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科技論壇 | 港珠澳大橋橋梁混凝土結構附加防腐蝕措施設計

2017-08-03 15:23:02 作者：湯雁冰中交四航工程研究院有限公司江蘇科技大學海洋裝備研來源：《腐蝕防護之友》分享至：

導言：港珠澳大橋位于伶仃洋海域，設計使用壽命120年，大橋主體混凝土結構面臨的耐久性問題極為嚴重，為保證大橋主體混凝土結構120年耐久性設計使用壽命，除采用高質量的混凝土和足夠的保護層厚度，采用必要的附加防腐措施亦非常必要。本文介紹了大橋橋梁混凝土結構附加防腐措施的設計思路和方法，為以后類似工程的防腐設計提供參考。

一、工程概況及必要性

港珠澳大橋是連接香港特別行政區、廣東省珠海市、澳門特別行政區的大型跨海通道，大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是國家高速公路網規劃中珠江三角洲地區環線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關鍵性工程。（圖 1 是港珠澳大橋的總平面圖。）大橋主體工程有橋梁工程和島隧工程組成，海中橋隧工程總長約35.6km。島隧工程由兩個面積各約 10萬 m 2 的人工島以及長約 6.7km 的沉管隧道組成，橋梁工程長約28.9km，其中，香港段長約 6km，粵港澳三地共同建設的主體工程長約 22.6km。

港珠澳大橋位于亞熱帶海域，具有氣溫高、濕度大、海水含鹽度高的特點，受海水、海風、鹽霧、潮汐、干濕循環等眾多因素影響。根據相似環境下的暴露試驗和工程調查研究結果，鋼筋混凝土結構腐蝕嚴重，耐久性問題突出。為了保證大橋 120 年的耐久性設計使用壽命要求，除了提高混凝土自身的質量外和采用足夠的保護層厚度外，采用附加防腐措施是提高大橋耐久性壽命的最重要技術手段。

圖1 港珠澳大橋工程平面圖

二、港珠澳大橋主體混凝土結構附加防腐措施設計思路——提高耐久性安全儲備

與鋼結構不同的是，混凝土中的鋼筋不是直接暴露于腐蝕環境中，鋼筋周圍包裹著混凝土，混凝土是鋼筋的最重要保護屏障之一。因此，在港珠澳大橋主體混凝土結構 120 年耐久性設計時，首先提高混凝土自身的質量，降低氯離子在混凝土中的擴散系數，并采用足夠的保護層厚度，依靠混凝土自身對氯離子的抵抗作用，即可保證大橋 120 年的耐久性設計使用壽命。但是，設計是基于理想的狀態，一些設計參數的獲得也是基于暴露試驗和室內試驗的結果。考慮到施工過程中的一些不可控的因素，如混凝土原材料波動、施工偏差等，以及各種實體結構受到多種因素耦合作用，加速鋼筋混凝土結構耐久性退化。因此，必須采用必要的附加防腐蝕措施提高大橋混凝土結構的耐久性安全儲備。

根據相似環境實體工程調研的結果，不同腐蝕區域，混凝土結構面臨的耐久性嚴重程度不同，具體為：浪濺區 > 水變區 > 大氣區 > 水下區。

根據相似環境實體工程耐久性調研結果，并結合大橋的實際情況，提出了不同腐蝕環境混凝土構件的耐久性安全儲備要求。水下區的混凝土構件，因貧氧，鋼筋面臨的腐蝕問題不是太嚴重，大橋在水下區的混凝土構件設計時已有足夠的耐久性安全儲備，可考慮不采取附加措施提高耐久性安全儲備；大氣區的混凝土構件，其面臨的耐久性問題要高于水下區的混凝土構件，但是要輕于浪濺區和水變區的混凝土構件，對大氣區的混凝土構件考慮增加約 20 年耐久性安全儲備；水變區和浪濺區基本分布于同一混凝土構件上，處于水變區的混凝土構件的耐久性安全儲備可按耐久性更為嚴酷的浪濺區來考慮，水變區和浪濺區的混凝土構件可考慮增加 40 年以上的耐久性安全儲備。表 1 給出了位于不同腐蝕環境的混凝土構件的耐久性安全儲備要求。

三、附加防腐措施設計

1.混凝土結構附加防腐的技術特點

混凝土結構附加防腐蝕措施有很多，現行的混凝土結構防腐蝕技術規范將涂層、硅烷、環氧涂層鋼筋、阻銹劑、透水模板和外加電流陰極保護作為主要的附加防腐措施予以規定。不銹鋼鋼筋具有良好的防護效果，可以顯著的提高鋼筋發生點蝕的臨界氯離子濃度，在國外的許多使用壽命較長的重大工程中得以應用，但在國內尚未得到大規模應用，港珠澳大橋設計使用壽命達 120 年，是一座有重要影響力的超級工程。因此，在考慮港珠澳大橋橋梁混凝土結構可選用的附加防腐措施時，將不銹鋼鋼筋作為一種重要的附加防腐措施加以考慮。表 2 給出了上面所述幾種防腐措施的防腐原理和技術特點。

2.保護效果

混凝土結構附加防腐措施的保護效果是進行混凝土結構耐久性設計時選則附加防腐措施的關鍵。目前，對不同附加防腐措施的保護效果還缺乏準確的定量研究結果，這里根據實體工程調查、暴露實驗和室內快速實驗的結果，并結合相關的資料調研，半定量的給出當前技術條件下，不同附加防腐措施的保護效果，如表 3 所示。

這里需要說明的是，阻銹劑作為一種有效的防腐措施在許多工程中得以應用，但是，阻銹劑的主要作用是提高鋼筋的點蝕臨界氯離子濃度，港珠澳大橋橋梁混凝土結構耐久性設計使用壽命為 120 年，鋼筋發生點蝕發生在 100 年之后，此時，摻到混凝土中的阻銹劑的成分和含量是否能維持穩定很難保證，因此，對港珠澳大橋橋梁混凝土結構，從技術角度來說，不建議采用阻銹劑作為附加防腐措施。

3.附加防腐蝕措施

初選根據港珠澳大橋橋梁混凝土結構的耐久性安全儲備要求，結合不同外加防腐措施的技術特點和保護效果分析結果，初步選定了不同腐蝕環境下橋梁混凝土結構可采取的附加防腐措施，如表 4 所示，可滿足橋梁浪濺區和水位變動區混凝土結構耐久性安全儲備不小于 40 年，大氣區混凝土結構的耐久性安全儲備接近 20 年。

4.全壽命成本分析

全壽命成本分析是在保證工程設計使用壽命的前提下，使綜合成本最少，實現技術可靠、經濟合理。在進行全壽命成本分析時，由于各成本發生的時間年限不同，貨幣具有時間價值，為便于比較，采用“費用現值法”或“年費用法”

將未來成本折算成現在成本進行比較分析。項目全壽命計算周期相同時，宜采用現值法，也可采用年費用法；項目全壽命計算周期不同的方案，宜采用年費用法 [19]。本論文中，各腐蝕環境中的計算期相同，故采用“費用現值法”進行不同附加防腐措施的全壽命成本比較分析。費用現值法的計算公式可表示為：

式中，PC 為費用現值，I 為全部投資（包括建設投資和流動資金），C 為營運期費用，Sv 為計算期末回收的固定資產余值，t 為年份，n 為計算期（年），i 為折現率，取 7%。

初選的附加防腐蝕措施的全壽命成本計算結果如表 5所示，浪濺區 / 水變區的混凝土構件采用“透水模板 + 兩次硅烷浸漬 + 后期通電陰極保護”的費用成本最低，“環氧涂層鋼筋 + 兩次硅烷浸漬”次之，不銹鋼鋼筋最貴；大氣區的混凝土構件采用涂層和硅烷浸漬的費用成本分別為103.93 元 /m 2 和 102.21 元 /m 2 ，全壽命成本相近。

5.港珠澳大橋附加防腐蝕措施

在保證技術可靠，全壽命成本最優的前提下，最終提出港珠澳大橋混凝土結構的附加防腐蝕措施設計建議，具體建議如下：

（1）橋梁大氣區混凝土結構采用硅烷浸漬防腐蝕措施

從耐久性安全儲備要求和全壽命成本角度，大氣區的混凝土結構采用涂層和硅烷均可，但是涂層本身及后期的顏色退化會影響大橋外觀，且涂層后期維護和重涂困難，而硅烷浸漬不僅不改變混凝土外觀，且有憎水自清潔功能，后期維護和重涂容易。因此，建議大氣區的混凝土結構采用一次硅烷浸漬的外加防腐措施；

（2）橋梁浪濺區 / 水位變動區混凝土結構采用外層不銹鋼鋼筋或環氧涂層鋼筋加硅烷浸漬聯合的外加防腐蝕措施

透水模板、硅烷浸漬與后期通電陰極保護聯合的外加防護措施全成本最低。但在全長 22.179km 的海上分散的橋墩陰極保護實施難度大，后期維護困難；而不銹鋼鋼筋和環氧涂層鋼筋雖然全壽命成本高，但卻是相對較保險的措施。因此，經全壽命成本、技術可靠性和耐久性安全儲備三方面綜合分析，建議橋梁浪濺區 / 水變區的混凝土構件采用外層不銹鋼鋼筋或環氧涂層鋼筋加硅烷浸漬聯合的外加防腐蝕措施。

不銹鋼鋼筋施工簡單，可以實現永久性的防腐，環氧涂層鋼筋成本相對較低，但涂層一旦破壞，不僅不會起到保護作用，反而會促進鋼筋的腐蝕，環氧涂層鋼筋對施工控制要求高。鑒于港珠澳大橋橋梁浪濺區 / 水變區的混凝土構件的施工既有工廠預制，也有現場澆筑。混凝土現澆構件因是外海施工，質量控制起來相對較難，結構出現缺陷的幾率大，發生腐蝕的風險比預制構件要大；預制構件采用工廠標準化施工，混凝土質量控制起來相對容易，且采用工廠標準化施工可實現對環氧涂層鋼筋的施工過程的嚴格控制，有效降低因施工造成環氧樹脂涂層的破損。因此，從技術可靠性、腐蝕風險和全壽命成本等各方面綜合考慮，建議浪濺區 / 水位變動區的現澆混凝土構件附加防腐蝕措施設計采用外層不銹鋼鋼筋的附加防腐措施，浪濺區 / 水位變動區的預制混凝土構件附加防腐蝕措施設計采用環氧涂層鋼筋加硅烷浸漬（兩次）聯合的附加防腐措施。

四、結語

根據相似環境下實體工程耐久性調查結果，結合大橋的實際情況提出了大橋不同腐蝕區域混凝土構件的耐久性安全儲備要求。根據耐久性安全儲備的要求，通過對不同附加防腐措施的技術特點、防護效果和全壽命成本的綜合分析，建議橋梁大氣區混凝土構件附加防腐蝕措施設計采用一次硅烷浸漬附加防腐蝕措施，浪濺區 / 水變區混凝土構件附加防腐蝕措施設計采用外層不銹鋼鋼筋或環氧涂層鋼筋加硅烷浸漬聯合的防腐措施。

本設計的思路和方法得到了業主單位的認可，并在大橋建設中采納了提出的附加防腐蝕措施建議，為港珠澳大橋達到 120 年設計使用壽命提供了有力的保障，也為后續類似工程的附加防腐蝕設計提供參考。

作者簡介：

湯雁冰，男，副教授，1982 年 12 月生，安徽肥西人。2010 年畢業于中國科學院金屬研究所金屬腐蝕與防護國家重點實驗室，獲博士學位。同年 6 月進入中交四航工程研究院有限公司，從事海港工程腐蝕與防護及腐蝕監測研究。2016 年 1 月調入江蘇科技大學海洋裝備研究院，從事海洋工程與裝備的腐蝕與防護及腐蝕監測研究。

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