无氟超疏水混凝土全寿命周期成本及市场前景分析

Life Cycle Cost and Market Prospect Analysis of Non-Fluorinated Super-Hydrophobic Concrete

摘要: 对超疏水混凝土进行了全寿命周期成本分析。选取喷涂氟碳防腐涂料的混凝土与无氟超疏水混凝土两种方案进行经济性研究，运用费用年值法计算每种方案在施工、运维阶段的成本。结果表明，无氟超疏水混凝土在维修间隔大于7年时，其全寿命周期成本较喷涂氟碳防腐涂料的混凝土更低。借助SWOT分析法，得出无氟超疏水混凝土具有更好的经济性与推广应用价值。

Abstract: Life cycle cost analysis of super-hydrophobic concrete was conducted. Two kinds of concrete sprayed with fluorocarbon anticorrosive coating and non-fluorinated super-hydrophobic concrete were selected for cost analysis, and the cost of each project was calculated by the annual cost method during the construction and operation and maintenance stages. The results showed that the non-fluorinated super-hydrophobic concrete was under maintenance and when the interval is greater than 7 years, the life cycle cost is lower than that of concrete sprayed with fluorocarbon anticorrosive coating. With the help of SWOT analysis method, it is concluded that non-fluorinated super-hydrophobic concrete has better economic efficiency and promotion application value.

1. 概述

混凝土是一种由凝胶材料、粗骨料、细骨料、水、外加剂和掺合料按照一定比例混合，经搅拌、浇筑成型、养护硬化得到的人工石材 [1]。混凝土硬化后表面及内部均分布着不同直径的孔隙，这些孔隙为水的渗入提供了通道和空间，同时其中的毛细管会产生毛细管作用，使水在混凝土中的渗透加剧。此外，混凝土内部存在大量水泥水化反应时析出的羟基(羟基为亲水性基团)进一步增强了混凝土的亲水特性 [2] [3]。水侵入时会将溶解在水中的酸性离子(Cl⁻、SO²⁻等)带入混凝土中，酸性离子与混凝土中的硅酸钙凝胶或水泥水解时产生的Ca(OH)₂反应，降低混凝土强度 [4]。甚至，带有酸性离子的水会侵入到钢筋通道中，造成钢筋腐蚀，使钢筋体积增大，导致钢筋混凝土结构出现爆裂、局部脱落和结构破坏等现象。在盐碱地区、酸雨地区及沿海地区，这种现象尤为严重。因此，如果能够减少甚至避免水渗入混凝土中，就能够有效增强混凝土结构的耐久性，同时大大降低运营维护成本。虽然这必然会增加初期投资成本，但从全寿命周期角度来看，这能够显著提升混凝土基础设施的安全性及使用寿命。

超疏水表面为极端润湿性表面的一种，如图1所示，表现为水滴在特定的表面上接触角大于150˚，滚动角小于10˚。水滴在超疏水表面上可以自由滚动而不发生粘附，具有良好的自清洁性 [5] [6]。本研究依据超疏水表面的相关理论，采用涂层方式对混凝土表面进行疏水改性。对低成本无氟混凝土超疏水涂层进行研究和制备，并将其喷涂至混凝土表面，使混凝土拥有超疏水性能，如图2所示。

Figure 1. Diagram of contact Angle of water droplets

图1. 水滴接触角示意图

Figure 2. Non-fluorinated super-hydrophobic concrete

图2. 无氟超疏水混凝

超疏水混凝土表面的超疏水特性使其拥有良好的自清洁性能与抗渗性能，在利用雨水等带走混凝土表面灰尘脏污的同时，还能够有效阻挡侵蚀性离子的渗透，防止混凝土开裂与破坏，增强建筑结构的耐久性。此外，市售的多数混凝土防腐涂料为封闭性涂层，而超疏水涂层仅对混凝土外表面进行修饰，并未封闭混凝土内部孔道，因此可有效避免使用普通表面密封型涂料因不透气引发的热胀冷缩导致涂料与混凝土表面气压改变造成涂层破坏的问题，且依靠表面疏水性使混凝土表面透气不透水，可以达到自清洁、防渗透的效果。采用硬脂酸和凹凸棒石制备的超疏水涂料，与市面上多数氟碳防腐涂料及虽无氟但售价较高的超疏水涂料相比，在保证超疏水性能的同时，制备方式简单，成本较低，且相对环保，有利于环境的可持续发展。本研究通过对无氟超疏水混凝土的全寿命周期成本及市场前景分析，全方面对比各类混凝土防腐涂料在施工、运维阶段的成本与经济效益，为无氟超疏水混凝土的实际应用与推广提供理论基础。

2. 无氟超疏水混凝土全寿命周期成本分析

2.1. 全寿命周期成本的定义

全寿命周期成本即 LCC(Life Cycle Cost)，是指项目在设计、开发、建造、使用、维护和报废过程中发生的费用。在 LCC 中，不仅包括资金成本，还包括环境成本、社会成本 [7]。

1) 资金成本：指从项目构思、投入使用到最终废弃拆除全过程中可量化的资金投入消耗的总和，主要包括建设成本、使用成本(能耗成本、运维成本、管理成本)和弃置成本。

2) 环境成本：项目在全寿命周期内对于环境潜在的和明显的不利影响。

3) 社会成本：项目从构思、产品建成投入使用直至报废全过程对社会经济造成的不利影响。

全寿命周期成本有以下特点：首先，效益和成本是全寿命成本分析研究的主要对象，为管理者决策提供科学依据；其次，由于在我国工程建设实践中对于环境成本和社会成本还没有统一的方法对其进行量化处理，只能从定性分析入手探讨，因此在本文中只考虑项目资金成本；第三，全寿命成本对工程实行动态预控，随着工程不断进行，全寿命周期成本不断比较现时成本和预期成本的差异，对项目成本进行修正和调整，从而达到控制成本的目的 [8]。

基于上述分析，本文从资金成本入手，将超疏水混凝土全寿命周期分成施工、运维两阶段进行分析。

2.2. 不同混凝土在全寿命周期成本中的对比分析

从本质上分析，只考虑项目施工成本而忽略后期运维费用的成本分析是非常片面的。因而本文对比喷涂氟碳防腐涂料的混凝土以及无氟超疏水混凝土在施工、运维两个阶段中投入费用的不同，进行全过程分析，以量化值进行决策，最终找出全过程成本最少的混凝土，以获得经济利益的最大化。

本文假定应用场景为东部沿海地区混凝土基础设施，混凝土试件尺寸为b × h × l = 1 m × 0.24 m × 1 m，两种不同类型的混凝土使用寿命皆为70年，下表1为不同处理方式的混凝土全寿命阶段对比。

Table 1. Comparison table of life stage of different types of concrete

表1. 不同类型混凝土全寿命阶段对比表

1) 施工阶段：项目施工阶段主要包含购买C50混凝土的费用；氟碳防腐涂料或无氟超疏水涂料的费用；混凝土浇筑费用；相应涂层喷涂费用，用 $C_{E,J}$ 表示。

$C_{E,J}=C_{e,j}\times \frac{i{\left(1+i\right)}^n}{{\left(1+i\right)}^n-1}$ (1)

式中i为折现率，取12%

2) 运维阶段：本文暂定在设定的应用场景下喷涂氟碳防腐涂料的混凝土15年修复一次，修复初始价为21.64元/m²；喷涂无氟超疏水涂料的混凝土n年修复一次，修复初始价为13元/m²，总维修成本用 $C_{M,J}$ 表示。

$C_{M,J}={\displaystyle \underset{j=1}{\overset{n}{\sum }}{C}_{m,j}}\times \frac{1}{{\left(1+i\right)}^n}\times \frac{i{\left(1+i\right)}^n}{{\left(1+i\right)}^n-1}$ (2)

式中i为折现率，取12%。

2.3. LCC理论分析

本文采用费用年值法计算总成本并进行对比分析(混凝土转化为 1 m³ 计算，涂料按 1 m² 计算)。费用年值法指将不同方案的资金按照基准折现率折算到某基准年的总费用平均分摊到项目运营期的各年，费用年值越小的方案经济效果越优。

$C_{LCC}=C_{E,J}+C_{M,J}$ (3)

按式(3)计算全寿命周期总成本，计算过程如下所示：

1) 喷涂氟碳防腐涂料的混凝土

$C_{LCC1}=\left[\left(120+13.64\right)+80+8+A\right]\times \frac{12\%\times {\left(1+12\%\right)}^{70}}{{\left(1+12\%\right)}^{70}-1}=27.40元$

$\begin{array}{c}A=\left[13.64\times {\left(1+2\%\right)}^5+8\times {\left(1+3\%\right)}^{15}\right]\times \frac{1}{{\left(1+12\%\right)}^{15}}\\ +\left[13.64\times {\left(1+2\%\right)}^{10}+8\times {\left(1+3\%\right)}^{30}\right]\times \frac{1}{{\left(1+12\%\right)}^{30}}\\ +\left[13.64\times {\left(1+2\%\right)}^{15}+8\times {\left(1+3\%\right)}^{45}\right]\times \frac{1}{{\left(1+12\%\right)}^{45}}\\ +\left[13.64\times {\left(1+2\%\right)}^{20}+8\times {\left(1+3\%\right)}^{60}\right]\times \frac{1}{{\left(1+12\%\right)}^{60}}\end{array}$

2) 喷涂无氟超疏水涂料的混凝土

$C_{LCC2}=\left[\left(120+5\right)+80+8+B\right]\times \frac{12\%\times {\left(1+12\%\right)}^{70}}{{\left(1+12\%\right)}^{70}-1}$

$\begin{array}{c}B=\left[5\times {\left(1+3\%\right)}^{\left[\frac{n}{3}\right]}+8\times {\left(1+3\%\right)}^n\right]\times \frac{1}{{\left(1+12\%\right)}^n}\\ +\left[5\times {\left(1+3\%\right)}^{\left[\frac{2n}{3}\right]}+8\times {\left(1+3\%\right)}^{2n}\right]\times \frac{1}{{\left(1+12\%\right)}^{2n}}\\ +\left[5\times {\left(1+3\%\right)}^{\left[\frac{3n}{3}\right]}+8\times {\left(1+3\%\right)}^{3n}\right]\times \frac{1}{{\left(1+12\%\right)}^{3n}}\\ +\left[5\times {\left(1+3\%\right)}^{\left[\frac{4n}{3}\right]}+8\times {\left(1+3\%\right)}^{4n}\right]\times \frac{1}{{\left(1+12\%\right)}^{4n}}+\cdots \end{array}$

式中： $\left[\frac{n}{3}\right]$ 指对 $\frac{n}{3}$ 取整。

根据计算得出，n = 7时，C_LCC2 = 27.32元，且随着n的增大，C_LCC2的值将进一步下降。

综上，可以得出两者计算结果较接近且C_LCC2 < C_LCC1，表明无氟超疏水混凝土全寿命周期成本在维修间隔为7年时已小于氟碳防腐涂料混凝土的全寿命周期成本，因此当维修间隔在大于7年时，无氟超疏水混凝土是从全寿命周期成本分析角度出发的最优选择。

3. 无氟超疏水混凝土的市场前景分析

设此时无氟超疏水混凝土维修间隔期已大于7年，现将其投入市场，借助SWOT分析法分析其市场前景，并制定相应的市场战略，有助于其迅速找准市场定位，面对市场竞争。

3.1. 无氟超疏水混凝土SWOT分析

下表2通过SWOT分析法来具体分析无氟超疏水混凝土在市场和行业中的优劣势及机会与威胁，进一步分析其市场前景。

3.2. 无氟超疏水混凝土的市场战略分析

针对表2列举的四个象限，下文进行两两态势分析，提出四种战略模型，利于无氟超疏水混凝土在市场中充分发挥优势，利用机会，积极克服劣势，回避威胁。

从下表3可以看出无氟超疏水混凝土投入市场后积极实施的战略应为扭转型战略，依靠国家政策支持，通过宣传等手段使大众迅速熟知，凭借其与传统普通混凝土相比更优的自清洁性、抗渗性、抗冻性及与含氟超疏水混凝土相比更优的环保性等优良特性获得大众青睐，快速打开市场。总体而言，无氟超疏水混凝土的市场前景较好，具有可行性。

Table 2. Non-fluorinated super-hydrophobic concrete SWOT analysis table

表2. 无氟超疏水混凝土SWOT分析表

Table 3. SWOT strategy analysis of super-hydrophobic concrete

表3. 超疏水混凝土SWOT战略分析

4. 结论

无氟超疏水混凝土具有良好的疏水性、自清洁性、抗渗性、抗冻性等性能，且生产方式简便，生产成本低，更为环保。从全寿命周期角度对其进行成本分析得出，在维修间隔大于7年时，其全寿命周期成本比喷涂氟碳防腐涂料的混凝土更低，整体经济效益更优。再结合SWOT分析法，分析其市场前景，制定最优方案，以实现超疏水混凝土利益最大化。

基金项目

国家大学生创新创业练计划项目(202013022028)。