古語(yǔ)云：“山無(wú)徑跡，澤無(wú)橋梁，不相往來(lái)”，發(fā)展交通是發(fā)展經(jīng)濟(jì)的必要手段，而橋梁對(duì)于交通系統(tǒng)無(wú)論是從安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性和適用性角度都是最合適的選擇，是世界各國(guó)交通系統(tǒng)中最重要的組成部分。這其中，海洋橋梁的建設(shè)既可以充分促進(jìn)沿海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也是國(guó)家海洋戰(zhàn)略安全的需要。我國(guó)最近幾年已建和即將工建設(shè)的海洋大橋有：杭州灣跨海大橋、上海東海大橋、舟山大陸連島工程、廈門(mén)海倉(cāng)大橋、上海長(zhǎng)江大橋、瓊州海峽大橋、渤海灣跨海工程、青島海灣大橋、港珠澳大橋等。其中，已建成的當(dāng)今世界上最長(zhǎng)的跨海大橋- 杭州灣跨海大橋（見(jiàn)圖1），是我國(guó)“五縱七橫”國(guó)道主干線中，同江至三亞沿海大通道和沈陽(yáng)至海口高速公路跨越杭州灣的最便捷通道。它將寧波、舟山等浙東南地區(qū)與上海連接起來(lái)，與滬杭、杭甬高速公路一起構(gòu)成滬、杭、甬2 小時(shí)交通圈。杭州灣跨海大橋的建立，極大地提升了寧波的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和戰(zhàn)略布局，位于杭州灣大橋南岸的寧波杭州灣新區(qū)以前只是一片茫茫灘涂，現(xiàn)已成為年產(chǎn)值超過(guò)1000 億元，宜商、宜居的現(xiàn)代化新城。

圖1 建成的杭州灣跨海大橋

    近20 年，我國(guó)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。橋梁的設(shè)計(jì)壽命從過(guò)去的30-50 年增加到80-120 年，這對(duì)社會(huì)財(cái)富積累、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)意義重大，更重要的，是保障了橋梁服役期的安全可靠性。目前，新建海洋大橋的設(shè)計(jì)壽命為100 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100 年。而我國(guó)過(guò)去基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)壽命大多為30-50 年，因此100-120 年壽命目標(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。

    海洋橋梁的腐蝕問(wèn)題

    鋼管樁腐蝕

    混凝土護(hù)欄腐蝕

    緊固件縫隙腐蝕

    鋼板縫隙腐蝕

    混凝土樁腐蝕

    橋梁板混凝土腐蝕

圖2 ：混凝土樁腐蝕

    海洋環(huán)境中，橋梁承受著海洋大氣、海浪沖蝕等多種腐蝕損傷因素的交互作用，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，對(duì)橋梁產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，甚至導(dǎo)致橋梁坍塌。 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。 大量工程經(jīng)驗(yàn)表明，不重視海洋橋梁的腐蝕問(wèn)題會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和垮橋事故，腐蝕與防護(hù)已經(jīng)成為海洋橋梁建設(shè)時(shí)需要考慮的重要問(wèn)題。

    鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕與防護(hù)

    海洋橋梁鋼筋混凝土長(zhǎng)期受到海風(fēng)、海水等因素侵蝕，遭受?chē)?yán)重腐蝕破壞，帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。據(jù)我國(guó)對(duì)華南沿海一些港口碼頭建筑的調(diào)查可知，海上建筑物在建成十年左右便出現(xiàn)了不同程度的腐蝕現(xiàn)象，如混凝土出現(xiàn)銹蝕、銹蝕裂縫、剝落、露筋等。比如， 廈門(mén)海滄大橋運(yùn)營(yíng)十幾年后，18、19 號(hào)橋墩以及西塔承臺(tái)由于長(zhǎng)期受海水的沖擊作用，鋼筋發(fā)生腐蝕引起了混凝土保護(hù)層的開(kāi)裂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年由于腐蝕造成的鋼筋混凝土損壞帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)1000 億元人民幣。其中，浪濺區(qū)和海洋大氣區(qū)內(nèi)服役的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到的腐蝕破壞最為嚴(yán)重，典型的腐蝕破壞形式包括鋼筋沿橫截面腐蝕以及混凝土沿腐蝕鋼筋開(kāi)裂，見(jiàn)圖3、4 所示。

圖3 鋼筋沿橫截面腐蝕

  圖4 混凝土沿鋼筋開(kāi)裂

    為減輕混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕引起的橋梁破壞，科研人員開(kāi)發(fā)出很多混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)方法，主要有使用高性能混凝土、增加混凝土保護(hù)層厚度、混凝土涂料、涂層鋼筋、電化學(xué)保護(hù)以及添加阻銹劑等。

    高性能混凝土（High performanceconcrete，簡(jiǎn)稱HPC） 是采用低水灰比和摻加足量的礦物細(xì)摻料與高效外加劑，降低水化熱，防止大體積混凝土由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生裂縫。混凝土保護(hù)層最小厚度有明確規(guī)定，比如浪濺區(qū)的預(yù)應(yīng)力混凝土保護(hù)層最小厚度為90mm。混凝土涂層是在混凝土表面涂覆有機(jī)成膜物質(zhì)，為隔絕Cl-、CO2、鹽霧等腐蝕介質(zhì)的入侵。對(duì)于常年潮濕的特殊環(huán)境，涂層的底漆必須選用可濕面固化且不含防銹顏料的涂料。可用于混凝土表面的涂層種有：環(huán)氧涂料、乙烯基涂料、瀝青涂料、氯化橡膠涂料、聚氨酯磁漆以及氟碳涂料等。電化學(xué)保護(hù)是混凝土中鋼筋腐蝕控制有效、經(jīng)濟(jì)的方法，主要包括外加電流與犧牲陽(yáng)極兩種形式。杭州灣跨海大橋南、北航道橋主墩承臺(tái)、塔座及下塔柱處于潮差區(qū)和浪濺區(qū)，采用了外加電流陰極防護(hù)系統(tǒng)。對(duì)于飛濺區(qū)、潮差區(qū)等具有低電阻和潤(rùn)濕特征的部位也可采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)，如青島海灣大橋采用夾克式犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)。

    涂層鋼筋是在鋼筋表面涂覆涂層隔絕鋼筋與腐蝕介質(zhì)接觸。70 年代，美國(guó)交通部通過(guò)大量的研究與對(duì)比試驗(yàn)，證實(shí)了在各種鋼筋防腐方法中環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋的防腐性能最佳。試驗(yàn)證明經(jīng)鋼筋環(huán)氧樹(shù)脂涂覆后，建筑物使用壽命可延長(zhǎng)50 年以上，且維修成本大大降低。目前環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋已廣泛應(yīng)用，如香港青馬大橋、蘭巴峽海港大橋、東海大橋、杭州灣跨海大橋等。此外，還可以對(duì)海洋橋梁混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)施附加防護(hù)措施、如滲透性模板、阻銹劑等。

    鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與防護(hù)

    橋梁上鋼結(jié)構(gòu)有鋼管樁、鋼箱梁和鋼制拉索等承重結(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。橋梁上幾乎所有的鋼結(jié)構(gòu)都受到力學(xué)和化學(xué)的共同作用，這導(dǎo)致腐蝕對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更嚴(yán)重的危害。

    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。德國(guó)漢堡的Kohlbrand Estruary橋，由于斜拉索腐蝕嚴(yán)重，建成的第三年就更換了全部的斜拉索，耗費(fèi)資金為原造價(jià)的四倍，達(dá)6000 萬(wàn)美元。要防止斜拉索的腐蝕的主要手段就是要將其與腐蝕環(huán)境隔離，防止在斜拉索表面形成電解質(zhì)的液膜。目前已有鍍層、化學(xué)涂層、套管壓漿法和封閉索等多種防腐手段。鋼箱梁處于大氣環(huán)境中，防腐方法主要采用涂層防護(hù)，防腐涂料的性能大大影響著鋼廂梁的使用壽命。

    鋼管樁是橋梁基礎(chǔ)的承重結(jié)構(gòu)，且不可更換，是最需要關(guān)注的腐蝕防護(hù)結(jié)構(gòu)。鋼管樁跨越多種腐蝕區(qū)域，腐蝕性最強(qiáng)的是飛濺區(qū)，全浸區(qū)和海泥區(qū)的腐蝕性相對(duì)較弱。但是，這兩個(gè)區(qū)域的腐蝕因素卻比較復(fù)雜，處于全浸區(qū)的部分受到海水中溶解的氣體、海水流速、懸浮泥沙、溫度、壓力、海洋動(dòng)植物、微生物活動(dòng)、海洋資源開(kāi)采、漁業(yè)作業(yè)、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)榷喾N因素的影響，而海泥區(qū)影響腐蝕的因素有微生物、含水量、土壤電阻率、離子濃度等。

    鋼管樁的防護(hù)采用過(guò)熱噴涂涂層，挪威1975 年建成的Troms 海濱橋，在鋼樁暴露于浪花飛濺區(qū)的部分上噴涂160μm 厚的鋁金屬涂層，然后再涂裝封閉涂料進(jìn)行防護(hù)。一年后在鋼樁上出現(xiàn)直徑達(dá)2-6cm 鼓泡，鼓泡中發(fā)現(xiàn)紅銹，且大部分表面出現(xiàn)裂紋。隨著有機(jī)涂層技術(shù)的發(fā)展和性能的提高，有機(jī)涂層開(kāi)始大規(guī)模用于橋梁鋼管樁的防腐。上世紀(jì)90 年代后期，國(guó)內(nèi)防腐界開(kāi)始在碼頭鋼管樁上應(yīng)用熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層。該涂料在某種程度上與鋼管形成了化學(xué)結(jié)合，使其具有優(yōu)秀的防腐性能。1997 年寧波小港協(xié)和石化碼頭鋼管樁的潮差區(qū)、飛濺區(qū)進(jìn)行了環(huán)氧粉末涂層防腐，工程設(shè)計(jì)壽命為50 年，涂層設(shè)計(jì)壽命為30 年。涂層厚度設(shè)計(jì)為400μm-500μm，經(jīng)過(guò)近20 年的使用，涂層依然處于良好狀態(tài)，參見(jiàn)圖5。

圖5 寧波協(xié)和石化碼頭鋼管樁在飛濺區(qū)、潮差區(qū)服役近20年后涂層完好

 圖6 鋼管樁從沉樁處拔出經(jīng)吊裝撞擊后的涂層狀況，涂層基本無(wú)損傷

圖7 杭州灣跨海大橋鋼管樁浪濺區(qū)環(huán)氧粉末涂層附著力檢驗(yàn)結(jié)果

    除了優(yōu)異的防腐性能和長(zhǎng)使用壽命以外，高性能環(huán)氧粉末涂層還能滿足高強(qiáng)度的打樁的要求。在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)撞擊、錯(cuò)位拔出鋼管樁之后，涂層未見(jiàn)明顯損傷，參見(jiàn)圖6。杭州灣大橋涂層經(jīng)過(guò)11年服役后重新現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)涂層完好，參見(jiàn)圖7。

    檢測(cè)時(shí)間：2014 年11 月，沉樁時(shí)間：2003 年11 月

    2000 年后，杭州灣跨海大橋、金塘大橋、寧波港象山港大橋鋼、上海崇啟大橋、廣東南澳大橋、浙江臺(tái)州大橋以及港珠澳大橋等跨海跨江大橋的鋼管樁都開(kāi)始采用高性能環(huán)氧粉末涂層防腐，并將橋梁的設(shè)計(jì)壽命提高到了100-120年的基準(zhǔn)期。

    除了使用高性能涂層外，陰極保護(hù)也是鋼管樁保護(hù)的必要手段，由于裸鋼在海水中對(duì)陰極保護(hù)電流的需求很大，工程中一般采用外加涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)的方法對(duì)鋼管樁進(jìn)行防護(hù)。在對(duì)鋼管樁進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這種情況，當(dāng)承臺(tái)鋼制底板與鋼管樁之間的絕緣性不好時(shí)，鋼制底板也會(huì)接收到陰極保護(hù)電流，使鋼管樁的保護(hù)電流不足，影響極保護(hù)的效果。

    長(zhǎng)耐久性需求下海洋橋梁腐蝕防護(hù)的思考

    首先是提高海洋橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)防腐設(shè)計(jì)方面的重視程度，理解耐久性防腐設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。采用耐久性防腐技術(shù)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致初期造橋成本提高。但從橋梁全壽命期的經(jīng)濟(jì)性考慮，采用耐久性防腐設(shè)計(jì)的橋梁在全壽命內(nèi)維修費(fèi)用會(huì)低得多。因此，對(duì)于海洋橋梁結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析，要采用壽命周期費(fèi)用分析法（LCC 評(píng)價(jià)方法）。將結(jié)構(gòu)物在一定評(píng)價(jià)周期內(nèi)的所有費(fèi)用都計(jì)算在內(nèi)，并考慮資金的時(shí)間價(jià)值，把不同時(shí)期產(chǎn)生的費(fèi)用按相同貼現(xiàn)率計(jì)算其現(xiàn)值，最后根據(jù)各個(gè)方案總現(xiàn)值來(lái)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性的好壞。

    其次，采用分區(qū)原則選擇腐蝕防護(hù)方法，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。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，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。

    再者，防止“過(guò)保護(hù)”，在腐蝕方法選擇上注意存在“過(guò)猶不及”的可能性，比如金屬表面處理，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)普遍采用噴砂除銹等施工工藝，但也存在誤區(qū)，例如：凡是表面處理，一律是機(jī)械噴砂（ 丸），事實(shí)上，對(duì)于欄桿等異型構(gòu)件采用化學(xué)除銹即可，且該技術(shù)無(wú)公害；凡遇處理等級(jí)，都是Sa 2.5 級(jí)，而未根據(jù)實(shí)際需要情況進(jìn)行具體選擇。

    最后，重視長(zhǎng)耐久性需求下腐蝕防護(hù)監(jiān)測(cè)。腐蝕過(guò)程是一個(gè)漸變過(guò)程，在其未達(dá)到很?chē)?yán)重的程度引起結(jié)構(gòu)破壞前往往表現(xiàn)得不明顯。一旦腐蝕發(fā)生了，結(jié)構(gòu)材料性能將不可逆轉(zhuǎn)地加速退化。為了能確定腐蝕退化區(qū)以及相應(yīng)的退化機(jī)制，必須對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)退化部分及時(shí)采取修復(fù)措施。對(duì)于海洋橋梁結(jié)構(gòu)在服役期間的腐蝕防護(hù)管理，有兩種戰(zhàn)略方案，一是“被動(dòng)式”的“等待及觀察腐蝕發(fā)生”的檢測(cè)方式，這種被動(dòng)式的監(jiān)測(cè)方案是以往橋梁上最常采用的，比如間隔特定的時(shí)間對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行巡檢，發(fā)現(xiàn)有大的損害則采用補(bǔ)救措施，而對(duì)于不可見(jiàn)的腐蝕就無(wú)法發(fā)覺(jué)了。二是“主動(dòng)式”的“監(jiān)測(cè)不可見(jiàn)的腐蝕”的方式，這種監(jiān)測(cè)方法需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行全方位詳細(xì)檢查，對(duì)混凝土內(nèi)部通過(guò)預(yù)埋的腐蝕監(jiān)測(cè)探頭檢查其狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)有腐蝕開(kāi)始的跡象采取預(yù)防措施。兩種方法的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和性能對(duì)比參見(jiàn)圖8。

圖8 腐蝕防護(hù)監(jiān)測(cè)方案

    由圖可見(jiàn)，對(duì)于相同的服役時(shí)間，采用主動(dòng)式的監(jiān)測(cè)、修復(fù)方案，其成本要小于被動(dòng)式監(jiān)測(cè)方案，并且主動(dòng)式監(jiān)測(cè)方案能保證橋梁處于更好的服役狀態(tài)。主動(dòng)式監(jiān)測(cè)方案具有經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高的特點(diǎn)，在實(shí)際工程中應(yīng)該優(yōu)先選擇。

    結(jié)語(yǔ)

    我國(guó)處于海洋橋梁建設(shè)快速發(fā)展時(shí)期，橋梁規(guī)模、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及耐久性均較以往橋梁有大幅度提高。海洋橋梁的腐蝕防護(hù)問(wèn)題日益得到重視，加強(qiáng)其腐蝕防護(hù)工作是保證海洋橋梁耐久性的關(guān)鍵。

    海洋橋梁的腐蝕環(huán)境包括從大氣到土壤，環(huán)境復(fù)雜多變，必須依據(jù)腐蝕環(huán)境和橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性地且嚴(yán)密的腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)。橋梁的腐蝕防護(hù)目前仍然針對(duì)混凝土和鋼結(jié)構(gòu)為保護(hù)對(duì)象，提倡采用新技術(shù)、新材料解決海洋橋梁建設(shè)遇到的新的腐蝕問(wèn)題。橋梁的腐蝕防護(hù)問(wèn)題是安全和經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題，在耐久性要求大大提高的情況下，提倡采用全壽命經(jīng)濟(jì)方法，轉(zhuǎn)變思路，綜合考慮而非僅考慮初期投資成本，為橋梁能更好的服役做鋪墊。對(duì)目前蓬勃興起的橋梁結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)技術(shù)，應(yīng)在橋梁的設(shè)計(jì)中予以大力支持。而對(duì)海洋橋梁的腐蝕監(jiān)測(cè)是維護(hù)在其服役過(guò)程安全運(yùn)行的重要保障手段，是對(duì)橋梁按時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)的前提，必須重視。海洋橋梁的腐蝕防護(hù)問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)者、建設(shè)者和管理者攜手共同解決，任何一個(gè)鏈條脫節(jié)都無(wú)法保證橋梁的長(zhǎng)期安全。

作者簡(jiǎn)介

 魏英華博士

    魏英華，博士，中國(guó)科學(xué)院金屬研究副研究員，材料耐久性防護(hù)與工程化項(xiàng)目組專(zhuān)項(xiàng)負(fù)責(zé)人，遼寧省腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)理事，碩士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)閲?guó)家大型基礎(chǔ)建設(shè)工程結(jié)構(gòu)材料的耐久性防護(hù)，重點(diǎn)解決鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的腐蝕防護(hù)問(wèn)題。完成了杭州灣跨海大橋、舟山跨海大橋、港珠澳大橋、上海青草沙原水工程等多項(xiàng)大型工程的耐久性課題研究、設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。發(fā)表論文30余篇，獲得專(zhuān)利30多項(xiàng)。