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跨海大橋架橋難，如何避免腐蝕成“豆腐渣”更難！ |了不起的中國(guó)制造

2018-06-28 11:31:49 作者：曹豐澤來源：網(wǎng)易新聞學(xué)院分享至：

如今，隨著技術(shù)的積累，中國(guó)正逐漸崛起，成為土木工程強(qiáng)國(guó)。而在所有土木工程門類里，海洋工程如港口、橋梁等始終是其中的一大難點(diǎn)。

為什么海洋工程的難度如此之大？

因?yàn)楹Ｋ?ldquo;咸”！

圖為港珠澳大橋，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

海里建筑壽命低，原因有三：“咸”+干濕交替+高溫

“咸”，主要是說海洋的腐蝕環(huán)境。相比起濕度較為恒定、空氣成分簡(jiǎn)單的內(nèi)陸環(huán)境，濕度高、鹽度大的海洋環(huán)境對(duì)于各類工程的腐蝕作用極強(qiáng)。

比如說，有一種航空裝備叫壓力機(jī)，主要是提高進(jìn)入飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣壓力，為燃燒室提供高壓空氣，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)的效率。同型號(hào)的壓力機(jī)在內(nèi)陸服役時(shí)間可以超過10000小時(shí)，而到了南海地區(qū)，就只剩下500-1000小時(shí)。

還有，在內(nèi)陸地區(qū)可以輕松屹立50年的建筑，到了海里不到三五年就剝蝕得不能使用了。

圖為被腐蝕的橋墩，雖然比較模糊，但可以明顯看到暴露的鋼筋

“咸”——混凝土、鋼筋一概不放過

海水不同于淡水，它是一種腐蝕性很強(qiáng)的液體。海水中含有大量的腐蝕性離子，如鈉離子、氯離子、硫酸根離子等。它們作用于混凝土結(jié)構(gòu)上，會(huì)使得表面的混凝土發(fā)生劣化。海水中硫酸鹽甚至?xí)诨炷羶?nèi)產(chǎn)生結(jié)晶，晶體生長(zhǎng)將混凝土脹裂，使得鋼筋暴露在外。

而鋼材本身又是一種非常容易銹蝕的東西，一旦失去了混凝土的保護(hù)，帶有離子和溶解氧的水就會(huì)接觸到鋼筋表面形成原電池（翻翻高中化學(xué)課本），鋼筋就會(huì)迅速腐蝕甚至斷裂，到這時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)也就壞掉了。

干濕交替——飛沫區(qū)建筑最易變成“豆腐渣”

不過，“咸”只是海水腐蝕的一部分原因，海洋環(huán)境之所以對(duì)建筑物的傷害巨大，最重要的是因?yàn)槠涓蓾窠惶娴沫h(huán)境。

海洋環(huán)境示意圖，受害最嚴(yán)重的是飛沫區(qū)

事實(shí)上，完全浸沒在海水中的那部分建筑結(jié)構(gòu)（比如橋墩）雖然接觸到的海水比露出水面的部分多得多，但是由于海水中環(huán)境穩(wěn)定，濕度始終保持不變，其受到的腐蝕作用并不強(qiáng)。反倒是暴露在空氣中的飛沫區(qū)，雖然很少能直接接觸到海水，但大量的海水飛沫裹挾著鹽分沖擊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)表面一會(huì)兒干一會(huì)兒濕，每顆小飛沫還都攜帶著有害離子粘在上面，折騰不了幾年，這部分結(jié)構(gòu)就變成了豆腐渣。

高溫——加快腐蝕進(jìn)度

更可怕的是，中國(guó)的多數(shù)海域夏天都非常炎熱，南海更是一年四季艷陽(yáng)高照。這樣的高溫也大大加快了腐蝕的進(jìn)程，使得海洋土木工程師面對(duì)更大的挑戰(zhàn)。

1 防腐大法一：更換零件法

面對(duì)如此惡劣的海洋環(huán)境，工程師們自然也不能愧對(duì)自己的工資。于是，他們想象出了許許多多對(duì)抗海洋環(huán)境腐蝕的方法，其中最重要的就是……勤換零件。

這算個(gè)什么方法啊？

你別說，這還真是個(gè)方法。海洋橋梁的設(shè)計(jì)使用壽命動(dòng)輒高達(dá)幾十甚至上百年，像港珠澳大橋這樣的超級(jí)工程更要達(dá)到120年。環(huán)境復(fù)雜多變，再優(yōu)秀的工程師也沒法保證所有的零件都能用上那么久。更何況，延壽也是要錢的。即使想辦法讓零件都達(dá)到了這個(gè)壽命，造價(jià)也會(huì)高到無法承擔(dān)。干脆，它壞了你就換嘛！

表格是某設(shè)計(jì)壽命120年的跨海橋梁部分構(gòu)件的使用壽命

針對(duì)那些易于損耗的構(gòu)件，定期更換的做法是可行的。

但是每次更換構(gòu)件，勢(shì)必影響到工程設(shè)施的使用。比如更換個(gè)橋面板，恐怕就要十天半個(gè)月無法通車。更何況，像橋墩這種重要構(gòu)件，與其更換橋墩，還不如重新修座橋呢。

2 防腐大法二：混凝土加強(qiáng)法

工程師們思來想去，還是要給構(gòu)件延壽。打鐵還需自身硬，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，就要提高混凝土本身的性能。因此，在海洋工程中，工程師們會(huì)選擇強(qiáng)度更高的混凝土。

例如，在普通的民用建筑中通常采用能抗30兆帕應(yīng)力的混凝土，而到了海洋工程中就會(huì)選擇60、80兆帕甚至更高強(qiáng)度的混凝土。

除了強(qiáng)度更高以外，這種高性能混凝土還比普通混凝土更為致密，其內(nèi)部的微孔隙更小，從而使得海洋中的離子更難透過。

此外，工程師們還會(huì)在混凝土中添加外加劑，以使得新拌混凝土的流動(dòng)性更好，硬化之后更加致密；還采使用一些工藝防止混凝土開裂，也是為了防止海水中的離子進(jìn)入結(jié)構(gòu)；正確地選擇骨料、水泥的種類也有助于混凝土抗腐蝕性能的提升。

3 防腐大法三：鋼筋防銹法

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)來說，混凝土剝落一點(diǎn)，問題還不大，但要是里面的鋼筋壞了，那可要了親命。鋼筋是重要的抗拉構(gòu)件，除了支撐結(jié)構(gòu)外，還主要承擔(dān)抗震功能。然而，鋼鐵恰恰屬于特別容易銹蝕的材料。

如果在陸地上，在混凝土內(nèi)強(qiáng)堿性環(huán)境的保護(hù)下，鋼筋表面會(huì)發(fā)生鈍化，不容易生銹；但在海洋結(jié)構(gòu)中，混凝土表面被海水逐漸腐蝕剝離，鋼筋就要直面洶涌的海水了。

混凝土橫截面示意圖

因此為了保護(hù)鋼筋，海洋結(jié)構(gòu)中通常會(huì)增加混凝土的保護(hù)層厚度來延緩鋼筋被侵蝕的時(shí)間。這種做法允許離子侵入構(gòu)件表面并使得表面的混凝土劣化，但是離子很難深入到鋼筋的位置，鋼筋也就得以保全。

除此之外，為防止鋼筋生銹，也會(huì)在混凝土中添加亞硝酸鹽、有機(jī)胺等阻銹劑防止鋼筋生銹。總之，只要鋼筋不軟，海洋結(jié)構(gòu)就永遠(yuǎn)硬！

4 防腐大法四：替代材料法

有些工程師的頭腦更加活泛：既然鋼材和混凝土這些傳統(tǒng)材料都不防腐，那為何不選用些防腐的材料呢？

那么什么材料最防腐？

塑料！

當(dāng)然，普通的塑料是不行的，要采用那些強(qiáng)度特別高、性能特別優(yōu)秀但還不能太貴的復(fù)合材料。例如乙烯基樹脂、超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維以及不是塑料、勝似塑料的玻璃纖維、碳納米纖維等。對(duì)這些材料進(jìn)行膠合、壓模之后，就可以制成“FRP鋼筋”應(yīng)用于建筑材料之中。這些高分子材料雖然比較昂貴，但防腐性能絕對(duì)一流，強(qiáng)度也不比鋼材低。

圖中這些長(zhǎng)得像鋼筋的東西就是由有機(jī)高分子材料制成的耐腐蝕“FRP鋼筋”，防腐性能絕對(duì)一流

除了制成加固筋以外，高分子材料也可以編織成網(wǎng)，應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的表面。它可折可彎，一貼就靈，也不需要大型施工設(shè)備來幫忙，既可以應(yīng)用于原始結(jié)構(gòu)當(dāng)中，又可以用于既有建筑物的修復(fù)，真可謂優(yōu)秀的建筑材料。

更可貴的是，這種材料便于大批量生產(chǎn)，造價(jià)也可以被產(chǎn)量平攤。因此，這種材料在船舶、港口、橋梁等工程中的應(yīng)用十分廣闊。

碳纖維織物，多功能建筑材料

5 缺了“毒性”涂料，你的大橋還是藥丸！

講到這里，幾種主流的海洋橋梁防腐措施就已經(jīng)跟大家講了個(gè)八九不離十。但是別忘了，還有一種材料，它既不怎么環(huán)保，也不能保護(hù)鋼筋，可是這種材料卻非常重要。不論是在船底，還是在橋墩的水面以下部分，可以說如果沒有這種涂料，我們以上所做的工作恐怕都要打個(gè)折扣。它就是以有機(jī)錫為代表的一類“毒性”涂料。

它有什么用呢？

它的用途就是，如果沒有它，你的大橋上就會(huì)長(zhǎng)滿……怎么說呢……

“海鮮”。