量和混凝土维修的成本取决多个参数，如测量方法、维修类型、市场情况等。因此，测量和维修成本是相对的，继而产生成本比率。表1给出了图1中的事件及其发生概率。

为找到测量最具成本效益的最大测量成本，决策树的两侧必须处于平衡状态，得出等式(1)：

将每个特定结果量化为可能发生的成本总和，乘以发生概率（在此标记为E_i和E_j）。表2列出了九种可能结果的量化方法。

本文使用的氯化物侵蚀模型基于菲克第二扩散定律，其中混凝土中氯化物主要受扩散控制。

其中Φ(u)是正态分布函数，给出了标准正态变量采用区间[0, u]中值的概率。

测量技术的因素

实验室测试技术包括快速氯化物渗透性测试（RCPT）、非稳态扩散测试、沉陷测试、电迁移测试等。实验室测试通常用于确定有关氯化物侵蚀的混凝土性能，例如非稳态扩散测试被认为是覆盖面最广的实验室测试。现场测试技术可以分为破坏性技术（在提取的岩心上进行）和非破坏性技术。破坏性技术是从服役结构中取样，并通过物理（如定量X射线衍射分析）或化学（如Volhard法——电位评估）实验室技术确定氯化物分布。相反，非破坏性技术（NDT）不会改变测量材料未来的实用性。

最常见的测量技术是现场破坏性测试，即电位计和Volhard法。这些技术对于短期决策（如维修或养护）很有价值，可以用于模型更新，但也存在因为操作原因导致的误差和错误问题。腐蚀的概率表示为临界浓度和实际浓度间余量的函数，即C(t)–C_crit 。对于0.0001（以混凝土重量计）的安全系数而言，发现的概率约为87％。

此外，测量的不确定性还取决于空间可变性、测量的数量等。因此，选用精准的成本和准确性来涵盖所有可能的测量方法是不可能的。同时，计算最大成本（指定为C_meas）与主动和被动修复成本息息相关。如前所述，四个不同的场景中体现出了测量的不确定性，即P(D_dep|T_no))、P(D_no-_dep|T_no)、 P(D_dep|T_yes)和P(D_no-_dep|T_yes)，如表1所示。

维修方法的考量

根据欧洲混凝土规范Model Code 2010(MC2010)，保护包括维持结构或将结构恢复到满足定义性能要求状态的所有措施。此外，保护措施是为了使结构满足其预期的使用寿命、延长结构的计划使用寿命，或使其能够满足性能变化的要求（如变化的载荷）。本文所考虑的维修措施为使结构能够达到其预期的使用寿命。

保护策略分为主动与被动。主动保护策略基于预防性（或保护性）干预措施，是通过在检测出损坏之前，实施处理或采取措施，避免或最大程度地减少进一步恶化。本文分析的重点是可用性极限状态（未观察到结构性破坏），因此仅考虑了维修方法，未考虑更换、拆除等。

欧洲标准EN 1504总结了11条混凝土维修和保护原则，其中一些维修原则和特定方法既可以用作主动措施，也可以用作被动措施，其他则可以作为补充。这些方法中，每一种都有其特定过程和成本，而成本又在不同的地区有所差异。因此，本文未考虑修理方法的实际成本，而是关注主动和被动成本间的比例。

CONREP NET对修复后的混凝土结构进行了约230个案例研究（这些案例位于欧洲不同国家，其中约70％位于北欧）。研究显示，修复后的混凝土结构中，有50％发生了故障。其中25％在前5年内发生劣化，75%在10年内劣化，95%在25年内劣化。

图1中显示的决策树未考虑时间因素。根据上述百分比，成功修复且在前五年内未劣化的百分比为P_rep= 0.875。因此，将分析中成功修复的概率设为P_rep = 0.875，可以将其应用于每个个案研究。

预后验分析

笔者根据图1所示的决策树，对氯含量测量的成本效益进行了预后验分析，列于表3中。

针对不同的钝化概率P_dep（即P_rep=0.2，P_rep=0.4，P_rep=0.6和P_rep=0.8）进行计算，可以代表不同的混凝土混合物。假定发生去钝化导致损坏的概率P(D_crack|D_dep)设为80％。P(D_crack|D_dep)涵盖氯化物含量高于临界水平但不会引起去钝化的情况，或发生去钝化但不造成任何损坏的情况。成功修复的概率设置为P_rep=0.875（请参见“修复方法”一章）。假定实际的氯化物含量近似等于临界氯化物含量，这种假设导致测试的准确性为90％。此精度取决于所选的测量方法，且在计算测量的成本效益方面起着重要作用。

最大测量成本的比率C_meas,max仍然具有成本效益，这是根据主动维修和被动维修的成本而计算的。图2显示了四种去钝化概率的主动成本C_rep,p，以及反应性维修成本C_rep,p与测量最大成本效益值C_meas,max之比。

图2 测量的最大成本效益值C_meas,max，表示预防性和反应性维修的不同成本。

其中，去钝化的概率：（a）P_dep = 0.2；（b）P_dep = 0.4；（c）P_dep= 0.6；（d）P_dep ＝ 0.8。

以上得出的C_meas,max值在图2中以绿色显示。如果主动维修成本为15000欧元，被动维修成本为60000欧元，那么仍然具有成本效益的最大测量成本分别为3400欧元、8000欧元、13100欧元，以及17900欧元。

从图2中可以看出，随着去钝化初始概率P_dep的增加， C_meas,max会增高。但是，人们更期望随着P_dep接近1.0，C_meas,max值降低。因为在去钝化几乎显而易见的情况下，信息的价值并不高。此现象可以通过以下事实来解释：分析中考虑了一些降低测量值的事件，即错误指示去钝化、准确指示去钝化之后没有发生损坏、修复不成功等。

扩大分析克服局限性

VoI分析是基于决策理论框架进行的，该理论框架使用预后验分析法，是COST行动TU1402“量化结构健康监测价值”中取得最新进展的一部分。基于此框架，基础设施管理者和运营商可量化生命周期过程中某个步骤的价值和成本效益。从获得的结果可以看出，随着初始去钝化概率P_dep的增加，仍然具有成本效益的最大测量成本C_meas,max会增加。

本文的主要目的是提出一种用于定量分析氯含量的VoI定量分析整体程序。但是，要获得某个结构或结构元素的VoI，应采取以下措施：研究人员必须了解、分析、比较维修和测量的实际成本；对于确切位置的既定桥梁或桥梁元件，应根据实际暴露等级、混凝土等级和水泥类型，确定获得去钝化概率的氯化物侵蚀模型参数P_dep；为确定所采集样本的最小数量，应知道测量方法的准确性，并考虑空间变异性。

此外，为扩大分析范围并克服本文提及的局限性假设，本文给出以下建议：应扩大分析范围，涵盖因维修而导致结构不可用的间接费用，以及相关的环境和社会影响；应考虑到所有可能发生的恶化现象；图1中显示的决策树还可以扩展，包括传播阶段事件、可能导致结构损坏的缺陷修复事件、不成功的反应性修复等。此外，为进一步研究时间对成本效率的影响，可以考虑在决策树中引入和时间有关的成分。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2021年 第1期 总第13期

翻译 / 单霏霏

编辑 / 王硕

美编 / 赵雯

责编 / 裴小吟

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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