海洋橋梁腐蝕的思考

瀏覽次數: 發布日期:2020-06-11

每年的4月24日,是世界腐蝕日(Corrosion Awareness Day),生活中,我們總聽到某某金屬材料生銹,這就是最常見的腐蝕現象。其實,腐蝕無處不在,對于材料來說,它就像“癌癥”一樣頑固而且危害巨大。

設計壽命在延長

 

橋梁在海洋環境中承受著交變載荷、海浪沖蝕、汽車尾氣污染等多種腐蝕因素的交互作用,甚至還要承受臺風雷暴等極端天氣的考驗,腐蝕往往在容易被人忽略的地方發生,對橋梁結構的完整性和穩定性造成損傷。這種結構完整性損傷會在颶風載荷和車輛的交變載荷下加劇,在一定的外界條件下會對橋梁產生嚴重破壞,甚至導致橋梁坍塌。

 

例如美國舊金山San Mateo-Hayward跨海大橋,處于浪濺區的預制橫梁因鋼筋銹蝕產生破壞,使用不到20年就必須耗巨資進行修補。我國在役的許多海洋橋梁、碼頭在建設初期未能進行腐蝕全面控制,投運3~15年之后,一般都會發生鋼筋銹蝕、混凝土沿筋開裂,有的甚至會提前進入劣化期,導致計算簡圖徹底改變,結構的承載力喪失。

 

對于嚴重腐蝕的結構,目前尚無成熟的康復技術,即使投入大量資金,其結果也只是阻止加速腐蝕,但橋梁必須降級使用。


 

 

我國近20年建設了一大批結構新穎、現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計和施工經驗,橋梁建設水平已躋身于國際先進行列。其中,橋梁的設計壽命也從過去的30~50年增加到80~120年,這對于社會財富積累、建設節約型社會具有重要意義,同時,也保障了橋梁服役期的安全可靠性。

 

目前,海洋大橋的設計壽命為100年甚至120年,是指通過腐蝕防護技術保護橋梁結構的條件下大橋有效使用壽命。而我國過去建設的基礎設施的設計壽命大多可維持30~50年,因此100~120年壽命指標的提出,對橋梁腐蝕防護技術、腐蝕防護管理均提出了更高要求。研究橋梁防腐新技術是時代的要求,是保障橋梁耐久性的重要前提,也是緊迫任務。

 

杭州灣大橋

 

環境和材料防腐

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

 

其中,鋼箱梁、鋼制拉索所處的腐蝕環境主要是海洋大氣區,腐蝕因素主要是汽車尾氣和海水蒸汽,在這一環境中鋼箱梁和鋼制拉索的腐蝕形式以均勻腐蝕和點蝕為主。由于海洋大氣環境非常潮濕、鋼結構表面的電解質溶液充足,當異種金屬結構相連時鋼結構還較容易發生電偶腐蝕。

 

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

 

海洋環境下鋼筋混凝土的結構腐蝕主要體現在混凝土結構性能退化和鋼筋腐蝕兩方面。混凝土本身腐蝕破壞機理包括混凝土碳化以及混凝土凍融循環等破壞等。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性環境使鋼筋所處環境滿足腐蝕發生的條件,從而導致鋼筋發生腐蝕。

 

因此,鋼筋混凝土的防腐蝕原理主要是通過物理或化學手段,提高混凝土的防護性能,具體措施主要有使用高質量混凝土、適當提高混凝土保護層厚度、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保護等。

 

在選擇防護技術、制定防腐方案時,要按照不同的環境區域、不同材料有針對性地選擇腐蝕防護方法。不同區域海洋大橋腐蝕環境多有不同,選擇的防護方法存在較大區別。對于某一特定橋梁,可將劃分成不同區域,對各區域進行有針對性地設計。劃分各區域時要考慮環境特點、材料特點以及防腐方法的經濟性等。

 

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,這些環境特點在防腐設計時必須予以考慮。采用高性能防腐涂料與陰極保護聯用,結合腐蝕原位監測技術,中科院金屬所已經為杭州灣大橋100年和鋼珠奧大橋120年壽命的保障上做出了貢獻。

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