2.1.3.1公路橋梁結構耐久性設計技術

    對于工程結構防腐問題，材料是基礎，設計是靈魂。必須依據使役環境條件要求，設計選材才能確保工程結構的設計使用壽命。在材料抗腐蝕能力的基礎上，建立材料老化/腐蝕與使役環境關系的理論模型，提出耐久性臨界狀態及判定準則。在滿足結構件安全性設計的前提下，引入耐久性極限狀態的設計理論方法，真正滿足工程結構設計使用壽命設計的要求。此外，考慮到腐蝕環境嚴重程度和工程結構運營維護需求，還需進行輔助防腐蝕設計和運營養護期的維護設計。

    目前，日本《混凝土結構物耐久性設計準則》和國際結構混凝土聯合會《fibModelCode2010》已建立了這種耐久性設計體系，其他國家標準仍然沿用條文規定法，我國基礎設施行業耐久性技術標準也是如此。條文規定法操作性強，防護措施可提供一定保護作用，但是對于指導工程結構設計使用壽命設計缺乏指導依據，無法保障設計使用年的實現。

    2.1.3.2混凝土橋梁腐蝕防護技術

    1.高性能混凝土技術

    提高水泥耐腐蝕性和混凝土密實性是提高混凝土耐久性根本，主要技術包括：提高混凝土的密實性，減少混凝土中的粗大毛細孔、空隙、裂紋數量，采用高性能混凝土、密實性混凝土等。增加混凝土保護層的厚度，最大限度地防止混凝土裂紋的產生。在混凝土中摻加提高鋼筋防腐性能的阻銹劑。

    2.鋼筋防腐技術

    依據混凝土鋼筋發生腐蝕的電化學原理，可通過防止侵蝕介質接觸鋼筋表面、防止發生鋼筋為陽極的電化學反應兩個方面保護混凝土內部鋼筋免受腐蝕。主要的方法是對鋼筋進行鍍鋅、粉末涂層等，形成特種鋼筋，提高鋼材自身的防腐性能，例如，環氧涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋（熱浸鋅）、鍍鋁鋼筋、不銹鋼鋼筋、不銹鋼包覆鋼筋等。FRP/GFRP抗拉強度達到1500MPa，彈性模量可達到40～60GPa（AISI）。

    不銹鋼是指耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕的鋼筋。不銹鋼的耐蝕性取決于鋼中所含的合金元素，基本合金元素還有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、氮等，滿足各種用途對不銹鋼組織和性能的要求。

    美國俄勒岡州HaynesInletSlough橋梁處于海洋環境，在2004年拆除重建工程中，使用了400噸雙相不銹鋼鋼筋（2205型）制作主要承重構件，120年設計壽命是舊橋壽命的2.5倍。新橋總造價1250萬美元，不銹鋼占總造價的13%，但在整個服務期內不需大修。相比普通鋼筋混凝土橋梁延長使用壽命50年，相當于再造一座價值2500萬美元的普通鋼筋混凝土新橋。

    3.涂料防護技術

    防腐涂裝對混凝土橋梁主要起防腐保護作用，但對混凝土裂紋不具備修補功能。對于具有表面裂縫的混凝土表面防腐涂料涂裝，需首先采用表面處理法、灌漿法等措施對裂縫進行處理，然后再進行涂料涂裝。

    在混凝土橋梁表面進行防腐蝕涂料的封閉或者隔離，是一種經濟有效的防腐蝕措施，可以有效地阻止氯離子、水和氧氣等腐蝕介質的進入，減緩對鋼筋腐蝕速度，同時也可降低反復熱脹冷縮對鋼筋混凝土的損壞。但是，目前我國公路混凝土橋梁采用涂料防護僅限于沿海特大型橋梁建設，或沿海/惡劣環境混凝土橋梁修復中局部使用，尚未在全國內進行大范圍和大面積應用。

    4.陰極保護技術

    陰極保護對混凝土裂紋也不具備修補功能，因此，對于具有表面裂縫的混凝土橋梁，需要先采用表面處理法、灌漿法等措施對裂縫進行處理，然后再進行陰極保護。

    犧牲陽極法的電位差產生的保護電流較小，在大面積及高電阻環境下電流不易通過，不適宜橋梁鋼筋混凝土的維修防護，但可以用于海水等導電性好的介質中進行混凝土結構的保護。外加電流法防護包括陽極系統設計、檢測系統及供電系統，表2-9為常見的幾種陽極材料。

    2.1.3.3鋼結構橋梁腐蝕防護技術

    1.涂料保護技術

    防腐涂料涂裝是鋼橋防腐蝕的最方便有效的方法之一。涂料對橋梁用鋼材的保護作用主要有三方面：屏蔽作用；緩蝕作用；陰極保護作用。國內外防腐涂裝體系及保護效果列于表2-10。

    日本Akashi Kaikyo大橋引入了全壽命周期成本理念，設計了無極富鋅汽（打底層）+環氧樹脂（下涂層）+氟樹脂涂層（面層）的涂裝組合體系，日本鋼結構橋養護體系規定了完整的漆膜維護制度，在現場調查和檢測基礎上，繪制漆膜劣化曲線，提出了以面層和中涂層涂料發生劣化作為涂裝維護時機，實現了長效防腐的作用成效，確保了鋼結構橋梁設計壽命。氟樹脂涂料是日本研發高性能的防腐涂料，能夠顯著提高抵抗環境侵蝕作用，極大延長重新涂裝周期。圖2-43顯示了18年Akashi Kaikyo海峽大橋主橋梁鋼桁架涂裝狀況，涂裝體系完整、漆膜顏色和光澤無變化。

    2. 陰極保護技術

    陰極保護是使鋼鐵成為陰極并極化，以減少或防止腐蝕。它分為犧牲陽極保護和外加電流保護。常見的犧牲陽極材料有鋅合金、鋁合金，外加電流保護是由直流電源通過輔助陽極對被保護體施加保護電流，使被保護體成為陰極而獲得極化，從而免受腐蝕的一種保護技術。

    3. 高性能鋼材

    既具有高強度性能，又在韌性、可焊性、冷加工和抗腐蝕等方面也具有優越性能的鋼，在國際上被統稱為高性能鋼（HighPerformanceSteel，HPS）。國外已開發出諸多系列的橋梁用高性能鋼產品，如美國FHWA、海軍和AISI聯合研發的的HPS485W/690W、日本的BHS500/700、歐洲的S460M/690M等。到目前為止，美國47州修建了500座高性能鋼結構橋梁（見圖2-45）。

    高性能鋼材是通過提高鋼材自身抵抗環境腐蝕能力的技術。通過在普碳鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素，制成具有強韌、塑延、成型、焊割、磨蝕、高溫、抗疲勞高性能的耐候鋼，抵抗環境腐蝕能力為普碳鋼的2～8倍，涂裝性為普碳鋼的1.5～10倍。耐候鋼主要用于鐵道、車輛、橋梁、塔架等長期暴露在大氣中使用的鋼結構，以及用于制造石油井架、海港建筑、采油平臺及化工石油設備中含硫化氫腐蝕介質的容器等結構件。高性能耐候鋼在北美、歐洲和日本鋼橋建設中得到廣泛使用，我國公路橋梁中尚未使用。同濟大學在學校中法中心的建設中采用了耐候鋼作為外墻材料，使用情況及效果見圖2-46。

    2.1.3.4公路橋梁防腐技術標準現狀

    “九五”以來，我國土木工程結構耐久性技術及標準編制工作得到了長足發展，相繼頒布了一系列國家、行業、地方和企業技術標準，對基礎設施建設發展發揮了重大作用。技術標準主要分為兩類：（1）工程建設類標準，服務于工程建設和養護，指導工程設計、施工和養護工程的技術標準；（2）產品、設備標準，服務于工程建設所需的材料技術性能和設備技術要求，指導材料和設備的制造和工程應用。

    近30年來，我國公路橋梁重大工程建設得到了快速發展，伴隨廈門海滄大橋、東海大橋、杭州灣跨海大橋、蘇通大橋、廈門翔安跨海隧道、青島海灣大橋、深圳-香港西部通道、港珠澳大橋等跨海工程建設，制定了一系列公路橋梁耐久性設計防護企業標準，有力地促進了我國公路橋梁耐久性設計和腐蝕防護技術的發展。

    2.1.3.5公路橋梁腐蝕防護研發投入狀況

    我國對混凝土耐久性的研究在20世紀50年代已經開始，屬于國家自然環境腐蝕整體研究計劃的一部分，50年代末全國建立了包括混凝土材料在內的“全國大氣、海水、土壤腐蝕試驗網站”。混凝土材料腐蝕的研究主要針對南方沿海地區的氯離子銹蝕問題、北方地區的混凝土凍融問題和西北地區的鹽漬土地區的硫酸鹽腐蝕問題。1978年后，混凝土材料的腐蝕研究重新啟動，但是，對混凝土耐久性的系統性研究始于20世紀90年代，與我國大型基礎設施建設發展同步。

    針對我國混凝土基礎設施建設規模巨大，工程建設質量關系到國民經濟的健康穩定發展，上世紀90年代國家“九五”規劃對混凝土耐久性問題的研究進行了較大的科研投入，確立了一批重點科研項目：“九五”國家重點科技攻關項目“混凝土耐久性關鍵技術研究及工程應用”，“九五”國家基礎性研究重大項目（攀登計劃B）“重大土木與水利工程安全性與耐久性的基礎研究”和“九五”重點科技攻關項目“重點工程混凝土安全性的研究”等。經過20多年對耐久性的集中研究，我國工程界已經對混凝土的劣化機理與規律有了基本的認識和積累：對氯離子銹蝕問題已經有可供工程設計使用的定量化數學模型；對混凝土碳化銹蝕提出了定量的模型測算方法；對凍融環境中混凝土的破壞過程提出了定量的設計方法；對凍融環境中混凝土的破壞過程提出了定量的設計方法。從“十五”到“十二五”，交通運輸部通過西部交通建設科技項目支持了一批公路橋梁耐久性研究項目（見表2-14）。