王东林 中冶建筑研究总院防腐首席专家
一带一路“带动了全面区域合作，有利于中国”走出去“，更多国家将从生产领域、商业贸易领域、金融技术等方面开展合作，中国由此进入新经济增长点，同时”一带一路“也为国内经济转型提供了机遇，推动钢铁业、建筑业的发展，实现行业的转行。
改革开放 30 多年来，我国建筑工程基础设施建设取得了举世瞩目的成就，长江三峡水利枢纽、青藏铁路、北京奥运场馆、上海世博会场馆等一大批重点工程的顺利建成，说明我国建筑业的技术、管理和工程建造能力正在接近世界先进水平，为经济建设、国防建设、文化建设和民生改善发挥了巨大作用。但建筑工程寿命低所带来的巨大经济损失和附加的修复工程，却往往被人们所忽视。为了进一步普及人们对结构材料腐蚀破坏的认识，加强大型工程的重要性、耐久性、安全性的责任意识。记者采访了中冶建筑研究总院防腐首席专家王东林。
王东林，教授级高级工程师，中冶建筑研究总院首席专家，现任中冶建筑研究总院工程材料院副总工程师、中冶建筑研究总院科技委委员，中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会常务副主任兼秘书长、中国工程建设标准化协会防腐蚀委员会副主任、中国土木工程学会混凝土耐久性专业委员会副主任、北京腐蚀与防护学会副理事长，中国腐蚀与防护学会常务理事。几十年来一直在中冶建筑研究总院从事建筑材料腐蚀控制方面的研究工作。
下面记者带您走进关于建筑工程材料发展趋势与结构延寿的世界。
材料不仅要各安天命 还需延年益寿
对现有的各类状态良好的老建筑结构的调查表明，木结构的寿命可达 1000年以上，钢筋混凝土结构的寿命在 300年左右，钢结构可以达到 100 年左右。根据现有的资料，我国目前使用的工业建筑的平均使用寿命为 30 年左右或更短，上世纪 80、90 年代修建的公路、铁路桥梁和隧道工程结构的劣化已经到了相当严重的程度。对于修缮和管理体系都比较完善的欧美发达工业国家，每年的土建结构维护支出也要达到其 GDP值的 5% 左右。如果不从使用寿命角度提高我国建筑结构的耐久性能，我国面临的结构修缮和重建费用将非常沉重。
钢筋混凝土作为最基本的建筑材料以其低廉的价格，简单的施工及良好的力学性能改变了建筑结构形式同时对建筑艺术的发展产生了积极的影响。材料科学的发展使钢筋混凝土成为按照功能要求生产建筑材料的先例，即根据设计标号配制不同的混凝土，根据结构分析配置钢筋，而不是单纯利用现有材料。各种新的混凝土，如蒸压加气混凝土、泡沫混凝土、轻骨料混凝土等保温隔热混凝土的相继问世，推动功能性新材料的发展。而高性能混凝土的开发，标志着这一材料进入新的发展阶段。混凝土的抗压强度由过去的 20MPa ～ 25MPa 提高到 50MPa ～ 60MPa，某些特殊用途的超高强混凝土可达 130MPa。高性能混凝土已在特种工程、超大型结构及高层建筑中获得运用。在高层建筑中采用高性能混凝土或轻质混凝土可以减少柱及剪力墙等承重构件的截面积，相应地增加使用面积，增高楼层数量，经济效益明显。例如，澳大利亚墨尔本的 55 层BourRePlace 大楼，混凝土强度由 40MPa提高到 61.2MPa 时，平均每层可节约9.9×104 美元，减少施工费 15%，另外混凝土的和易性、耐久性研究也在不断深入。
中冶建筑研究总院防腐首席专家王东林在国家游泳中心（水立方）建筑工地
另一种常见的建筑结构材料 -- 钢，其材料的力学性能也在不断提高。与混凝土结构相比，钢结构具有重量轻、抗震性好、工业化程度高、易于回收再利用等优点，因此，钢结构的应用范围越来越大。许多原来用钢筋混凝土结构建造的建筑类型，逐渐被钢结构取代，如流行一时的混凝土薄壳结构、高耸结构、膜结构等等。国外许多原来用钢筋混凝土框架结构建造的住宅，也逐渐由功能更合理的轻钢结构所替代。我国在上世纪 80 年代中后期引进国外轻钢结构住宅进行开发研究。由于冶金技术的发展，钢材的强度较以前有很大的提高，经过热处理的高强低合金钢，其最低屈服强度为 620MPa ～ 690MPa，而普通的碳素钢屈服强度为 195MPa ～ 275MPa。可见，在功能需要的地方采用高强度的钢材，可以大大降低钢结构的耗钢量。我国是世界上的产钢大国，同时也是世界上消耗钢材最多的国家之一，许多特种钢材还依赖进口，生产高强度的钢材是提高我国钢结构水平的重要条件。由于生产钢对能源和自然资源的消耗很大，因此，降低钢的用量就成为保护环境的有力措施之一。然而，钢材有许多缺点，如不能耐高温、易被腐蚀等等，克服这些缺点就成为减少钢材损耗、降低造价的重要方面。如在钢结构高层建筑中，为达到防火的要求，钢结构构件常用石膏板或混凝土外包，这便增加了结构自重，减少了使用面积。发达国家在建筑钢结构中采用各种”耐火“钢，在高温状态可以维持较高的屈服强度，可以减少或取消防火材料，这就降低了建造成本。
确保材料性能延寿 ”腐蚀“隐患需去除
”腐蚀“是影响建筑工程寿命的最大隐患。建筑工程非正常失效，往往会造成运行成本增加，资源浪费，经济严重损失，甚至人员的伤亡。由于各种腐蚀（包括基础设施工程、生产设备、交通运输工具等）每年带来的直接、间接损失，在美国约占GDP的4.9%（1976年）和 4.2%（1996 年）；英国 30 年来的腐蚀损失平均占 GDP 的 3.5%，澳大利亚占 GDP 的 4.2%，而波兰更占 GDP 的6 ～ 10%，为西方国家的二倍。在腐蚀损失中，土建基础设施工程的劣化损坏占有较大比例，可能达 40%，其中主要是混凝土结构的腐蚀。虽然腐蚀损失不能完全避免，但是可以采取各种措施尽量挽回和减少损失。研究结果显示，如果对桥面板采取全寿命费用分析的优化投资维修策略，就可以节省46%的费用。在某些情况下，使用过程中的长期维修费用可高到初期建造投资的 10 倍。
钢筋混凝土结构采用的材料来源容易，价格低廉及坚固耐用等特点，它已成为现代生活中最普遍常用的。通常条件下，钢筋在混凝土的高碱性环境中呈现钝态而不受腐蚀，但是随着建筑物老化和环境污染的加重，目前，钢筋混凝土结构的腐蚀己成为一个世界性的严重问题。我国近年来的工程调查也表明，钢筋混凝上腐蚀破坏的情况也非常严重。因此，钢筋混凝土腐蚀破坏问题已引起国内外的重视，目前正积极开展这方面的工程调查及科学研究工作。混凝土中钢筋的腐蚀是导致整个结构破坏的主要因素之一。钢筋表面生成铁锈，体积增大约 2 ～ 5 倍，混凝土中的钢筋锈蚀到一定程度，由于钢筋产生的体积胀力足以使保护层混凝土开裂，给浸蚀性物质的进入提供了有利的条件，造成钢筋锈蚀的进一步加剧。混凝土结构保护层厚度、水灰比、混凝土强度和密实度、水泥品种、标号和用量、外加剂类型、结构或构件的构造、混凝土和钢筋的应力水平、裂缝等因素，影响混凝土结构的碳化速度、结构或构件的裂缝形成和发展，有些因素与碱－骨料反应有关。
工业建筑使用环境一般较恶劣，如建筑结构长期处于较高温度环境下工作，造成各种结构的热应力变形、强度降低和直接被烘烤破坏等现象。如冶炼厂房中的局部屋面温度高于 100℃，部分吊车梁温度高达 250℃，烟囱外壁温度高达 140℃，造成混凝土酥松、龟裂和保护层脱落，致使钢筋严重锈蚀，温度造成的结构破坏是很严重的。由于工艺改进或强化生产引起的温度升高，对结构未采取相应的防护和改进措施而造成的结构破坏也较普遍。又如冶金生产需用大量水，它对结构也有危害，有水的直接冲刷和渗透、水的汽化对结构的直接冲蚀、有害废水的侵蚀等等，还有振动等等，都会引起结构材料的失效。材料或构件在大气环境下也会发生的腐蚀。金属置于大气环境中时，其表面通常会形成一层极薄的不易看见的湿气膜（水膜）。当这层水膜达到 20 － 30 个分子厚度时，它就变成电化学腐蚀所需要的电解液膜。这种电解液膜的形成，或者是由于水分（雨、雪）的直接沉淀，或者是大气的湿度或温度变化以及其他种种原因引起的凝聚作用而形成。如果金属表面只是处于纯净的水膜中，一般不足以造成强烈的电化学腐蚀。大气环境下形成的水膜往往含有水溶性的盐类及溶入的腐蚀性气体。影响腐蚀的主要因素有湿度、大气腐蚀性成分等。外部环境因素主要为气候、潮湿、高温、氯离子侵蚀、化学介质（酸、酸盐、海水、碱类等）侵蚀，还有冻融破坏、磨损破坏等。环境因素是通过混凝土结构的内在因素起作用的。
建筑工程材料延寿技术未来将走得更远
一、材料延寿技术向新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料方向发展。
1）高端金属结构材料。较传统金属结构材料具有更高的强度、韧性和耐高温、抗腐蚀等性能的金属材料。
2）先进高分子材料。具有相对独特物理化学性能、适宜在特殊领域或特定环境下应用的人工合成高分子新材料。
3）新型无机非金属材料。在传统无机非金属材料基础上新出现的具有耐磨、耐腐蚀、光电等特殊性能的材料。
4）高性能复合材料。由两种或两种以上异质、异型、异性材料（一种作为基体，其他作为增强体）复合而成的具有特殊功能和结构的新型材料。
二、材料延寿技术向纳米发展
随着纳米技术和纳米材料的进一步发展和研究，国外和国内目前主要目标仍然是开发高强度钢材和高强混凝土，同时探索将碳纤维及其他纤维材料与混凝土聚合物等复合制造的轻质高强结构材料。
三、材料延寿技术顺应现代社会基础设施的建设日趋大型化、综合化趋势要求
例如超高层建筑，大型水利设施、海底隧道等大型工程，耗资巨大、建设周期长、维修困难，因此对其耐久性的要求越来越高。目前，主要的开发目标有高耐久性混凝土、钢骨混凝土、耐蚀钢筋、陶瓷质外壁胎面材料、合成树脂涂料、防虫蛀材料、耐低温材料，以及在地下、海洋、高温等苛刻环境下能长久保持性能的材料。
四、建筑工程在役结构延寿技术的发展
1、碳纤维结构修复技术
1）、碳纤维片材轻质高强：其抗拉强度比普通钢材高 8 ～ 10 倍，将它用粘结树脂与结构粘贴后形成一体，能可靠地与钢筋混凝土共同工作，有优异的补强效果，而结构自重的增加几乎可以忽略。
2）、抗腐蚀：碳纤维能有效地防护构件的混凝土和钢筋免受酸、碱、盐、水等介质的腐蚀。
3）、耐老化：碳纤维与胶结构本身及经其补强的构件可以长期承受紫外线、核幅射；长期在-54～80℃下使用，强度不会降低；经加速暴露老化试验验证可历时 40 年性能不变；且在表面涂装后，耐用性更加突出。
4）、保持结构原状，外形美观：碳纤维片材便于随构件原形贴附，基本不改变构件断面尺寸，贴片后表面可以涂刷、粘贴饰面材料、防火材料。
5）、施工简便、快捷：采用传统的加固补强方法，如包混凝土法、粘钢法，均需进行大量剔凿、植筋、焊接、浇混凝土作业，碳纤维片材施工却不需要。因此，它对施工空间要求很低，便于狭窄空间作业，施工快捷，对生产、使用的干扰很小。
2、钢丝（筋）网水泥砂浆加固技术
钢丝（筋）网水泥砂浆是以钢丝网或钢筋网和加筋为增强材料，水泥砂浆为基材组成的薄层结构，钢丝（筋）网也可以用其他合适的金属材料代替。与混凝土相比，钢丝（筋）网水泥砂浆的主要特点是配筋分散性好和骨料颗粒粒径小，因此，具有更好的抗裂、抗渗和韧性。
3、预应力加固技术
在建筑物加固领域中，体外预应力加固法已愈来愈受到人们的关注，它克服了采用其它方法加固材料中普遍存在的应力滞后的弱点，保证了新旧材料和结构的整体性与协同工作。工程实践表明采用预应力法加固建筑物不仅能提高其承载力，还可以减小挠度和裂缝宽度，提高结构的弹性恢复力，并且具有施工方便，不占用空间等特点。
体外预应力技术在设计理论还是材料设备、施工工艺上都取得了一定的进展，应用范围从早期 PC 桥梁拓展到了建筑结构，从新建结构拓展到了结构的加固改造和临时性预应力结构或施工临时性钢索。除此之外，体外预应力的应用范围还不仅仅局限于混凝土结构。评价结构设计的基本原则之一就是看该结构形式是否能够充分发挥材料的力学特性，通过运用体外预应力索，任何具有合理压缩特性的材料都可以被连接起来，在适当的应用环境中是一种合理的结构形式。在工程实践中，体外预应力己从单纯应用于混凝土结构拓展到了钢结构，木结构，砖石结构等等，充分证明了其在结构体系方面的优势。
国外先进经验给我们的启示
对建筑基础设施腐蚀与耐久性的问题，应提到战略高度去认识。美国 20世纪五六十年代是大规模基础设施建设时期，而进入 20 世纪七八十年代后，出现了大规模基础设施的修复时期，并且修复费用远远高于初建费用。美国学者曾作如下表述：为什么基础设施腐蚀如此严重、甚至造成事故，一个主要原因就是轻视了腐蚀控制工作。可见，对建筑、基础设施防腐蚀破坏的战略、策略，首先应该从对其认识和重视开始。
作为防止、减缓建筑基础设施腐蚀的战略途径，至少应该有两个层面。其一是国家政策、策略、政令、法律、法规层面上，其中以人为本的教育和管理是最重要的；另一个是技术层面上，包括腐蚀防护方面的规程规范、施工技术、新技术新材料的研究开发与应用等。两个方面都是重要的，第一方面的战略意义更为突出。
美国在经验教训的基础上，立足国家长远利益，提出要与建筑基础设施的腐蚀危害作斗争。要求采取以防为主的战略方针，主动采取防护措施，以推迟修复时间和减少修复产生的高成本。美国首用推行于建设项目的全寿命经济分析法（Total Life Cycle CostAnalysis），也称作寿命成本分析法（LCCA），是上述两个层面很好结合的实例。一方面颁布法律、政令，要求确保基础设施的寿命，并必须经济合理、技术合理；同时它又是一个可以具体操作的方法，是重要的投资评估和经济分析技术。美国法典（USC）给 LCCA 的定义是一个程序和方法，用于评价可行计划项目的总经济价值，包括初始成本和经折扣后的成本乃至整个寿命期内的维护、修复、重建和表面翻新处理成本。以往的工程项目，主要考虑初建成本，工程使用后再花多少钱则很少考虑。实践证明，这种做法从技术、经济上都是不合理的。在保证使用寿命的前提下减少支出，是 LCCA 方法的精髓。
以防为主、在保证使用寿命的前提下减少支出的指导思想和战略方针是值得我们借鉴和学习的。它既可以抑制短期行为这类非技术因素的不利影响，又可以选择最佳技术、经济方案，使国家长远利益最大化。世界上已经有一些国家开始实行 LCCA 方法。
我国 2000 年发布的建设工程质量管理条令（中华人民共和国国务院第279 号令），对建设工程质量的耐久性、年限、保修期等提出了明确要求，实际上是贯彻全寿命责任制的体现，其意义是重大而深远的，为寿命—经济分析奠定了良好的基础。
积极引入绿色建设概念 提高建筑自身生命力
以科学发展观为指导，全面贯彻落实可持续发展的战略方针，无论工业建筑、民用建筑还是农村建筑都必须把耐久性、安全性和可靠性摆放在重要地位，实施建筑全寿命周期评价分析和应用，从建筑规划、建筑材料、建筑结构、建设施工管理、建筑维修加固等各个环节，积极引入绿色建设概念，使各类建筑即要为改善环境作贡献，同时，适应环境变化，增强对恶劣环境抵抗力，提高建筑自身生命力。
1）以建筑全寿命周期评价分析为统领，使材料和结构延寿系统化、全局化。建筑全寿命周期是指建筑从建造、使用到拆除的全过程。包括原材料的获取，建筑材料与构配件的加工制造，现场施工与安装，建筑的运行和维护，以及建筑最终的拆除与处置。所谓”全寿命周期评价“，即将材料构件生产、规划与设计、建造与运输、运行与维护、拆除与处理全循环过程中物质能量流动所产生对环境影响的经济效益、社会效益和环境效益综合评价。建筑材料和结构延寿是全寿命周期的组成部分，也是建筑可持续发展不可缺的环节，单纯以材料和结构延寿来说建筑的寿命问题，只是技术层面的问题，其重要性容易被忽视。只有将其放到全寿命周期的高度，才能更加引起各方重视和关注，才能更好推动材料和结构延寿研究的深入、技术的发展。
2）以绿色建筑理念为核心，使建筑材料和结构延寿和可持续发展有机结合。绿色建筑是指为人们提供健康、舒适、安全的居住、工作和活动的空间，同时在建筑生命周期（物料生产、建筑规划、设计、施工、运营维护及拆除、回收过程）内实现高效率地利用资源（能源、土地、水资源、材料）、最低限度地破坏环境的建筑物。绿色建筑是以节约能源、有效利用资源的方式，建造低环境负荷情况下的安全、健康、高效及舒适的居住空间，达到人、建筑与环境共生共荣、持续发展。绿色建筑是建筑发展的大趋势，是具有强大生命力的建筑。应该说建筑材料和结构延寿是绿色建筑应有之意，绿色建筑蕴含着材料和结构延寿。比如绿色混凝土具有比传统混凝土更高的强度和耐久性，可以实现非再生性资源的可循环利用和有害物质的最低排放，既能减少环境污染，又能与自然生态系统协调共生。绿色混凝土的环境协调性是指对资源和能源的消耗少、对环境污染小和循环再生利用率高。此外，绿色混凝土还具有自适应性，也即具有满意的使用性能，又能够改善环境，具有感知、调节和修复等机敏特性。
3）利用现代混凝土科学技术增加混凝土的使用寿命，尽量减少造成修补或拆除的浪费和建筑垃圾，大量利用优质的工业废弃物和矿石，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染，使混凝土高性能化和绿色化。高性能混凝土具有良好的耐久性和优异的工作性和物理力学性能，被称为 21 世纪的混凝土。高性能混凝土与普通混凝土的不同之处是普通混凝土的设计是以强度作为主要控制指标，而 HPC 则是以耐久性作为主要控制指标，强度只起从属的作用。高强度不一定高性能，而高性能必须要求混凝土具有较高的密实度和抗渗能力，因此其强度也不会太低。国内外研究资料表明，高性能混凝土具有优良的抗渗、抗冻性，并能抑制碱 - 骨料反应，抗碳化能力、抗 Cl - 渗透性及耐蚀性均有大幅度提高，徐变和干缩性能也有较大改善。绿色混凝土主要特点有最大限度地降低水泥用量，大量利用工业废料；与传统混凝土相比，具有更加良好的力学性能和耐久性；具有与自然环境的协调性，减轻对环境的负荷，实现非再生资源的可循环使用，节省能源及还物质的”零排放“；能够为人类提供温和、舒适、便捷和安全的生存环境。
4）大力发展钢结构建筑。钢结构建筑是资源节约型建筑。作为重要的节能型建筑形式，钢结构建筑资源消耗量较少，每平方米消耗资源量大约是 800 ～ 1000kg，其中 50％是可再生资源，而钢混结构每平方米消耗资源量则在 1700kg 以上。我国建筑用钢量占总用钢量的 30％，美国、日本则达到 50％～ 55％，我国建筑用钢量其中钢结构用钢量占 10％，而美国则达到40％～ 50％，可见，钢结构的应用在发达国家是十分普遍的。我国目前的钢结构发展水平与之存在一定差距。钢结构建筑将有效带动建筑业的产业升级。”住宅产业化“的概念是德国人在 1910 年率先提出的，近 100 年来，欧洲许多国家大量兴建钢结构多、高层建筑，逐步形成较高的钢结构工业化生产和装配水平。钢结构建筑属于高技术、高效率产品，发展钢结构建筑，对建筑业的技术进步，促进建筑业产业升级，向技术密集型产业转化，将起到极大推动作用。钢结构建筑综合效益显著，钢结构建筑便于实现工厂化、规模化生产，比传统砖混结构和钢筋混凝土结构施工周期短、现场用工少、劳动生产率高，而且品质易保证。钢结构建筑的另一个突出优点是自重轻、延性好、抗震性能优越，对于我国这样多地震灾害的国家来说，可以明显减轻地震造成的损失。钢结构建筑隔热保温性能好，有利于建筑节能，同时钢材可回收利用，符合中央”大力发展循环经济，建设节约型社会“的方针。
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后记
混凝土是世界最大宗建筑材料，是建筑施工中不可或缺的新型材料。在我国科技水平日益发展的今天，钢筋混凝土在建筑界占据着非常重要位置，大力提高钢筋混凝土的耐久性，力控腐蚀以保国家工程永固长新！
人物简介
王东林，男，1958 年 4 月出生，中共党员，教授级高级工程师，中冶建筑研究总院首席专家，1980 年 7月毕业于北京科技大学、金属腐蚀与防护专业，同年分配到中冶建筑研究总院工作至今，担任中冶建筑研究总院工程材料院副总工程师、中冶建筑研究总院科技委委员，中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会常务副主任兼秘书长、中国工程建设标准化协会防腐蚀委员会 副主任、中国土木工程学会混凝土耐久性专业委员会 副主任、北京腐蚀与防护学会副理事长，中国腐蚀与防护学会常务理事。曾任中冶建筑研究总院工程材料院副院长。
主持参加完成国家及部级科研成果 12 项，12 项科研成果全部是填补国内空白，有的性能指标具有国际领先水平，其中 2 项获得国家科学技术进步二等奖，一项获得中冶集团科学技术一等奖。主持并完成国内及国外9 项重点防腐（检测）工程。主编及参编国家规范标准 10 部，发表论文 50 多篇。