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在線客服 2018年10月23日，全球最長(zhǎng)跨海大橋“港珠澳大橋”正式開通。這座大橋連通珠海、香港、澳門三地，香港到珠海、澳門的通行時(shí)間從3個(gè)多小時(shí)壓縮到半個(gè)小時(shí)，粵港澳一小時(shí)生活圈由此成型。
港珠澳大橋在世界橋梁建筑歷史上創(chuàng)造了無(wú)數(shù)奇跡，長(zhǎng)度最長(zhǎng)、施工難度最大、設(shè)計(jì)壽命最長(zhǎng)、創(chuàng)新技術(shù)最多……在大橋應(yīng)用的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中，防腐蝕解決方案將為保證大橋達(dá)到120年的超長(zhǎng)壽命發(fā)揮關(guān)鍵作用。
鋼管樁在整個(gè)大橋結(jié)構(gòu)中發(fā)揮怎樣的作用？
港珠澳大橋全長(zhǎng)近50公里，主體工程“海中橋隧”長(zhǎng)度約為30公里（下圖黃線），其中包括近7公里的海底隧道（下圖虛線）。除去隧道部分的海中橋梁長(zhǎng)度約為23公里，由將近1500根鋼管復(fù)合樁支撐起來(lái)，鋼管樁本身總重就達(dá)到96000噸。
鋼管樁幾個(gè)為一組，深埋于海泥中，之后再在其上澆注混凝土橋墩，繼而鋪設(shè)橋面。由于大橋本身體量龐大，又需要滿足120年的設(shè)計(jì)壽命，鋼管樁的尺寸也達(dá)到了世界頂級(jí)水平——每根鋼管樁外徑在2到2.5米左右，最長(zhǎng)達(dá)到75米，單根自重可達(dá)110噸。
水面之上以及橋面上的部件一旦發(fā)生劣化還有維修甚至更換的可能，鋼管樁作為深埋在水面下數(shù)十米的橋梁根基，在120年的全壽命周期中無(wú)法更換且維護(hù)困難，必須確?？煽啃?，做到萬(wàn)無(wú)一失。那么，對(duì)這些龐然大物來(lái)說(shuō)，最大的威脅是什么呢？答案便是腐蝕。
金屬在自然環(huán)境下為什么會(huì)發(fā)生腐蝕？
自然環(huán)境下金屬的腐蝕一般是電化學(xué)腐蝕。在反應(yīng)過(guò)程中，被腐蝕的金屬原子失去電子被氧化，從而以金屬陽(yáng)離子的形態(tài)脫離金屬基體，在金屬表面形成腐蝕產(chǎn)物或溶蝕到環(huán)境中。
電化學(xué)腐蝕中的陽(yáng)極總是失去電子的一方，并且一旦失去電子，絕大部分情形下陽(yáng)極就將變成金屬離子從而被溶解或腐蝕。換句話說(shuō)，與陰極相比，陽(yáng)極失去電子的傾向更大，與此同時(shí)，陰極獲得電子從而避免遭到腐蝕。
我們來(lái)看一個(gè)實(shí)際的例子。下圖鐵中的某個(gè)區(qū)域存在某種夾雜物，我們假設(shè)其與鐵相比，較不容易失去電子，充當(dāng)電化學(xué)腐蝕反應(yīng)中的陰極。而鐵相對(duì)活潑，失去電子變成鐵離子而被腐蝕，同時(shí)在鐵內(nèi)部電子向夾雜物陰極移動(dòng)。
如果電子在陰極處不能被其它陽(yáng)離子所結(jié)合，這個(gè)反應(yīng)就不能繼續(xù)發(fā)生下去，腐蝕也會(huì)停止。然而，由于鐵表面有水溶液的存在，水溶液中的陽(yáng)離子就會(huì)與陰極處的多余電子結(jié)合。如本案例中，氫離子在陰極生成氫氣的同時(shí)，也會(huì)讓這個(gè)腐蝕反應(yīng)源源不斷的發(fā)生，陽(yáng)極處的鐵就會(huì)逐漸被腐蝕。
實(shí)際的鋼材中含有諸多合金元素和無(wú)數(shù)取向不同的晶粒，各微觀區(qū)域之間存在普遍的不均一性。而溶液中的微觀狀況也并不完全一致，例如各處離子濃度、溶液氧氣含量、溫度和流速都存在差異。所以說(shuō)，上圖中描述的腐蝕情形在自然情況下是無(wú)處不在的。
護(hù)衛(wèi)大橋鋼管樁的防腐技術(shù)之一——犧牲陽(yáng)極法
港珠澳大橋的鋼管樁在惡劣的條件下長(zhǎng)期服役，為了保證鋼管樁的抗腐蝕壽命，綜合運(yùn)用了犧牲陽(yáng)極法和涂層防護(hù)法，再輔以原位腐蝕監(jiān)測(cè)的綜合解決方案。
顧名思義，“犧牲陽(yáng)極法”就是以比被保護(hù)金屬更容易失去電子的活潑金屬（活潑金屬）作為陽(yáng)極，而被保護(hù)金屬作為陰極的方法。理想情況下，在活潑金屬被完全腐蝕之前，被保護(hù)的陰極構(gòu)件不會(huì)發(fā)生腐蝕。在海水、土壤等環(huán)境中，比鋼鐵材料更容易失去電子的金屬有很多，鋁、鋅、鎂等都可以作為犧牲陽(yáng)極。
綜合考慮防護(hù)效果及材料成本，港珠澳大橋最終選用鋁作為犧牲陽(yáng)極。然而，在實(shí)際的安裝過(guò)程中，工程人員們又面臨了前所未有的問(wèn)題。以往跨海大橋陰極防護(hù)的重點(diǎn)是浸在海水中鋼管樁的腐蝕防護(hù)，而港珠澳大橋的大部分鋼管樁深埋入泥下。如果在泥下的鋼柱外壁布置犧牲鋁陽(yáng)極，施工難度和更換難度都將極大增加。
科研人員創(chuàng)造性地摒棄了陰極保護(hù)的傳統(tǒng)方式，大膽采用在海水區(qū)中安裝犧牲陽(yáng)極以保護(hù)泥下區(qū)的新方法，以此解決海泥中更換犧牲陽(yáng)極難度過(guò)大的問(wèn)題。但是，這樣的技術(shù)路線是否真的能夠起到切實(shí)的防護(hù)效果，并無(wú)先例可循，相關(guān)的理論基礎(chǔ)也需要重新確立。
科研人員們?yōu)榇私⒘诉m用于港珠澳大橋鋼管復(fù)合樁的陰極保護(hù)理論模型，并搭建測(cè)試平臺(tái)，實(shí)地驗(yàn)證了這一設(shè)想的保護(hù)效果。此外，他們采取在鋼管內(nèi)壁安裝傳感器的方法，對(duì)實(shí)際的防腐蝕效果進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，該新型陰極保護(hù)方式完全能夠滿足港珠澳大橋苛刻的防護(hù)要求。
大橋鋼管樁的長(zhǎng)壽秘訣之二——先進(jìn)防腐涂層
涂層防護(hù)法與犧牲陽(yáng)極法的思路完全不同，既然海泥中存在各種易產(chǎn)生腐蝕的因素，只要用涂層將它們與鋼管樁本身隔離開來(lái)，就可以極大地避免腐蝕的發(fā)生。然而，港珠澳大橋鋼管樁極端苛刻的服役環(huán)境，對(duì)于任何防腐涂料而言都是巨大的挑戰(zhàn)。
首先，鋼管樁位于海泥環(huán)境中，打樁過(guò)程中的機(jī)械損傷、泥砂碎石磨劃傷就已經(jīng)會(huì)對(duì)涂層的表面造成相當(dāng)大的威脅。此外，在充滿腐蝕性介質(zhì)的海泥中保證120年的使用壽命而不發(fā)生明顯性能衰退更是難上加難。
科研人員為港珠澳大橋鋼管樁提供了世界頂級(jí)的防腐涂層。SEBF和SLF均為環(huán)氧樹脂粉末為核心的涂料體系，主要用于重腐蝕條件。
以主要應(yīng)用于鋼管樁外壁的SEBF涂層為例，其與基體的粘接強(qiáng)度達(dá)到了國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的一倍以上，充分保證了打樁過(guò)程中鍍層的完好性。該鍍層在酸堿鹽環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性都非常出色，抗水防滲能力優(yōu)異。此外，抗應(yīng)力腐蝕能力和空泡腐蝕能力優(yōu)異，與犧牲陽(yáng)極法連用時(shí)抗剝離性能好，在陰極保護(hù)電流作用下的剝離厚度只有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的30%。
港珠澳大橋最終采用高性能防腐涂層+陰極保護(hù)的聯(lián)合防護(hù)方法來(lái)確保鋼管樁的服役可靠性。在鋼管樁120年的設(shè)計(jì)壽命中，前70年將采用高性能涂層防護(hù)為主、犧牲陽(yáng)極式陰極保護(hù)為輔的聯(lián)合防護(hù)進(jìn)行腐蝕抑制。后50年則以犧牲陽(yáng)極保護(hù)+鋼管預(yù)留腐蝕余量為主、高性能涂層防護(hù)為輔的聯(lián)合防護(hù)方式保證耐久性。
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