Sustainable Concrete of Tongji University
锈蚀是人类最可怕的敌人，被视为“终极毁灭者”。它击落飞机，折断桥梁，撞毁汽车，沉没舰船，毁坏房屋，夺去无数人的生命和财产。美国每年为锈蚀付出4 000亿美元的代价，远超其他自然灾害的总和。
——《锈蚀:人类最漫长的战争》 乔纳森·瓦尔德曼
这是自由女神，是美国的象征，纽约的标志性建筑。他的设计者是法国著名雕塑家弗里德利·巴特勒迪，是代表罗马自由女神的新古典雕塑。1886年，法国人民为了庆祝美国独立，将这座雕像作为礼物，送到纽约港来组装。它是美国人民追求民主、自由的象征，也是法国和美国人民友谊的象征。但是大家仔细看，会发现自由女神的主色调是绿色的，像穿了一层绿色的纱衣。但实际上，自由女神的原色不是这样的。1980年，有两个抗议者攀爬到自由女神身上去挂抗议横幅。在处理这起骚乱的过程中，人们意外地发现了自由女神身上竟然出现了许多孔洞。一开始，人们都以为是这两名攀爬者为了攀爬上去而打的洞，但是后来发现，这是因为雕像的外壳在生锈，那些洞是女神身上的柳钉脱落造成的。原来自由女神是由两部分构成的，雕像和基座，总高度为93米，其中雕像高46米。整座雕像用120吨钢铁作为骨架，80吨铜片作为外皮，然后再用30万只柳钉将铜片固定在骨架上。1885年，自由女神像从法国刚运来美国的时候，原本是一种有光泽的铜色。后来，表层的铜皮和氧气发生了化学反应，慢慢变成一种沉闷的棕色、最后形成了现在的这种蓝绿色。由于1980年的这起攀爬骚乱，自由女神生锈这个话题第一次如此有存在感地浮现在世人面前。可以说，如果放任不管，那么用不了多久，这具象征着美国人民追求自由、民主的雕像就会因为锈蚀而彻底坍塌，成为一堆废铜烂铁，最后化为齑粉。接下来，美国、法国的工程师团队，在自由女神的内腔和外壳之间游走，穿过一阵阵铁锈、铜绿和煤焦油的气味，伴随着社会众筹修复自由女神钱款的运动，美国终于在1986年完成了修复，暂时控制住了雕像的锈蚀。据了解，在多风多雨、高湿高盐的大西洋海岸，围绕这项90多米高的大型金属工程，修复工作持续了三年，雇佣了超过300名工作人员。到1986年7月4日，来自两万多所学校的学生为修复自由女神像筹集到超过500万美元。最终，这场筹款活动筹得惊人的2.77亿美元。但是，这也只是控制而已。现在展现在我们眼前的自由女神仍然是铜绿色的，此前美国倒是有人提出过要恢复自由女神原来的样子，但是后来有人反对，认为自由女神应该让她随着时间的流逝，记录时间的样子，保持自然老去的样貌。所以，现在我们就看到了一具穿着绿色衣裳的女神雕像。锈蚀是地球上最不得了的化学反应，地球上的绝大多数金属，都在沧海桑田的变迁中锈蚀了。遗憾的是，在很长的一段时期内，人们并没有对锈蚀引起重视。早期设计的飞机、汽车、桥梁等，对防腐考虑不足。老旧小区中还可见到的铁质水管，斑斑锈迹分外扎眼。如果说锈蚀是工业文明的宿命，那么人类也并没有坐以待毙，抗锈大战早已打响。2、又一起惨烈事故！螺旋桨锈蚀断裂将机身砍成3段，16人当场去世2019年12月6日凌晨，驻日美军海军陆战队第3远征大队的1架KC-130加油机和1架双座型F/A-18D“大黄蜂”战斗机，在日本近海发生严重的撞机事故。机祸现场极为惨烈，两架飞机当场阵亡。咱先说说当事机KC130，在撞机事故发生第二天，美军就公布了一份去年的事故报告。4、实例分析：台湾南方澳大桥垮塌原因分析
2019年10月1日，我国台湾宜兰县的南方澳大桥发生垮塌，吊杆断裂，桥面、主拱塌陷掉落桥下。事件最终导致桥下6名被压船员死亡，9名船员、1名油罐车司机、3名救援人员共13人受伤。2020年11月25日，距桥梁垮塌事件发生1年多后，由台湾运输安全调查委员会（TTSB）组织的事故调查报告终于完成。那么，究竟是什么原因导致大桥的垮塌呢？让我们来看看罪魁祸首究竟是谁？
南方澳大桥位于台湾宜兰县苏澳港辖区內，1998年通车，桥梁全长896.92米，主桥长140米，桥宽15米，双向2车道，设有中央分向岛及人行步道，并设置4处半圆形景观平台。主桥的设计基本参照1992年建成的西班牙巴奎塔桥的设计，为双叉式单拱设计，主桥结构包含拱架、吊杆、端锚系统、桥面大梁及其他结构，如下图所示。事故调查采用了三维激光扫描、无人机测绘、有限元建模等各种技术手段进行复原分析，调查项目包括：所有桥梁构件包括：拱架、吊杆、钢梁及支座打捞上岸，对结构尺寸、焊接、锈蚀等进行调查检测，并对现场的锚头进行无损探伤、对桥面铺装厚度进行抽芯取样。
现场取样，对吊杆钢绞线、锚头拉伸测试（静载锚固性能试验）、锚头的荧光探伤等。通过有限元计算分析了不同工况：实测桥面厚度（超过设计厚度4cm）对结构影响分析、不同吊杆断裂工况对结构影响分析、油罐车等运输车辆通行的影响分析、主桥吊杆容许断裂股数分析、吊杆连锁破坏模式分析、桥梁钢梁各阶段应力分析等。大桥吊杆外部均以红色HDPE套管包覆，上下锚头分别在拱圈及桥面内部。由于钢绞线及锚头破坏发生在内部，大桥断裂视频看到的仅仅是外包HDPE套管断裂的情况，其实不是真正的实际破坏位置及失效相对顺序。吊杆真正的断裂顺序是：当视频中的油罐车行经大桥10号吊杆附近，11号吊杆因为下锚头附近钢绞线严重锈蚀，残余强度因无法承受负载而断裂，相邻之10、12号吊杆及9、13号吊杆下锚头处锈蚀钢绞线陆续断裂，随后8号锚头，6号锚头及7号吊索，4、5号锚头，3号锚头，2号锚头，及1号锚头等其它吊杆系统连锁破坏。大桥随之垮塌。和多数出问题的吊杆拱桥一样，该桥垮塌的直接原因是下锚头及附近吊杆锈蚀。调查发现，该桥所有下锚头附近吊杆都存在不同程度锈蚀，锈蚀最严重的10、11、12、13号吊杆下锚头附近钢绞线有效残余截面积仅剩余约22%～31%。钢绞线严重锈蚀后，导致承载力不足，这是桥梁垮塌的直接原因。大桥的下锚头没有采用常用的导管设计，而是采用金属短套箱，套箱下端安装在桥面上，埋在桥面中央分隔岛的混凝土中，埋置深度只有1～2厘米，没有伸进钢箱梁内部。这种构造既不可靠，也不防水。而且套箱与吊杆之间没有设置减振体，吊杆与桥面的振动等可能导致套箱与桥面连接开裂松脱。调查发现套箱与吊杆的接缝采用树脂类填缝胶，填缝胶存在老化、开裂、松脱等病害，封水失效，水顺着吊杆往下渗流。下锚头的锚固设计是采用开口向上的锚箱，然而这锚箱并没有设置泄水孔，顺着吊杆下渗的雨水就积聚在锚箱中，导致锚头及吊杆长期浸泡在水中，大大加剧了锚头及吊杆的锈蚀。垮桥视频所见的油罐车并没有超载，但却是压垮桥梁的最后一根稻草。- 南方澳大桥所属道路多年来因不属于公路系统，造成没有公路主管机关依循相关桥梁检测及补强规范进行检测、评估、维修及补强作业，亦未针对南方澳大桥制定特殊性桥梁的检测项目及检测方式。
- 南方澳大桥重要构件多数设置于拱架、钢箱梁或套管内，仅靠外部的目视检测很难发现内部劣化情形，检视“交通部公路桥梁检测人员资格与培训要点”中的培训课程内容，未有特殊性桥梁检测相关课程，实桥检测训练亦未教导学员需进入箱梁或拱架等局限空间内进行检测，无法确保检测人员具有针对特殊性桥梁检测的能力。
- 勘查结果显示，大桥的13组桥面锚定机构内、外壁有不同程度的干渍水痕，部分低边钢板上缘及外壁有溢出的干渍水痕及锈蚀现象，显示锚定机构内曾发生积水状况。
- 材料试验结果显示，大桥吊索系统的钢绞线成分有所差异，可能来自不同生产商或不同批次的产品，但其强度及硬度差异不大。而钢绞线表面镀锌层厚度不均匀，可能影响耐蚀性。
- 拉伸试验结果显示，13股吊索中，除5号吊索因锈蚀总负载残余强度较低，其余吊索总负载残余强度均大于合格标准。10号上锚头于拉伸负载达262.42吨时断裂，11号上锚头于拉伸负载达319.88吨时断裂，残余强度未达到美国后拉法预力学会（PTI）测试规范的规定。
- 南方澳大桥竣工图中所记载的端锚系统，除尺寸标示有遗漏或误植的情形，与实际施工状况亦有差异，影响后续桥梁养护及检测工作的评估、规划与执行。
- 竣工图资料显示桥面U型加劲板接头处需采用全渗透焊接，现场勘查实际施工情况是采用增设端板，并以填角焊方式处理。然而依据大桥实际破坏过程顺序判断，竣工图与实际施工结果不符的情况与大桥断裂无直接的关系。
- 大桥铺面载重分析结果显示，平均厚度12.5厘米的实际铺面与平均厚度8.6厘米的竣工图设计铺面，两者吊索拉力对实际拉伸极限负载百分比差距最大仅约2.5%左右。
- 经结构分析软件模拟，在设计车载作用下，若吊索未锈蚀且锚头强度为设计值，吊索容许断裂股数约为2~4股；若锚头强度为实际残余强度，则吊索容许断裂股数约为1~3股。
- 经结构分析软件模拟，设计车载造成吊索最大拉力约为极限负载的49.1%，消波块与土方车载造成吊索最大拉力约分别为极限负载的43.0%与41.8%，显示消波块与土方的载运对吊索与钢构受力的影响并未超出设计车载的范围。
- 调查小组在事故调查过程中陆续向相关单位索取桥梁规划、兴建、施工、监造、检测、验收等文件资料，然因时间久远文件保存单位已将文件销毁，或因火灾等因素遗失，最主要的文件包括桥梁结构计算书、施工计划书、工地焊接施工说明书、材料测试文件、材料进口报关审验文件等已无法取得。
- 南方澳大桥断裂后的路面钻心检测厚度平均为12.5厘米，历年与桥梁铺面相关的工程，仅有于2017年办理过1次“南方澳大桥与衔接引道段既有道路铺面及伸缩缝改善”工程的验收相关纪录，该工程应无明显超铺状况，而其他工程皆属于路面修补小工程，不会影响整体铺面厚度，仅依据调查小组所收集的资料，无法判断桥面平均厚度是否高于设计值。
它山之石可以攻玉，大桥垮塌事件方方面面的教训都值得我们好好反思。
悬索桥，又名吊桥（suspension bridge），包含主梁、主缆、锚锭、索塔几部分。其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。悬索桥具有造型优美、结构简洁、自重轻、跨径大（可超过 1Km）的优点，近些年来国内外悬索桥的发展迅速。包含目前在建的悬索桥在内，全世界跨径最大的十座悬索桥中，中国已占七个。而且在不远的将来，世界最大悬索桥也将诞生于中国。主缆作为悬索桥不可更换的主要受力构件之一，被称为悬索桥的 “生命线”。通常由φ5mm 左右的钢丝组成，钢丝紧密排列，首先形成一个六边形，再进行挤压成圆形。“主缆”是悬索桥一个受力构件系统的总称，其中还包含了索夹、索鞍、缆套、散索区和锚头等，可以说，锚锭和索塔都是因主缆而生的。主缆钢丝持续暴露在大气环境下，经受着各种不利因素侵蚀的考验，极其容易产生锈蚀。悬索桥的设计基准期为 100 年甚至更长，但根据国内外经验，主缆往往不到 20 年就会出现腐蚀生锈情况。因此主缆的防腐保护问题将直接关系到悬索桥的使用寿命。主缆是暴露在大气中的，不可避免的要受到大气腐蚀，传统的解决方法是将主缆用防腐材料层层包裹， 称之为罗布林（Roebling）体系，其基本组成有四部分，分别是镀锌、腻子、缠丝、涂层，这一体系从 19 世纪中叶创造以来，一直沿用至今。然而主缆的腐蚀问题却没有得到有效遏制，腐蚀造成的突发事件仍不可预测，尤其是引起其退化的原因和机理尚不清楚，但可以确定的与其材料的性能、结构、维护、运营以及所处的环境条件有关。我们尝试分析其相关的因素，主要有以下几方面。现代悬索桥的主缆钢丝抗拉强度都在 1700MPa 以上，在考虑安全系数的情况下，实际工作状态的内应力应该在 500-1000MPa，在高应力状态下的腐蚀规律，是目前比较缺乏的；主缆钢丝的圆形形状，注定了主缆内部具有一定空隙，但规则紧密排列的主缆钢丝空隙率应约为 11.3%，而主缆实际空隙率分别为 20%（索夹外）和 18%（索夹内），主要原因是在主缆从六边形变为圆形的过程中，受技术限制，外部钢丝分布不均匀，无法实现最小空隙率。空隙的分布也因此形成了外圆周较大，内圆周较小的特点。而空隙是腐蚀源存留的最佳场所，主缆内部产生的腐蚀问题，归根结底都是由于空隙造成的；主缆的材料特征，以及其位于户外的应用特征，因温度和太阳辐射的影响，导致其内部会有较高的温差，目前并未进行长期主缆内部温度测量，但桥梁主梁钢结构普遍认为的最高温度是75℃，主缆处于空中，受空气对流的影响，最高温度会有所下降，但最高温度处于50-60℃是绝对可能的，在夏季高温阶段，每天的温差可以达到 30℃，而且，在主缆圆周方向，温度分布不均匀，向阳侧和背阳侧也会产生温差，这样就造成主缆内的空气是有多方向对流的，同时也会加速腐蚀；温度的变化会造成空气体积的变化，而主缆的体积变化较之可以忽略，由此产生了空气的内外交换，在温度上升时，空气外溢，而温度下降时，空气吸入，同时，也把水蒸气带入了主缆。假如主缆内部没有积水，在多雨和潮湿的季节，太阳辐射时的高温造成了较低的湿度，降温时吸入的空气则非常潮湿，在清晨，主缆钢丝表面甚至会形成冷凝水，经过短期监测，主缆内部的湿度实际上长期处于 90%以上的极高水平，这对于腐蚀也是极佳的环境；中国经济飞速发展，带来的其中一个负面问题就是污染，空气污染已经是总所周知的，悬索桥的修建往往是为了加速发展区域经济，而很多时候，化学工业是经济发展的重要组成，化学废气污染较为普遍，悬索桥主缆，一般于江河湖海之上，例如舟山地区的西堠门大桥， 目前是国内已建成最大的悬索桥，但其腐蚀环境也同样是国内最恶劣的。除了化工污染，汽车尾气也是一个必须考虑的因素，一些交通量繁忙的桥梁，如虎门大桥和厦门海沧大桥，几乎可以认为是被汽车尾气长期笼罩的，腐蚀环境更加复杂；很多年以来，主缆的防护都是被割裂成几部分，并由不同方案、不同材料、不同单位实施的，如镀锌、缠丝、涂装、索夹防护、锚固区防护等，主要原因是在桥梁设计领域，防腐并未被设定为一个完整独立的专业。过多的界面划分导致交界面极易产生防护盲区，这些盲区往往从桥梁建设期持续到运营期，成为主缆腐蚀的重大隐患，2018 年 4 月 1日，缅甸渺弥亚大桥的倒塌，就是腐蚀防护盲区造成事故的典型案例；在腐蚀防护领域，氯离子的危害已受到高度重视，但在桥梁领域，这一理念并未得到主缆防腐的重视，缘由主要是对氯离子能进入主缆并长期腐蚀主缆的不理解或者不接受。从已打开的主缆腐蚀产物分析结果看，氯离子影响的确存在，但对其影响的控制仍是空白；正常情况，我们并未对交通量对主缆腐蚀的影响纳入分析范围，但国内的某些桥梁，交通量长期超过设计值，有的甚至是 2 倍的设计值，对腐蚀的影响是否应该考虑，也是一个空白区域。小结，不难看出，主缆腐蚀相关的因素，贯穿了桥梁的设计、施工、运营和养护的全寿命期，因此，主缆的腐蚀防护应该是悬索桥全寿命期耐久性的一个重要课题。我们经过近十年的主缆防腐研究分析，整理归纳腐蚀相关的因素，大致规划了解决主缆腐蚀问题的几个发展方向，仅供读者参考。目前的主流防腐涂层关注的是附着力、耐候性、柔韧性等，几乎不关注隔热问题，而热传导是导致主缆内部温差的主因，隔热系数较高的材料，能够降低10-20℃主缆温差，较小的温差会减少空气交换的量，也会减少水蒸气的进入，同时减少了污染物和氯离子进入的量， 能够一举多得，是一个理想的改良方向；无论如何，防护层的密封性都是需要关注的，也被广泛认可，但由于主缆结构的特殊性，密封的检测成为一个难题，目前还没有一个检验主缆密封的系统有效的方法，以至于密封要求的提出成为无的之失，形同虚设； 由我们首先提出的桥梁主动防腐理念，是一个全新的理论，其出发点是通过控制腐蚀源来达到防腐的目的。这一技术的核心是“驱离腐蚀源”，其起源是干燥空气防腐技术，干空气至今仍是制造工业中工艺性环境控制的主要技术，干空气不仅可以防腐，还可以是洁净的，在控制了水蒸气的同时，也控制了侵入污染物，这是充分发挥金属性能的最佳环境； 我们已经发现，悬索桥主缆系统存在防腐盲区，在技术层面无法完美解决的情况下，通过设计理念的调整，进行全面防腐设计，能够消除防腐盲区。但这项工作，需要桥梁结构与腐蚀防护两个专业充分结合才能完成，目前缺乏这一合作机制；最后，我们必须提出一个严重的问题，悬索桥主缆的无损检测技术目前是世界难题，尚无解决方案，目前可行的解决方案只能针对 30cm 以下直径的主缆，而且，仅限于主缆的规则段，在节点部位（索夹、索鞍等），均无法检测。国际上已经开始采用有损检测的方法，采用近乎外科手术的技术，检查检测大直径悬索桥主缆，但并未能解决盲区的检测，因此，主缆状态评估和寿命评估的问题依然无法解决。同理，检测技术限制，主缆腐蚀监测技术也就无从谈起，如何解决几千米长钢丝束的腐蚀检测与监测，将会是今后 10-20 年最为关注的， 也许会出现重大技术突破！5、反思兰州自来水污染和青岛原油泄漏爆炸事件
2014年4月，兰州市发生自来水污染事件，使兰州整个城市数日笼罩在恐慌之中，引起全国人民关注，影响很大。而就在4个多月前，山东省青岛经济技术开发区中石化黄潍输油管道发生原油泄漏爆炸事件，损失惨重，影响深远。两起突如其来的事件看似偶然，实则必然，因为安全隐患早就存在。管道腐蚀（锈蚀）减薄、管道破裂是主因。泄漏事故发生时，东黄输油管道正在输送埃斯坡、罕戈1:1混合原油，密度0.86吨/立方米，饱和蒸汽压13.1千帕，蒸汽爆炸极限1.76%～8.55%，闭杯闪点﹣16℃。油品属轻质原油。原油出站温度27.8℃，满负荷运行出站压力4.67兆帕。输油管道在秦皇岛路桥涵南半幅顶板下架空穿过，与排水暗渠交叉。桥涵内设3座支墩，管道通过支墩洞孔穿越暗渠，顶部距桥涵顶板110厘米，底部距渠底148厘米，管道穿过桥涵两侧壁部位采用细石混凝土进行封堵。我们通过现场勘验、物证检测、调查询问、查阅资料，并经综合分析认定：首先由于与排水暗渠交叉段的输油管道所处区域土壤盐碱和地下水氯化物含量高，同时排水暗渠内随着潮汐变化海水倒灌，输油管道长期处于干湿交替的海水盐雾腐蚀环境；其次管道上部是市政重要道路，大型载重卡车往来频繁，使得管道承受比较大的载荷和振动，导致管道下部与墙体接触的防腐层在力学作用下首先老化破损；防腐层破损之后，管道金属与土壤发生直接接触，电化学腐蚀减薄加速，导致管道底部壁厚减薄到不足3 mm，在内压作用下导致大面积破裂，造成大批量原油瞬间泄漏。泄漏点位于秦皇岛路桥涵东侧墙体外15cm左右，处于管道正下部位置。经计算、认定，原油泄漏量约2000多吨。泄漏原油部分反冲出路面，大部分从穿越处直接进入排水暗渠。泄漏原油挥发的油气与排水暗渠空间内的空气形成易燃易爆的混合气体，并在相对密闭的排水暗渠内积聚。由于从原油泄漏到发生爆炸达8个多小时，受海水倒灌影响，泄漏原油及其混合气体在排水暗渠内蔓延、扩散、积聚，最终造成大范围连续爆炸。为此在2014年全国油气输送管道隐患排查整治攻坚战中，将密闭空间问题作为排查的重点之一。这次事故造成了人民生命财产的重大损失，令人非常痛心。请您谈谈我们应该汲取哪些教训，以防止事故的再次发生？当前我国管道安全所面临问题的复杂程度很大，风险也很多。钢管材料研制和应用在较短时间里实现了从单纯依靠进口到国产化， X80钢钢管敷设里程达到全世界之最。管道建设速度也很惊人，前几年几乎以每年数千公里的速度增长，目前达到12万多公里。基础设施建设发展快了，就必然会把一些我们原来没有认识到的问题带到管道工程中。在今年的管道完整性大会上，黄维和院士曾提出当前管道安全首先面临三大突出风险：高压直流输电系统对油气管道的安全影响；复杂地质条件下管道的服役安全问题；X80钢环焊缝缺陷的安全保障问题。我们在诸如焊接技术和检测技术方面，高水平施工队伍、检测队伍和监理队伍发展方面，以及管道安全运行维护和完整性管理水平方面都还有比较大的提升空间，以适应油气管道高速发展的形势需求。此外管道面临的外部干扰问题日益突出，我们对管道在各种外部干扰作用下的失效机理和失效规律方面的研究和认识还很不深入。同时，各级政府和广大民众对管道安全保护的意识和认知都还需要进一步提升。目前，我们正在和国内油气管道、电网和地铁等公司合作研究，谋求解决高压交直流输电线路、高铁、城铁杂散电流对管道干扰和影响问题。国内不少单位也在开展对含缺陷管道的剩余寿命评价和剩余强度的评价方法和焊缝缺陷、热影响区、止裂韧性等关键问题的研究。管道企业针对近期发生的几起安全事故进一步加强管道建设和运行管理，解决外部载荷过重以及复杂地质条件下管道服役等关键问题。智慧管道建设也应该突出考虑管道的安全风险监控，如管道外力导致应力应变监测、管道的交直流干扰监测、高后果区和环境敏感区其它风险监测等。相信这些措施都会为促进我国管道安全水平的提高做出贡献。管道是线性工程，本体安全事关公共安全。尤其需要政府和有关部门加强对管道安全的监管和服务，需要企业持之以恒保障对安全的投入，并持续不断完善，消除管理的薄弱环节。加强对公众的安全知识普及和教育也很重要。![]()
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