2018 年 10 月 23 日，全球最長跨海大橋“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、澳門的通行時間從 3 個多小時壓縮到半個小時，粵港澳一小時生活圈由此成型。

港珠澳大橋在世界橋梁建筑歷史上創造了無數奇跡，長度最長、施工難度最大、設計壽命最長、創新技術最多……在大橋應用的多項關鍵技術中，由中科院金屬研究所提供的橋基鋼管復合樁系列防腐蝕解決方案，為保證大橋達到120 年的超長壽命發揮了關鍵作用。

鋼管樁在整個大橋結構中發揮怎樣的作用？

港珠澳大橋全長近 50 公里，主體工程“海中橋隧”長度約為 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度約為 23 公里，由將近 1500 根鋼管復合樁支撐起來，鋼管樁本身總重就達到 96000 噸。

鋼管樁幾個為一組，深埋于海泥中，之后再在其上澆注混凝土橋墩，繼而鋪設橋面。由于大橋本身體量龐大，又需要滿足 120 年的設計壽命，鋼管樁的尺寸也達到了世界頂級水平——每根鋼管樁外徑在 2 到 2.5 米左右，最長達到 75米，單根自重可達 110 噸。

水面之上以及橋面上的部件一旦發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十米的橋梁根基，在 120 年的全壽命周期中無法更換且維護困難，必須確保可靠性，做到萬無一失。那么，對這些龐然大物來說，最大的威脅是什么呢？答案便是腐蝕。

港珠澳大橋澳門附近橋面

金屬在自然環境下為什么會發生腐蝕？

自然環境下金屬的腐蝕一般是電化學腐蝕。在反應過程中，被腐蝕的金屬原子失去電子被氧化，從而以金屬陽離子的形態脫離金屬基體，在金屬表面形成腐蝕產物或溶蝕到環境中。

電化學腐蝕中的陽極總是失去電子的一方，并且一旦失去電子，絕大部分情形下陽極就將變成金屬離子從而被溶解或腐蝕。換句話說，與陰極相比，陽極失去電子的傾向更大，與此同時，陰極獲得電子從而避免遭到腐蝕。

我們來看一個實際的例子。下圖鐵中的某個區域存在某種夾雜物，我們假設其與鐵相比，較不容易失去電子，充當電化學腐蝕反應中的陰極。而鐵相對活潑，失去電子變成鐵離子而被腐蝕，同時在鐵內部電子向夾雜物陰極移動。

大橋總平面圖

如果電子在陰極處不能被其它陽離子所結合，這個反應就不能繼續發生下去，腐蝕也會停止。然而，由于鐵表面有水溶液的存在，水溶液中的陽離子就會與陰極處的多余電子結合。如本案例中，氫離子在陰極生成氫氣的同時，也會讓這個腐蝕反應源源不斷的發生，陽極處的鐵就會逐漸被腐蝕。

電化學腐蝕示意圖

實際的鋼材中含有諸多合金元素和無數取向不同的晶粒，各微觀區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，上圖中描述的腐蝕情形在自然情況下是無處不在的。

護衛大橋鋼管樁的防腐技術之一犧牲陽極法

港珠澳大橋的鋼管樁在惡劣的條件下長期服役，為了保證鋼管樁的抗腐蝕壽命，金屬所提出了聯合運用犧牲陽極法和涂層防護法，再輔以原位腐蝕監測的綜合解決方案。

顧名思義，“犧牲陽極法”就是以比被保護金屬更容易失去電子的活潑金屬（活潑金屬）作為陽極，而被保護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，被保護的陰極構件不會發生腐蝕。在海水、土壤等環境中，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極。

綜合考慮防護效果及材料成本，港珠澳大橋最終選用鋁作為犧牲陽極。然而，在實際的安裝過程中，工程人員們又面臨了前所未有的問題。以往跨海大橋陰極防護的重點是浸在海水中鋼管樁的腐蝕防護，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極，施工難度和更換難度都將極大增加。

犧牲陽極法示意圖

金屬所的科研人員創造性地摒棄了陰極保護的傳統方式，大膽采用在海水區中安裝犧牲陽極以保護泥下區的新方法，以此解決海泥中更換犧牲陽極難度過大的問題。但是，這樣的技術路線是否真的能夠起到切實的防護效果，并無先例可循，相關的理論基礎也需要重新確立。

科研人員們為此建立了適用于港珠澳大橋鋼管復合樁的陰極保護理論模型，并搭建測試平臺，實地驗證了這一設想的保護效果。此外，他們采取在鋼管內壁安裝傳感器的方法，對實際的防腐蝕效果進行了實時監測。結果表明，該新型陰極保護方式完全能夠滿足港珠澳大橋苛刻的防護要求。

設置于船體上的犧牲陽極

大橋鋼管樁的長壽秘訣之二先進防腐涂層

涂層防護法與犧牲陽極法的思路完全不同，既然海泥中存在各種易產生腐蝕的因素，只要用涂層將它們與鋼管樁本身隔離開來，就可以極大地避免腐蝕的發生。然而，港珠澳大橋鋼管樁極端苛刻的服役環境，對于任何防腐涂料而言都是巨大的挑戰。

首先，鋼管樁位于海泥環境中，打樁過程中的機械損傷、泥砂碎石磨劃傷就已經會對涂層的表面造成相當大的威脅。此外，在充滿腐蝕性介質的海泥中保證 120 年的使用壽命而不發生明顯性能衰退更是難上加難。

打樁過程示意圖

中科院金屬所的科研人員利用在“SEBF/SLF 高性能防腐涂層”方面積累的先進經驗，為港珠澳大橋鋼管樁提供了世界頂級的防腐涂層。SEBF 和 SLF 均為環氧樹脂粉末為核心的涂料體系，主要用于重腐蝕條件。

以主要應用于鋼管樁外壁的 SEBF涂層為例，其與基體的粘接強度達到了國內外同類產品的一倍以上，充分保證了打樁過程中鍍層的完好性。該鍍層在酸堿鹽環境中的化學穩定性都非常出色，抗水防滲能力優異。此外，抗應力腐蝕能力和空泡腐蝕能力優異，與犧牲陽極法連用時抗剝離性能好，在陰極保護電流作用下的剝離厚度只有國際標準的 30%。

在中科院金屬所科研人員的指導下，港珠澳大橋最終采用高性能防腐涂層 + 陰極保護的聯合防護方法來確保鋼管樁的服役可靠性。在鋼管樁 120 年的設計壽命中，前 70 年將采用高性能涂層防護為主、犧牲陽極式陰極保護為輔的聯合防護進行腐蝕抑制。后 50 年則以犧牲陽極保護 + 鋼管預留腐蝕余量為主、高性能涂層防護為輔的聯合防護方式保證耐久性。