海洋橋梁腐蝕的思考

每年的4月24日，是世界腐蝕日（Corrosion Awareness Day），生活中，我們總聽(tīng)到某某金屬材料生銹，這就是最常見(jiàn)的腐蝕現(xiàn)象。其實(shí)，腐蝕無(wú)處不在，對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，它就像“癌癥”一樣頑固而且危害巨大。

    設(shè)計(jì)壽命在延長(zhǎng)橋梁在海洋環(huán)境中承受著交變載荷、海浪沖蝕、汽車(chē)尾氣污染等多種腐蝕因素的交互作用，甚至還要承受臺(tái)風(fēng)雷暴等極端天氣的考驗(yàn)，腐蝕往往在容易被人忽略的地方發(fā)生，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性造成損傷。這種結(jié)構(gòu)完整性損傷會(huì)在颶風(fēng)載荷和車(chē)輛的交變載荷下加劇，在一定的外界條件下會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，甚至導(dǎo)致橋梁坍塌。

    例如美國(guó)舊金山San Mateo-Hayward跨海大橋，處于浪濺區(qū)的預(yù)制橫梁因鋼筋銹蝕產(chǎn)生破壞，使用不到20年就必須耗巨資進(jìn)行修補(bǔ)。我國(guó)在役的許多海洋橋梁、碼頭在建設(shè)初期未能進(jìn)行腐蝕全面控制，投運(yùn)3～15年之后，一般都會(huì)發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土沿筋開(kāi)裂，有的甚至?xí)崆斑M(jìn)入劣化期，導(dǎo)致計(jì)算簡(jiǎn)圖徹底改變，結(jié)構(gòu)的承載力喪失。

    對(duì)于嚴(yán)重腐蝕的結(jié)構(gòu)，目前尚無(wú)成熟的康復(fù)技術(shù)，即使投入大量資金，其結(jié)果也只是阻止加速腐蝕，但橋梁必須降級(jí)使用。

    我國(guó)近20年建設(shè)了一大批結(jié)構(gòu)新穎、現(xiàn)代化程度和科技含量高的斜拉橋、懸索橋、拱橋等特大型海洋橋梁，積累了豐富的橋梁設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，橋梁建設(shè)水平已躋身于國(guó)際先進(jìn)行列。其中，橋梁的設(shè)計(jì)壽命也從過(guò)去的30～50年增加到80～120年，這對(duì)于社會(huì)財(cái)富積累、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)具有重要意義，同時(shí)，也保障了橋梁服役期的安全可靠性。

    目前，海洋大橋的設(shè)計(jì)壽命為100年甚至120年，是指通過(guò)腐蝕防護(hù)技術(shù)保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的條件下大橋有效使用壽命。而我國(guó)過(guò)去建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)壽命大多可維持30～50年，因此100～120年壽命指標(biāo)的提出，對(duì)橋梁腐蝕防護(hù)技術(shù)、腐蝕防護(hù)管理均提出了更高要求。研究橋梁防腐新技術(shù)是時(shí)代的要求，是保障橋梁耐久性的重要前提，也是緊迫任務(wù)。

杭州灣大橋

    環(huán)境和材料防腐

    海洋橋梁上使用的鋼結(jié)構(gòu)有鋼管樁、鋼箱梁和鋼制拉索等主要承重結(jié)構(gòu)，以及鋼圍堰、承臺(tái)底板以及螺栓緊固件、焊接結(jié)構(gòu)等附加物。

    其中，鋼箱梁、鋼制拉索所處的腐蝕環(huán)境主要是海洋大氣區(qū)，腐蝕因素主要是汽車(chē)尾氣和海水蒸汽，在這一環(huán)境中鋼箱梁和鋼制拉索的腐蝕形式以均勻腐蝕和點(diǎn)蝕為主。由于海洋大氣環(huán)境非常潮濕、鋼結(jié)構(gòu)表面的電解質(zhì)溶液充足，當(dāng)異種金屬結(jié)構(gòu)相連時(shí)鋼結(jié)構(gòu)還較容易發(fā)生電偶腐蝕。

    另外，鋼箱梁和鋼制拉索處于大氣環(huán)境中，防護(hù)措施一般是涂覆防護(hù)涂層，不能采用電化學(xué)防護(hù)。鋼管樁需要涂覆防腐涂層，但海水以及紫外線等會(huì)嚴(yán)重影響涂層的耐久性，必須配合電化學(xué)保護(hù)、外包其他防護(hù)材料等方法才能獲得良好的防護(hù)效果。

    海洋環(huán)境下鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)腐蝕主要體現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)性能退化和鋼筋腐蝕兩方面。混凝土本身腐蝕破壞機(jī)理包括混凝土碳化以及混凝土凍融循環(huán)等破壞等。由于混凝土本身性能退化以及氯離子的侵蝕，破壞了鋼筋表面的保護(hù)性環(huán)境使鋼筋所處環(huán)境滿(mǎn)足腐蝕發(fā)生的條件，從而導(dǎo)致鋼筋發(fā)生腐蝕。

    因此，鋼筋混凝土的防腐蝕原理主要是通過(guò)物理或化學(xué)手段，提高混凝土的防護(hù)性能，具體措施主要有使用高質(zhì)量混凝土、適當(dāng)提高混凝土保護(hù)層厚度、在混凝土或鋼筋表面涂覆防腐涂層、向混凝土中添加緩蝕劑以及采用電化學(xué)保護(hù)等。

    在選擇防護(hù)技術(shù)、制定防腐方案時(shí)，要按照不同的環(huán)境區(qū)域、不同材料有針對(duì)性地選擇腐蝕防護(hù)方法。不同區(qū)域海洋大橋腐蝕環(huán)境多有不同，選擇的防護(hù)方法存在較大區(qū)別。對(duì)于某一特定橋梁，可將劃分成不同區(qū)域，對(duì)各區(qū)域進(jìn)行有針對(duì)性地設(shè)計(jì)。劃分各區(qū)域時(shí)要考慮環(huán)境特點(diǎn)、材料特點(diǎn)以及防腐方法的經(jīng)濟(jì)性等。

    比如，杭州灣海域的泥沙含量、水流速較大，而港珠澳大橋海域則存在較多微生物，這些環(huán)境特點(diǎn)在防腐設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮。采用高性能防腐涂料與陰極保護(hù)聯(lián)用，結(jié)合腐蝕原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，中科院金屬所已經(jīng)為杭州灣大橋100年和鋼珠奧大橋120年壽命的保障上做出了貢獻(xiàn)。

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