聯合防護技術守護港珠澳大橋 挑戰120年耐久性

中科院金屬所耐久性防護與工程化課題組負責人李京告訴經濟日報記者:「我們完成了港珠澳大橋基礎鋼管復合樁防護塗層工藝設計、陰極保護系統設計、原位腐蝕監測系統設計等,研制出用於大橋混凝土結構用的新一代高性能環氧塗層鋼筋,並參與了大橋基礎的防腐塗裝施工,保障了大橋基礎120年耐久性設計要求。」

海水衝擊腐蝕是對跨海大橋的直接挑戰。針對港珠澳大橋特定的海泥環境,大橋論證時,課題組就開展了相關塗層的研發工作,先後從塗層的抗滲透性、耐陰極剝離性等關鍵性能指標著手,研制新型塗料,解決塗層的耐久性問題。科研人員通過調整塗層配方和改善塗裝工藝,降低了塗層的吸水率和溶出率,有效提高了塗層的抗滲透能力,增強了塗層與金屬的黏結強度。

120年的耐久性設計要求僅僅依靠塗層防腐的防護手段是遠遠達不到的,必須與陰極保護技術聯合使用。陰極保護技術是指通過電化學的方法,將需要保護的金屬結構極化,使之電位向負向移動,達到免腐蝕電位,使金屬結構處於被保護狀態。

據介紹,以往大陸跨海大橋的陰極保護重點是浸在海水中的鋼管樁,而港珠澳大橋的多數鋼管復合樁均位於混凝土承台下的海泥中,如何實施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境和結構特點,重點研究了鋼管復合樁在灌入不同地質層後陰極保護面臨的難題,採取巧妙方法,選取極端邊界參數推算保護效果,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,並將此作為類似工程陰極保護設計的一種手段,有效解決了複雜環境中陰極保護設計問題。

為驗證鋼管復合樁陰極保護設計的可行性,科研人員按照1∶20的比例進行了模擬實驗,並盡可能地模擬了港珠澳大橋鋼管復合樁穿越的地質環境。縮比模型實驗證明該設計計算方法是正確可行的,隨後在港珠澳大橋實地進行1∶1工程足尺結構試驗驗證,結果表明新型陰極保護方式能滿足大橋基礎的防護要求。

在模擬實驗後,科研人員採取鋼管內壁安裝保護設施監測探頭的方法,將探頭伴隨打樁深入近百米的海泥下實施原位監測,有效解決了在海泥下安裝探測設備難的問題。採用這種方式安裝探測設備,在全球海洋工程界尚屬首次。

港珠澳大橋基礎橋墩使用的混凝土是海工混凝土,除應滿足設計、施工要求外,在抗滲性、抗蝕性、防止鋼筋銹蝕和抵抗施工撞擊方面都有更高的要求。為此,中科院金屬所科研人員開發出一種高性能塗層鋼筋技術,專家鑒定認為其技術性能超過現有國內外相關塗層鋼筋的技術指標,在同類產品中處於國際領先水平,可滿足港珠澳大橋工程需求。

這些防護技術的研發和應用使得港珠澳大橋做到120年設計標準。

孫潛彤