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為港珠澳大橋生產(chǎn)的高性能涂層鋼筋

金屬所參與港珠澳大橋埋置承臺足尺試驗研究項目
　　9月27日，歷時4年多的建設(shè)，世界最大的跨海大橋港珠澳大橋橋梁主體工程全面貫通。其中，由中國科學(xué)院金屬研究所自主研發(fā)的新型涂層和陰極保護聯(lián)合防護技術(shù)在該工程中發(fā)揮了重要作用。
　　中科院金屬所材料耐久性防護與工程化課題組負責(zé)人李京告訴《中國科學(xué)報》記者：“我們完成了大橋基礎(chǔ)鋼管復(fù)合樁（含鋼管樁）防護涂層工藝設(shè)計、陰極保護系統(tǒng)設(shè)計、原位腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)等，研制出用于大橋橋墩的新一代高性能環(huán)氧涂層鋼筋，保障了港珠澳大橋基礎(chǔ)120年耐久性設(shè)計要求?！?br/>　　研發(fā)重防腐涂裝技術(shù)
　　據(jù)悉，中科院金屬所材料耐久性防護與工程化研究始于20世紀90年代，20多年來先后開展了重防腐涂裝技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用的研究與開發(fā)和生產(chǎn)。
　　李京介紹：“金屬所更新了防腐涂裝技術(shù)理念以及重腐蝕涂層防護技術(shù)，自行設(shè)計并制造了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的涂裝設(shè)備，組建一支能啃硬骨頭的科研隊伍，從而走出一條自主創(chuàng)新之路?！?br/>　　中科院金屬所以重防腐涂料的基礎(chǔ)研究為依據(jù)，開發(fā)和生產(chǎn)了兩個系列重防腐涂料，即SEBF熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料和SLF高分子復(fù)合涂料，生產(chǎn)規(guī)模年產(chǎn)可達千噸；研究成功設(shè)計了國內(nèi)首例萬噸埋地管全自動內(nèi)外涂裝生產(chǎn)線和中小型涂裝生產(chǎn)線，已在全國安裝8條；建立快速固化、常規(guī)熱固化和常溫固化三類涂裝工藝；主持制訂《熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料的防腐蝕涂裝》國家標準，獲得專利24項。
　　目前，中科院金屬所自主研發(fā)的重防腐涂裝技術(shù)已經(jīng)在秦山核電站海水冷卻回路系統(tǒng)、國家“西氣東輸”工程用天然氣管道彎管、杭州灣跨海大橋鋼管樁、舟山連島金塘大橋鋼管樁、上海市青草沙水源地原水工程輸水工程等重大基礎(chǔ)防腐工程中發(fā)揮了不可替代的作用。
　　挑戰(zhàn)百年技術(shù)極限
　　李京指出，港珠澳大橋的設(shè)計壽命打破了國內(nèi)通常的“百年慣例”，制定了120年的設(shè)計標準，這對跨海大橋的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼管樁的耐久性提出了更高的要求。
　　耐久性工作實際上是建橋的前提條件，此前原有的跨海大橋耐久性設(shè)計方案已不能滿足港珠澳大橋耐久性需求，這為國內(nèi)外海洋工程防護提出了新的挑戰(zhàn)。
　　港珠澳大橋的大部分鋼管復(fù)合樁位于泥下區(qū)，其涂層破壞方式主要來源于打樁過程中的機械損傷、泥砂碎石的磨劃傷和泥下腐蝕因素的長期侵蝕、降解等。
　　中科院金屬所科研人員把研究防護涂層體系重點瞄準在解決打樁過程中的耐劃傷性、耐磨損性和長期服役過程中抗海水滲透性、耐陰極剝離性和長期濕態(tài)附著力、耐微生物等方面。
　　因為港珠澳大橋設(shè)計壽命更長，需要在已有鋼管樁涂層技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)出性能更加優(yōu)越的涂層以滿足要求。針對港珠澳大橋特定的海泥環(huán)境，中科院金屬所科研人員在大橋論證時起開展了相關(guān)涂層的研發(fā)工作，先后從涂層的抗?jié)B透性、耐陰極剝離性等關(guān)鍵性能指標著手解決涂層的耐久性問題，最終保證了涂層的120年耐久性設(shè)計要求。
　　李京稱：“港珠澳大橋基礎(chǔ)橋墩使用的混凝土是海工混凝土，海工混凝土除強度和拌合物的和易性應(yīng)滿足設(shè)計、施工要求外，在抗?jié)B性、抗凍性、抗蝕性、防止鋼筋銹蝕和抵抗冰凌撞擊方面都有更高的要求。因此，用于海工混凝土的鋼筋也要做特殊的防護?！?br/>　　為此，中科院金屬所開發(fā)出了一種高性能涂層鋼筋技術(shù)，并通過中國腐蝕學(xué)會組織的鑒定，認為其性能超過現(xiàn)有國內(nèi)外相關(guān)涂層鋼筋的技術(shù)指標，在同類產(chǎn)品中處于國際領(lǐng)先水平。金屬所通過對高性能環(huán)氧涂層鋼筋技術(shù)指標的實驗研究和耐久性分析，預(yù)期可用于設(shè)計壽命120年的海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程。
　　突破陰極保護難題
　　“如果涂層系統(tǒng)的研究可以預(yù)測而提前進行研究的話，陰極保護系統(tǒng)的研發(fā)可以說是遭遇戰(zhàn)，因為在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計確定之前陰極保護是無法進行的?！崩罹┱f，“港珠澳大橋的鋼管復(fù)合樁的陰極保護給耐久性設(shè)計提出了很大難題，這是因為其結(jié)構(gòu)、安裝方式與以往的大橋鋼樁不同?！?br/>　　以往跨海大橋的陰極保護重點均為浸在海水中鋼管樁的陰極保護，即以保護海水中的鋼管樁來計算犧牲陰極使用量和設(shè)計陰極保護安裝形式。而港珠澳大橋的多數(shù)鋼管復(fù)合樁位于混凝土承臺下的海泥中，對于以往大橋鋼管樁泥下區(qū)的陰極保護，僅認為會消耗部分陰極保護電流而對于這部分的陰極保護效果不做深入探討。李京很清楚，如何實施港珠澳大橋的陰極保護，沒有先例可以借鑒。
　　中科院金屬所科研人員針對該腐蝕環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點，重點研究了鋼管復(fù)合樁在灌入不同地質(zhì)層后陰極保護面臨的難題。首先，科研人員摒棄陰極保護傳統(tǒng)做法，大膽采用海水中安裝保護泥下區(qū)的新方法，通過海水中的犧牲陽極發(fā)射陰極保護電流通過界面流向海泥中的鋼管，以此解決海泥中更換犧牲陽極難度過大的問題。
　　在完成初始設(shè)計后，還需要用計算來預(yù)測設(shè)計的合理性。雖然應(yīng)用計算機對海洋結(jié)構(gòu)采用數(shù)值技術(shù)設(shè)計陰極保護系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，但是，陰極保護模型是需要以電解質(zhì)為均勻介質(zhì)為假設(shè)前提，而實際環(huán)境中，鋼管樁經(jīng)過的地質(zhì)層在理化性能上差異很大。
　　金屬所科研人員在實踐中發(fā)現(xiàn)，目前的陰極保護模型并不適合當前港珠澳大橋鋼管復(fù)合樁的陰極保護設(shè)計。于是科研人員采取了巧妙方法，選取極端情況估算保護效果，即計算在土壤電阻率最大和最小兩種情況下陰極保護的電位是否能達到保護要求，并將此作為類似工程陰極保護設(shè)計的一種手段。
　　實踐是檢驗真理的標準，在完成計算驗證后，科研人員決定進行模擬試驗，驗證港珠澳跨海大橋鋼管復(fù)合樁陰極保護設(shè)計的可行性。盡管該試驗結(jié)果不能完全反映實際陰極保護的狀態(tài)，也可以為檢驗陰極保護的設(shè)計方式提供依據(jù)。
　　科研人員科研人員按照1：20的比例，模擬直徑2.2米，長度90米的鋼管樁，裝置中的土壤環(huán)境也盡可能地模擬了港珠澳大橋鋼管復(fù)合樁穿越的地質(zhì)，即5層結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明在海水中安裝高效犧牲鋁陽極能充分保護海泥中的鋼管樁，即新型陰極保護方式能滿足防護要求。
　　“讓用戶相信陰極保護確實能保護海泥下的基礎(chǔ)鋼管復(fù)合樁，則必須進行原位陰極保護電位監(jiān)測。”李京指出，“而在當時的海洋工程界，這一點還做不到，這是由于海泥下安裝探測設(shè)備太困難。”
　　為解決這個難題，中科院金屬所科研人員采取了鋼管內(nèi)壁安裝保護設(shè)施保護探頭的方法，將探頭伴隨著打樁深入近百米的海泥下，實施了原位監(jiān)測，這是在海洋工程界首次實現(xiàn)的。
　　（原載于《中國科學(xué)報》 2016-10-24 第6版 院所)