古語云：“山無徑跡，澤無橋梁，不相往來”，發展交通是發展經濟的必要手段，而橋梁對于交通系統無論是從安全性、耐久性、經濟性和適用性角度都是最合適的選擇，是世界各國交通系統中最重要的組成部分。這其中，海洋橋梁的建設既可以充分促進沿海經濟的發展，也是國家海洋戰略安全的需要。我國最近幾年已建和即將工建設的海洋大橋有：杭州灣跨海大橋、上海東海大橋、舟山大陸連島工程、廈門海倉大橋、上海長江大橋、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，已建成的當今世界上最長的跨海大橋- 杭州灣跨海大橋（見圖1），是我國“五縱七橫”國道主干線中，同江至三亞沿海大通道和沈陽至海口高速公路跨越杭州灣的最便捷通道。它將寧波、舟山等浙東南地區與上海連接起來，與滬杭、杭甬高速公路一起構成滬、杭、甬2 小時交通圈。杭州灣跨海大橋的建立，極大地提升了寧波的產業升級和戰略布局，位于杭州灣大橋南岸的寧波杭州灣新區以前只是一片茫茫灘涂，現已成為年產值超過1000 億元，宜商、宜居的現代化新城。

圖1 建成的杭州灣跨海大橋

    近20 年，我國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。橋梁的設計壽命從過去的30-50 年增加到80-120 年，這對社會財富積累、建設節約型社會意義重大，更重要的，是保障了橋梁服役期的安全可靠性。目前，新建海洋大橋的設計壽命為100 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100 年。而我國過去基礎設施的設計壽命大多為30-50 年，因此100-120 年壽命目標的提出，對橋梁腐蝕防護技術、腐蝕防護管理均提出了更高要求。

    海洋橋梁的腐蝕問題

    鋼管樁腐蝕

    混凝土護欄腐蝕

    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，對橋梁產生嚴重破壞，甚至導致橋梁坍塌。 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。 大量工程經驗表明，不重視海洋橋梁的腐蝕問題會造成巨大的經濟損失和垮橋事故，腐蝕與防護已經成為海洋橋梁建設時需要考慮的重要問題。

    鋼筋混凝土結構腐蝕與防護

    海洋橋梁鋼筋混凝土長期受到海風、海水等因素侵蝕，遭受嚴重腐蝕破壞，帶來重大的經濟損失和安全隱患。據我國對華南沿海一些港口碼頭建筑的調查可知，海上建筑物在建成十年左右便出現了不同程度的腐蝕現象，如混凝土出現銹蝕、銹蝕裂縫、剝落、露筋等。比如， 廈門海滄大橋運營十幾年后，18、19 號橋墩以及西塔承臺由于長期受海水的沖擊作用，鋼筋發生腐蝕引起了混凝土保護層的開裂。據統計，我國每年由于腐蝕造成的鋼筋混凝土損壞帶來的經濟損失可達1000 億元人民幣。其中，浪濺區和海洋大氣區內服役的鋼筋混凝土結構受到的腐蝕破壞最為嚴重，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裂，見圖3、4 所示。

圖3 鋼筋沿橫截面腐蝕

  圖4 混凝土沿鋼筋開裂

    為減輕混凝土結構腐蝕引起的橋梁破壞，科研人員開發出很多混凝土結構的腐蝕防護方法，主要有使用高性能混凝土、增加混凝土保護層厚度、混凝土涂料、涂層鋼筋、電化學保護以及添加阻銹劑等。

    高性能混凝土（High performanceconcrete，簡稱HPC） 是采用低水灰比和摻加足量的礦物細摻料與高效外加劑，降低水化熱，防止大體積混凝土由于熱效應而產生裂縫。混凝土保護層最小厚度有明確規定，比如浪濺區的預應力混凝土保護層最小厚度為90mm。混凝土涂層是在混凝土表面涂覆有機成膜物質，為隔絕Cl-、CO2、鹽霧等腐蝕介質的入侵。對于常年潮濕的特殊環境，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。電化學保護是混凝土中鋼筋腐蝕控制有效、經濟的方法，主要包括外加電流與犧牲陽極兩種形式。杭州灣跨海大橋南、北航道橋主墩承臺、塔座及下塔柱處于潮差區和浪濺區，采用了外加電流陰極防護系統。對于飛濺區、潮差區等具有低電阻和潤濕特征的部位也可采用犧牲陽極陰極保護，如青島海灣大橋采用夾克式犧牲陽極陰極保護系統。

    涂層鋼筋是在鋼筋表面涂覆涂層隔絕鋼筋與腐蝕介質接觸。70 年代，美國交通部通過大量的研究與對比試驗，證實了在各種鋼筋防腐方法中環氧樹脂涂層鋼筋的防腐性能最佳。試驗證明經鋼筋環氧樹脂涂覆后，建筑物使用壽命可延長50 年以上，且維修成本大大降低。目前環氧樹脂涂層鋼筋已廣泛應用，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，還可以對海洋橋梁混凝土結構實施附加防護措施、如滲透性模板、阻銹劑等。

    鋼結構的腐蝕與防護

    橋梁上鋼結構有鋼管樁、鋼箱梁和鋼制拉索等承重結構，以及鋼圍堰、承臺底板以及螺栓緊固件、焊接結構等。橋梁上幾乎所有的鋼結構都受到力學和化學的共同作用，這導致腐蝕對鋼結構產生更嚴重的危害。

    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。德國漢堡的Kohlbrand Estruary橋，由于斜拉索腐蝕嚴重，建成的第三年就更換了全部的斜拉索，耗費資金為原造價的四倍，達6000 萬美元。要防止斜拉索的腐蝕的主要手段就是要將其與腐蝕環境隔離，防止在斜拉索表面形成電解質的液膜。目前已有鍍層、化學涂層、套管壓漿法和封閉索等多種防腐手段。鋼箱梁處于大氣環境中，防腐方法主要采用涂層防護，防腐涂料的性能大大影響著鋼廂梁的使用壽命。

    鋼管樁是橋梁基礎的承重結構，且不可更換，是最需要關注的腐蝕防護結構。鋼管樁跨越多種腐蝕區域，腐蝕性最強的是飛濺區，全浸區和海泥區的腐蝕性相對較弱。但是，這兩個區域的腐蝕因素卻比較復雜，處于全浸區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、海洋動植物、微生物活動、海洋資源開采、漁業作業、遠洋運輸等多種因素的影響，而海泥區影響腐蝕的因素有微生物、含水量、土壤電阻率、離子濃度等。

    鋼管樁的防護采用過熱噴涂涂層，挪威1975 年建成的Troms 海濱橋，在鋼樁暴露于浪花飛濺區的部分上噴涂160μm 厚的鋁金屬涂層，然后再涂裝封閉涂料進行防護。一年后在鋼樁上出現直徑達2-6cm 鼓泡，鼓泡中發現紅銹，且大部分表面出現裂紋。隨著有機涂層技術的發展和性能的提高，有機涂層開始大規模用于橋梁鋼管樁的防腐。上世紀90 年代后期，國內防腐界開始在碼頭鋼管樁上應用熔結環氧粉末涂層。該涂料在某種程度上與鋼管形成了化學結合，使其具有優秀的防腐性能。1997 年寧波小港協和石化碼頭鋼管樁的潮差區、飛濺區進行了環氧粉末涂層防腐，工程設計壽命為50 年，涂層設計壽命為30 年。涂層厚度設計為400μm-500μm，經過近20 年的使用，涂層依然處于良好狀態，參見圖5。

圖5 寧波協和石化碼頭鋼管樁在飛濺區、潮差區服役近20年后涂層完好

 圖6 鋼管樁從沉樁處拔出經吊裝撞擊后的涂層狀況，涂層基本無損傷

圖7 杭州灣跨海大橋鋼管樁浪濺區環氧粉末涂層附著力檢驗結果

    除了優異的防腐性能和長使用壽命以外，高性能環氧粉末涂層還能滿足高強度的打樁的要求。在現場出現撞擊、錯位拔出鋼管樁之后，涂層未見明顯損傷，參見圖6。杭州灣大橋涂層經過11年服役后重新現場檢查，發現涂層完好，參見圖7。

    檢測時間：2014 年11 月，沉樁時間：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、浙江臺州大橋以及港珠澳大橋等跨海跨江大橋的鋼管樁都開始采用高性能環氧粉末涂層防腐，并將橋梁的設計壽命提高到了100-120年的基準期。

    除了使用高性能涂層外，陰極保護也是鋼管樁保護的必要手段，由于裸鋼在海水中對陰極保護電流的需求很大，工程中一般采用外加涂層和陰極保護聯合防護的方法對鋼管樁進行防護。在對鋼管樁進行陰極保護設計時要考慮這種情況，當承臺鋼制底板與鋼管樁之間的絕緣性不好時，鋼制底板也會接收到陰極保護電流，使鋼管樁的保護電流不足，影響極保護的效果。

    長耐久性需求下海洋橋梁腐蝕防護的思考

    首先是提高海洋橋梁設計過程中對防腐設計方面的重視程度，理解耐久性防腐設計的經濟價值。采用耐久性防腐技術設計會導致初期造橋成本提高。但從橋梁全壽命期的經濟性考慮，采用耐久性防腐設計的橋梁在全壽命內維修費用會低得多。因此，對于海洋橋梁結構防腐技術的經濟性分析，要采用壽命周期費用分析法（LCC 評價方法）。將結構物在一定評價周期內的所有費用都計算在內，并考慮資金的時間價值，把不同時期產生的費用按相同貼現率計算其現值，最后根據各個方案總現值來評價經濟性的好壞。

    其次，采用分區原則選擇腐蝕防護方法，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。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，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。

    再者，防止“過保護”，在腐蝕方法選擇上注意存在“過猶不及”的可能性，比如金屬表面處理，國際標準普遍采用噴砂除銹等施工工藝，但也存在誤區，例如：凡是表面處理，一律是機械噴砂（ 丸），事實上，對于欄桿等異型構件采用化學除銹即可，且該技術無公害；凡遇處理等級，都是Sa 2.5 級，而未根據實際需要情況進行具體選擇。

    最后，重視長耐久性需求下腐蝕防護監測。腐蝕過程是一個漸變過程，在其未達到很嚴重的程度引起結構破壞前往往表現得不明顯。一旦腐蝕發生了，結構材料性能將不可逆轉地加速退化。為了能確定腐蝕退化區以及相應的退化機制，必須對橋梁結構進行有效地監測，在監測基礎上對結構退化部分及時采取修復措施。對于海洋橋梁結構在服役期間的腐蝕防護管理，有兩種戰略方案，一是“被動式”的“等待及觀察腐蝕發生”的檢測方式，這種被動式的監測方案是以往橋梁上最常采用的，比如間隔特定的時間對橋梁結構進行巡檢，發現有大的損害則采用補救措施，而對于不可見的腐蝕就無法發覺了。二是“主動式”的“監測不可見的腐蝕”的方式，這種監測方法需要對橋梁結構的表面進行全方位詳細檢查，對混凝土內部通過預埋的腐蝕監測探頭檢查其狀態，發現有腐蝕開始的跡象采取預防措施。兩種方法的經濟效應和性能對比參見圖8。

圖8 腐蝕防護監測方案

    由圖可見，對于相同的服役時間，采用主動式的監測、修復方案，其成本要小于被動式監測方案，并且主動式監測方案能保證橋梁處于更好的服役狀態。主動式監測方案具有經濟性好、可靠性高的特點，在實際工程中應該優先選擇。

    結語

    我國處于海洋橋梁建設快速發展時期，橋梁規模、結構復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問題日益得到重視，加強其腐蝕防護工作是保證海洋橋梁耐久性的關鍵。

    海洋橋梁的腐蝕環境包括從大氣到土壤，環境復雜多變，必須依據腐蝕環境和橋梁結構進行有針對性地且嚴密的腐蝕防護設計。橋梁的腐蝕防護目前仍然針對混凝土和鋼結構為保護對象，提倡采用新技術、新材料解決海洋橋梁建設遇到的新的腐蝕問題。橋梁的腐蝕防護問題是安全和經濟的問題，在耐久性要求大大提高的情況下，提倡采用全壽命經濟方法，轉變思路，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。對目前蓬勃興起的橋梁結構壽命預測技術，應在橋梁的設計中予以大力支持。而對海洋橋梁的腐蝕監測是維護在其服役過程安全運行的重要保障手段，是對橋梁按時進行檢測和維護的前提，必須重視。海洋橋梁的腐蝕防護問題，需要設計者、建設者和管理者攜手共同解決，任何一個鏈條脫節都無法保證橋梁的長期安全。

作者簡介

 魏英華博士

    魏英華，博士，中國科學院金屬研究副研究員，材料耐久性防護與工程化項目組專項負責人，遼寧省腐蝕與防護學會理事，碩士生導師。主要研究領域為國家大型基礎建設工程結構材料的耐久性防護，重點解決鋼結構、鋼筋混凝土結構材料的腐蝕防護問題。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大型工程的耐久性課題研究、設計及現場實施。發表論文30余篇，獲得專利30多項。