每年的4月24日,是世界腐蝕日(Corrosion Awareness Day),生活中,我們總聽到某某金屬材料生銹,這就是最常見的腐蝕現(xiàn)象。其實,腐蝕無處不在,對于材料來說,它就像“癌癥”一樣頑固而且危害巨大。
設(shè)計壽命在延長橋梁在海洋環(huán)境中承受著交變載荷、海浪沖蝕、汽車尾氣污染等多種腐蝕因素的交互作用,甚至還要承受臺風(fēng)雷暴等極端天氣的考驗,腐蝕往往在容易被人忽略的地方發(fā)生,對橋梁結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性造成損傷。這種結(jié)構(gòu)完整性損傷會在颶風(fēng)載荷和車輛的交變載荷下加劇,在一定的外界條件下會對橋梁產(chǎn)生嚴(yán)重破壞,甚至導(dǎo)致橋梁坍塌。
例如美國舊金山San Mateo-Hayward跨海大橋,處于浪濺區(qū)的預(yù)制橫梁因鋼筋銹蝕產(chǎn)生破壞,使用不到20年就必須耗巨資進(jìn)行修補。我國在役的許多海洋橋梁、碼頭在建設(shè)初期未能進(jìn)行腐蝕全面控制,投運3~15年之后,一般都會發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土沿筋開裂,有的甚至?xí)崆斑M(jìn)入劣化期,導(dǎo)致計算簡圖徹底改變,結(jié)構(gòu)的承載力喪失。
對于嚴(yán)重腐蝕的結(jié)構(gòu),目前尚無成熟的康復(fù)技術(shù),即使投入大量資金,其結(jié)果也只是阻止加速腐蝕,但橋梁必須降級使用。
我國近20年建設(shè)了一大批結(jié)構(gòu)新穎、現(xiàn)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(shè)計和施工經(jīng)驗,橋梁建設(shè)水平已躋身于國際先進(jìn)行列。其中,橋梁的設(shè)計壽命也從過去的30~50年增加到80~120年,這對于社會財富積累、建設(shè)節(jié)約型社會具有重要意義,同時,也保障了橋梁服役期的安全可靠性。
目前,海洋大橋的設(shè)計壽命為100年甚至120年,是指通過腐蝕防護(hù)技術(shù)保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的條件下大橋有效使用壽命。而我國過去建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計壽命大多可維持30~50年,因此100~120年壽命指標(biāo)的提出,對橋梁腐蝕防護(hù)技術(shù)、腐蝕防護(hù)管理均提出了更高要求。研究橋梁防腐新技術(shù)是時代的要求,是保障橋梁耐久性的重要前提,也是緊迫任務(wù)。
杭州灣大橋
環(huán)境和材料防腐
海洋橋梁上使用的鋼結(jié)構(gòu)有鋼管樁、鋼箱梁和鋼制拉索等主要承重結(jié)構(gòu),以及鋼圍堰、承臺底板以及螺栓緊固件、焊接結(jié)構(gòu)等附加物。
其中,鋼箱梁、鋼制拉索所處的腐蝕環(huán)境主要是海洋大氣區(qū),腐蝕因素主要是汽車尾氣和海水蒸汽,在這一環(huán)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(huán)境非常潮濕、鋼結(jié)構(gòu)表面的電解質(zhì)溶液充足,當(dāng)異種金屬結(jié)構(gòu)相連時鋼結(jié)構(gòu)還較容易發(fā)生電偶腐蝕。
另外,鋼箱梁和鋼制拉索處于大氣環(huán)境中,防護(hù)措施一般是涂覆防護(hù)涂層,不能采用電化學(xué)防護(hù)。鋼管樁需要涂覆防腐涂層,但海水以及紫外線等會嚴(yán)重影響涂層的耐久性,必須配合電化學(xué)保護(hù)、外包其他防護(hù)材料等方法才能獲得良好的防護(hù)效果。
海洋環(huán)境下鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)腐蝕主要體現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)性能退化和鋼筋腐蝕兩方面?;炷帘旧砀g破壞機(jī)理包括混凝土碳化以及混凝土凍融循環(huán)等破壞等。由于混凝土本身性能退化以及氯離子的侵蝕,破壞了鋼筋表面的保護(hù)性環(huán)境使鋼筋所處環(huán)境滿足腐蝕發(fā)生的條件,從而導(dǎo)致鋼筋發(fā)生腐蝕。
因此,鋼筋混凝土的防腐蝕原理主要是通過物理或化學(xué)手段,提高混凝土的防護(hù)性能,具體措施主要有使用高質(zhì)量混凝土、適當(dāng)提高混凝土保護(hù)層厚度、在混凝土或鋼筋表面涂覆防腐涂層、向混凝土中添加緩蝕劑以及采用電化學(xué)保護(hù)等。
在選擇防護(hù)技術(shù)、制定防腐方案時,要按照不同的環(huán)境區(qū)域、不同材料有針對性地選擇腐蝕防護(hù)方法。不同區(qū)域海洋大橋腐蝕環(huán)境多有不同,選擇的防護(hù)方法存在較大區(qū)別。對于某一特定橋梁,可將劃分成不同區(qū)域,對各區(qū)域進(jìn)行有針對性地設(shè)計。劃分各區(qū)域時要考慮環(huán)境特點、材料特點以及防腐方法的經(jīng)濟(jì)性等。
比如,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(huán)境特點在防腐設(shè)計時必須予以考慮。采用高性能防腐涂料與陰極保護(hù)聯(lián)用,結(jié)合腐蝕原位監(jiān)測技術(shù),中科院金屬所已經(jīng)為杭州灣大橋100年和鋼珠奧大橋120年壽命的保障上做出了貢獻(xiàn)。
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