混凝土是世界工程建設中使用量大面廣的材料，每年耗用量達 100多億噸。在我國，混凝土的使用量占有整個工程建設材料的 80% ～ 90%。混凝土的發展經歷了從鋼筋混凝土到預應力混凝土至如今的高性能高強混凝土約180 年的歷程。在其迅猛發展的同時，混凝土結構的耐久性問題也隨之凸顯，許多混凝土結構由于不同原因而提前失效，輕則致使工程停用維修，重則導致重大工程的梁塌路垮，造成巨大的經濟損失。隨著工程結構服役環境的復雜化，混凝土結構耐久性功能要求越來越高，加大對混凝土結構耐久性的認識力度和研究力度，延長其使用壽命是現階段急需攻克的重要課題。

    為了全面加強人們對鋼筋混凝土結構耐久性研究的重視，了解鋼筋混凝土結構耐久性提升技術研究進展，促進鋼筋混凝土結構的技術創新，確保我國重大建設工程的安全，值此 2017 第四屆海洋材料與腐蝕防護大會即將召開之際，記者邀請到本屆海洋材料與腐蝕防護大會的特邀報告人、浙江大學寧波理工學院院長、浙江大學結構工程研究所所長金偉良教授做相關方面的精彩解讀。

    金偉良，現任浙江大學寧波理工學院院長、浙江大學結構工程研究所所長。他在鋼筋混凝土結構耐久性方面進行了較為深入的研究，取得了眾多豐碩的成果，其中包括多次獲得國家級和省部級重要獎項。在國內外混凝土結構研究領域享有較高的知名度。

    重視混凝土結構研究 夯實國家建設基石

    鋼筋和混凝土的組合被譽為土木工程結構發展史中一次重大技術革命，兩者實現優勢互補，鋼筋有效改善了混凝土的韌性，提高了其抗拉抗彎性能，而混凝土的堿性環境則保持了鋼筋表層的鈍化，同時又隔離了鋼筋與外界，特別是侵蝕性介質的接觸，防止鋼筋的銹蝕，因此，這類組合材料形成的混凝土結構已成為世界上應用最為廣泛的結構形式。

    然而，任何事情并不是一勞永逸的。金教授強調，隨著時間的推移，鋼筋混凝土結構的耐久性問題日益突出，由于鋼筋銹蝕引起混凝土結構的過早破壞，已成為全世界關注的一大災害。美國標準局（NBS）的調查顯示：在美國，目前整個混凝土工程的價值約為 6 萬億美元，而每年用于維修或重建的費用預計高達 3000 億美元；中國的“腐蝕調查”結果顯示，2014 年中國腐蝕總成本超過 2 萬億元人民幣，約占當年 GDP 的3.34%，其中在工業、民用建筑中的主要腐蝕問題表現為混凝土結構的失效。我國有著廣闊的海域和漫長的海岸線，而沿海地區又是大規模經濟建設的集中地，有著大量的鋼筋混凝土建筑結構，由于混凝土結構腐蝕造成的損失令人痛心疾首！我國交通部四航局科研所曾于1980 年主持了對華南地區 18 座碼頭的調查，結果發現 80% 以上的碼頭在使用 5 ～ 10 年后都發生了較為嚴重的鋼筋銹蝕現象。近些年，浙江大學結構工程研究所對浙江省內 37 座現役橋梁和11 座碼頭開展了大量而廣泛的耐久性調研工作，結果發現鋼筋銹蝕及由此引發的保護層開裂現象非常普遍，對結構的安全和正常使用造成了嚴重危害，如浙江東部某國家重點工程 10 萬噸級礦石中轉碼頭不到 10 年就不得不進行腐蝕修補；南部沿海幾十座服役 3 ～ 25 年的碼頭，因鋼筋銹蝕造成的耐久性問題占 80% 以上，有的僅使用 3 ～ 7 年即出現順筋開裂。

    因此，研究鋼筋混凝土結構耐久性問題是一項急切和必需開展的課題，大力發展高性能混凝土結構材料，提高工程的設計水平和施工質量，延長工程使用壽命，對推動我們國家工程建設的發展具有重要意義！

    各路防護顯神通 利弊不一需權衡

    眾所周知，鋼筋混凝土結構由鋼筋和混凝土兩種材料組成，廣泛應用于民用和工業建筑中，也大量用于公路、橋梁、隧道、礦井、水利工程、海洋工程以及特種結構。

    金教授強調，安全性、適用性、耐久性是保證工程結構可靠的三要素。在過去，由于人們對工程結構設計規范中的安全性考慮較多，對耐久性缺乏考慮，進而導致工程結構提前失效的案例時有發生，從而造成巨大的經濟損失。鋼筋混凝土結構失效主要表現為：混凝土的碳化、堿 - 集料反應和凍融破壞、氯離子侵蝕、鋼筋銹蝕、混凝土構件耐久性和混凝土結構體系耐久性等方面。目前國內外對于混凝土鋼筋銹蝕的修復和防治方法主要分為兩種：傳統修補法和電化學修復法。

    一、傳統修補法

    鋼筋混凝土在建造、使用過程中受到人為影響、自然損壞或受到外力破壞，造成如麻面、露筋、孔洞、裂縫、鋼筋銹蝕等缺陷，傳統修復手段主要是先鑿除已經劣化的混凝土保護層，對鋼筋進行除銹防銹處理，對嚴重銹蝕的鋼筋，進行旁焊補強或更換，然后對銹蝕的鋼筋做除銹及阻銹處理，再使用環丙砂漿、丙乳砂漿等進行填補。

    其存在的主要問題在于修復效果難以滿足長期耐久性要求，尤其對于已遭受氯鹽侵蝕的海洋環境中的鋼筋混凝土結構。原因是鋼筋處于新舊混凝土的交界處，修補會造成鋼筋表面產生電位差，且處于鋼筋內側的混凝土中氯離子難以被徹底去除，鋼筋仍有再次銹蝕的可能。如美國俄勒岡州 Alsea 海灣上的多拱大橋在鋼筋發生嚴重銹蝕后，即采用了傳統修補法對破壞處進行修補，然而不久卻發現其附近鋼筋銹蝕加劇。

    二、常用電化學修復方法

    1、陰極保護法

    陰極保護技術是以抑制鋼筋表面形成腐蝕電池為目的的電化學防腐方法，主要包括犧牲陽極法和外加電流輔助陽極法。犧牲陽極的陰極保護方法施工簡便，無需提供輔助電源，維護管理更加容易，而且不易引起預應力鋼筋產生氫脆危險。

    采用外加電流陰極保護的方法，大多數結構可長期可靠地抑制鋼筋的腐蝕，大大降低維修成本。

    陰極保護技術應用于鋼筋混凝土結構中，總體是可行的。但該方法不僅從結構建設期就需要專人管理和維護，并且需要長期維護，成本較高，因此其推廣應用受到了一定的限制。此外，陰極保護技術主要應用于在建結構物，對于已經建成并已經出現鋼筋銹蝕的結構物其應用效果仍有待進一步研究。

    2、電化學再堿化法

    電化學再堿化法是 20 世紀 70 年代末在美國和歐洲興起的一種用于修復碳化混凝土內鋼筋腐蝕的重要方法，它主要通過無損傷的電化學手段來提高被碳化混凝土保護層的堿性，使其pH值恢復，從而降低鋼筋腐蝕活性，使鋼筋表面恢復鈍化，以減緩或阻止銹蝕鋼筋的繼續腐蝕。電化學再堿化，可以用于所有碳化的混凝土構筑物，已經成為世界各國公認的事實。但目前國內外對再堿化技術研究結果不盡相同。

    3、電沉積修復法

    電沉積修復法是最近興起的一種修復混凝土裂縫的新方法，特別是海水中的鋼筋混凝土結構，由于海水本身就是良好的電沉積溶液，因此電沉積修復法用于海工和水工結構都有很好的修復效果。但當該技術應用于陸地混凝土結構裂縫的修復時，仍存在一定的局限性。

    4、電化學除氯法

    目前，電化學除氯法可能對鋼筋混凝土造成影響的研究比較廣泛，包括鋼筋－混凝土界面結合強度、堿骨料反應、氫脆及混凝土微裂縫的變化等多方面。

    值得注意的是，電化學除氯雖然對受氯鹽侵蝕的鋼筋混凝土結構具有較好的修復效果，但卻會對其產生一些不利影響。研究發現，電化學除鹽時鋼筋表面會發生析氫反應，即氫脆，鋼筋表面發生電化學反應生成的氫氣，產生膨脹壓力，導致鋼筋-混凝土間黏結力下降，同時氫氣也會降低鋼筋的延性。另外，當混凝土中使用的集料中含有 SiO 2 等活性組分時，電化學除氯會使 K + 、Na + 向鋼筋陰極附近大量聚集，從而加劇局部堿骨料反應，造成骨料破壞。

    5、電滲阻銹法

    近十幾年來，鋼筋阻銹劑作為一種使用簡單、經濟有效的鋼筋防腐措施，被大量應用于工程中。但有研究指出，遷移型阻銹劑的滲透深度與混凝土保護層厚度、混凝土密實程度有密切關系，當混凝土保護層較厚或密實度較大時，阻銹劑不能到達鋼筋表面或鋼筋附近阻銹劑濃度不足，無法起到應有的阻銹效果。

    利用電場將有效阻銹劑基團輸送至鋼筋表面的這種技術采用的有機阻銹劑較為昂貴，且需要較長的通電時間才能達到滿意的效果，因此發展較慢，直到最近幾年才有所進展。有研究表明，與單一的電化學除氯及阻銹劑自然滲透修復技術相比，電遷移阻銹技術可加速阻銹劑基團遷移到鋼筋表面，能顯著提高防腐修復效果，并通過試驗提出了以鋼筋的腐蝕電位作為電遷移阻銹效果的評判方法。

    眾人劃槳開大船 碩果累累報祖國

    據記者了解，金偉良教授所帶領的浙江大學混凝土結構耐久性研究團隊自上個世紀 90 年代以來一直致力于混凝土材料與結構耐久性基本理論和工程應用中的關鍵技術問題研究。經過二十余年的發展，逐步形成了以金偉良教授為學術帶頭人，包括教授、副教授、講師、博士后、博士和碩士等不同層次的科研梯隊和混凝土結構耐久性研究方向的學術群體。

    他們的科研基地與實驗室建設分兩大部分：國家科技部混凝土結構耐久性國際合作研究基地、寧波市工程結構性能提升重點實驗室。

    國家科技部“混凝土結構耐久性國際合作研究基地”（以下簡稱基地）于2010 年 8 月經科技部國際合作司批準成立，依托單位為浙江大學寧波理工學院。基地主要開展有關混凝土結構耐久性基本理論和耐久性維護技術創新與應用等方面的研究。現用房總建筑面積達600 m 2 ，儀器設備總投資 900 多萬元。目前，基地新增建 1 處 300 m 2 的“土木工程結構疲勞與耐久性試驗室”，主要用于開展混凝土結構在重載等疲勞荷載和鋼筋銹蝕耦合作用下的損傷機理、災變演化過程及其防治措施研究。依托于此平臺，研究團隊與浙江省第二建設集團有限公司、寧波大達化學有限公司、寧波市軌道交通集團有限公司和浙江舟山跨海大橋有限公司等單位建立了穩定的合作關系，部分成果已經在上述單位進行技術轉化，并取得了一定社會和經濟效益。

    寧波市工程結構性能提升重點實驗室整合浙江大學寧波理工學院、浙江大學和寧波市相關企業研究力量，積極搭建產學研聯合創新平臺，吸引國內外高層次科技人才，重點解決浙江省沿海工程結構服役過程結構安全的關鍵技術問題，對確保浙江省沿海工程結構安全具有重要意義。實驗室擁有 200 噸脈動式疲勞試驗機、25噸電液伺服疲勞試驗機、加載式多功能氣候模擬試驗箱、臺式掃面電鏡、RCM 非穩態電遷移法氯離子擴散系數測定儀等先進的試驗儀器設備，可對土木工程結構構件性能進行全面試驗和分析，從而針對結構性能提升提出具體措施。目前該實驗室已將多項研究成果直接應用于實際工程中，取得了顯著的社會、經濟效益，在工程結構性能提升方面形成了特色鮮明的研究成果。

    他們的研究團隊已經完成和正在進行的相關研究涵蓋了混凝土結構耐久性研究的環境、材料、構件和結構各個層面的內容，主要包括：氯離子在混凝土內部的輸運機理，混凝土內鋼筋銹蝕的規律，鋼筋銹脹力對混凝土開裂及裂寬的影響，銹后鋼筋和混凝土黏結力的衰退規律，銹后鋼筋混凝土構件承載力性能，預應力混凝土結構的耐久性問題，混凝土結構耐久性無損監測系統，混凝土結構的耐久性檢測與評估，混凝土結構耐久性的電化學提升技術，高性能混凝土與防腐材料的應用，基于耐久性的混凝土結構全壽命設計方法等研究。已在國內外學術期刊上發表學術論文數百篇，出版學術專著 6 部，編著 2 部，主編或參與編著混凝土結構與耐久性規程5 部，在耐久性研究方面獲得國家科技進步獎 3 項。2002 年編著的《混凝土結構耐久性》被中國工程院趙國藩院士認為“國內第一部全面介紹混凝土結構耐久性研究的專著，具有較高的學術水平和應用價值”。

    他們的研究團隊在進行混凝土結構耐久性基本理論研究的同時，注重理論聯系實際，解決重大工程的關鍵技術問題，與寧波市杭州灣大橋發展有限公司、浙江舟山跨海大橋有限公司等投資達百億以上的重大工程項目已建立長期科研協作關系，為混凝土結構耐久性研究的順利開展和研究成果的推廣應用提供了很好的工程背景。

    在學術合作與交流方面，他們的研究團隊與國際上該領域著名的大學和研究機構建立了長期的合作關系，開展多邊國際科研合作。分別于 2008、2010、2012、2014、2016 年在中國杭州、日本札幌、英國貝爾法斯特、美國西拉法葉城以及中國深圳組織了系列混凝土結構耐久性國際學術會議“InternationalConference?on?Durability?of?ConcreteStructures（ICDCS）”。

    他們科學研究亮點表現在多重環境時間相似理論（METS）、耐久性設計區劃（DEZS）、混凝土結構耐久性動態評估（PPM）、銹蝕鋼筋混凝土構件性能、混凝土中多離子輸運機理、鋼筋銹脹機制與力學性能、混凝土結構耐久性檢/監技術、全壽命設計理論體系、基于雙向電遷的混凝土耐久性提升技術等多方面。

    據金教授回憶，在他的科研生涯中，他和他的團隊創造了許多個“第一”的輝煌。比如說，他們承擔了國內第一個混凝土結構耐久性國家重點基金項目，第一個重點工程的混凝土結構耐久性項目，完成國內第一本混凝土結構耐久性學術專著。研究成果及專利均已應用于國家的重大工程中，服務于國家建設。

    令他最為印象深刻是他們提出的混凝土結構耐久性設計方法在杭州灣跨海大橋上的應用，當時建設杭州灣跨海大橋應用了六個關鍵技術，其中一個關鍵技術就是耐久性問題。杭州灣跨海大橋全長 36 公里，是目前世界上最長的跨海大橋之一。其所處的環境復雜、惡劣，而海洋氣候環境中百年設計壽命的重大混凝土結構的耐久性問題在理論和實踐上尚未妥善地解決，還存在一系列有待解決的問題。能否真正達到百年大計的要求還需理論與實踐予以驗證。為此，金偉良課題組堅持不懈、刻苦攻關。他們運用多種試驗方法實現跨海大橋的耐久性壽命預測與評估；提出了多重環境時間相似理論，解決了室內試驗與實際工程耐久時間相關性的技術難題；設計并建設了杭州灣跨海大橋耐久性長期性能試驗的暴露試驗站，為跨海大橋的耐久性能和壽命評估的完善提供了實際依據。該項目獲得國家科技進步二等獎。并且在之后的重大工程中如舟山連島、港珠澳跨海大橋中也同樣成功地采用了該方法，得到了國內外同行的廣泛認可。

    談及這些，金教授十分感慨地說：“獲獎只是我們的研究工作得到了同行的認可，這是對我們在某階段工作成果的一種認定。但并不意味著這項研究工作的終結，我們仍需繼續努力、創新，去解決那些亟待解決的問題。能把我們的科研成果應用到國家的重大工程建設中，能為祖國的建設出一份力是我們共同的心愿！”

    提升技術結新果 開拓創新迎發展

    鋼筋銹蝕破壞，特別是由于氯鹽引起的鋼筋銹蝕破壞，已成為嚴重威脅鋼筋混凝土結構耐久性的最主要和最普遍的危害因素。目前，在混凝土耐久性提升技術方面，國內外學者主要從防、抗、治這三個角度開展研究。涂層 - 阻銹法是從“防”的角度對新建結構進行防護或是對已有結構進行維護；特種鋼筋是從“抗”的角度提高結構材料本身抵抗介質侵蝕的能力；電化學修復法則是從“治”的角度對已腐蝕的混凝土結構進行修復治理。

    盡管國內外在電化學除鹽方法和阻銹材料研發等方面已開展了大量的研究工作，但如何最大化地提高受氯鹽侵蝕的混凝土結構耐久性病害維修效率仍是工程界的一大難題。

    金教授談到，近些年來，他的課題組提出了雙向電遷修復技術的概念，并在雙向電遷的研究基礎上提出將納米材料引入雙向電遷的新方法。

    一種新型混凝土耐久性提升方法：雙向電遷技術

    雙向電遷的基本原理是在外加電場的作用下，電解質溶液中的陽離子阻銹劑向陰極鋼筋處遷移，混凝土孔隙液及鋼筋表面的 Cl - 向陽極遷移進入電解質溶液中，雙向電遷必須考慮電化學除氯與電遷阻銹劑的耦合作用，合理化相應的雙向電遷影響參數，才能得到良好的阻銹效果。實踐證明，無論是從短期試驗還是長期試驗的效果來看，雙向電遷對于鋼筋的銹蝕都具有明顯的抑制和修復作用。具體表現在：雙向電遷處理后，保護層中的 Cl - 濃度減小，阻銹劑濃度提高，鋼筋腐蝕電流密度的真實值降低，特別是在處理后的長期效果方面，雙向電遷技術在抑制鋼筋后期銹蝕發展方面存在明顯的優勢。

    后期會將納米材料引入雙向電遷

    金教授表示，雙向電遷中引入納米材料是一種全新的技術，該研究在國內基本處于空白狀態，國外研究也剛處于起步階段。他強調，將納米材料引入雙向電遷主要有兩種思路。

    （1）將阻銹劑制備成納米材料使用。國外已有學者對電動納米粒子修復技術減輕鋼筋混凝土銹蝕的效果及其對混凝土耐久性的長期效果進行了研究。研究結果表明，其微觀結構的變化可有效減輕新澆筑的混凝土和成熟混凝土中鋼筋的腐蝕。

    （2）將納米材料和阻銹劑一起使用。使用納米水溶膠等材料將阻銹劑包裹，通過雙向電遷遷入混凝土中，這種思路主要來源于對氧化鋁粉體在硅溶膠中的分散機理和穩定性的研究，具體實施仍然需要大量試驗研究。將阻銹劑與納米材料結合，可以使阻銹劑更加適合雙向電遷試驗，使其達到更佳的阻銹效果，并且經濟環保，具有實際的研究價值。

    繪就宏偉新愿景 三大方向需遵循

    混凝土結構耐久性問題是當今工程界所普遍關注的問題，隨著對資源的保護，混凝土結構耐久性設計超過 100 年將成為必須，需要混凝土實現常規化的生產，對于混凝土配合比設計、生產、供應鏈中的質量保證提出更高的要求，也需要完善的技術手段。應如何實施呢？金教授提出了兩方面發展觀點：

    1、加強混凝土結構耐久性的基礎研究

    混凝土結構的耐久性是一個十分復雜的結構工程問題，雖然已在這方面進行了許多工作，但仍有許多不完善的地方有待解決。

    （1）了解材料的耐久性能是研究鋼筋混凝土結構耐久性能的基本前提。

    （2）鋼筋銹蝕是混凝土結構耐久性降低的最主要因素，因此建立一個合理的鋼筋銹蝕率模型是至關重要的。

    （3）氯離子是導致混凝土結構耐久性失效最主要的原因之一，氯離子滲透模型可以預測鋼筋銹蝕開始時間和銹蝕程度，氯離子滲透模型需進一步深入的研究。

    （4）開發混凝土結構的鋼筋銹蝕狀態的無損檢測技術將是一個新的研究方向，它將隨著其他相關學科的發展而發展。如果能在這方面取得突破，那么將使鋼筋混凝土結構耐久性評估的費用大大得到降低，這樣大范圍、系統的檢測與評估將成為可能，另一方面，耐久性評估的結果也將更精確、更可靠。

    （5）腐蝕環境下鋼筋混凝土結構的疲勞性能。雖然腐蝕環境下鋼筋混凝土結構疲勞的分析方法已有一定的研究，但尚需要了解腐蝕對鋼筋疲勞性能的影響，以及不同環境和不同混凝土材料特性下鋼筋疲勞性隨時間變化的試驗或實測數據。

    （6）目前關于鋼筋混凝土結構在正常使用極限狀態下的目標可靠指標的研究才剛剛起步，今后也應該在這方面進行更多的研究，它的成果將是鋼筋混凝土結構的耐久性設計的重要依據。

    （7）結構使用壽命的評估應以結構或構件本身的性能隨時間的變化規律為依據，但如何根據為數不多的檢測資料來揭示結構性能隨時間的變化規律是一個難度較大的課題，需要進行深入的研究，這將涉及到信息的不完善性問題。

    2、提高混凝土結構耐久性設計、施工和維護水平

    我國加入 WTO 以后，建筑市場正逐步向國際開放，我國的建筑設計、施工、監理等部門將面臨國際競爭的挑戰。

    為了減小與先進國際標準之間的差距，應提高或改進我國現有混凝土結構耐久性設計、施工和維護的水平。

    3、提高混凝土耐久性和開發新材料

    深入研究并提高混凝土耐久性綜合技術，如減少水泥用量、提高礦物摻合料摻量、提高混凝土密實性等，來提高結構混凝土的耐久性；開發高耐銹鋼筋及鋼筋阻銹新技術；開發完善提高混凝土耐久性能的混凝土外防護材料和外防護施工技術；研究高性能混凝土在工程中的應用技術。

    后記：

    科技興則國家興，科技強則國家強。隨著建設世界科技強國號角的吹響，科技創新擺在更加重要位置。開拓創新，追求卓越！加強混凝土結構耐久性研究，研發高性能混凝土結構材料，是國家重大工程建設發展新引擎！是國家發展的基石！

    ●  人物簡介

    金偉良，博士生導師、教授。浙江大學寧波理工學院院長、浙江大學結構工程研究所所長；浙江大學求是特聘教授、英國女王大學榮譽教授。先后承擔國家自然科學基金、國家 863 計劃、國家教育部、國家住房與建設部、國家交通運輸部等 30 余項科研項目的研究工作，已在國內外學術期刊上發表論文 400 余篇，出版學術專著 7 本。獲得國家科技進步二等獎 3 項，浙江省科技獎一等獎 1 項，浙江省科技獎二等獎 4 項，教育部科技進步二等獎 1 項，發明專利 20 余項。現為中國土木工程學會工程結構可靠性委員會副主任委員，中國建筑學會混凝土結構基本理論與工程應用委員會副主任委員，中國工程建設標準化協會砌體結構委員會副主任，中國土木工程學會理事，中國海洋工程學會常務理事，浙江省基本建設優化研究會理事長，杭州市結構與地基處理協會理事長。