港珠澳大橋設計壽命120年！全靠它了

9月27日，歷時4年多的建設，世界最大的跨海大橋港珠澳大橋橋樑主體工程全面貫通。其中，由中國科學院金屬研究所自主研發的新型塗層和陰極保護聯合防護技術在該工程中發揮了重要作用。

中科院金屬所材料耐久性防護與工程化課題組負責人李京告訴《中國科學報》記者：“我們完成了大橋基礎鋼管複合樁（含鋼管樁）防護塗層工藝設計、陰極保護系統設計、原位腐蝕監測系統等，研製出用於大橋橋墩的新一代高性能環氧塗層鋼筋，保障了港珠澳大橋基礎120年耐久性設計要求。”

研發重防腐塗裝技術

據悉，中科院金屬所材料耐久性防護與工程化研究始於20世紀90年代，20多年來先後開展了重防腐塗裝技術基礎和應用的研究與開發和生產。

李京介紹：“金屬所更新了防腐塗裝技術理念以及重腐蝕塗層防護技術，自行設計並製造了具有自主知識產權的塗裝設備，組建一支能啃硬骨頭的科研隊伍，從而走出一條自主創新之路。”

中科院金屬所以重防腐塗料的基礎研究為依據，開發和生產了兩個系列重防腐塗料，即SEBF熔融結合環氧粉末塗料和SLF高分子複合塗料，生產規模年產可達千噸；研究設計成功了國內首例萬噸埋地管全自動內外塗裝生產線和中、小型塗裝生產線，已在全國安裝8條；建立快速固化、常規熱固化和常温固化三類塗裝工藝；主持制訂《熔融結合環氧粉末塗料的防腐蝕塗裝》國家標準，獲得專利24項。

目前，中科院金屬所自主研發的重防腐塗裝技術已經在秦山核電站海水冷卻迴路系統、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防腐工程中發揮了不可替代的作用。

挑戰百年技術極限

李京指出，港珠澳大橋的設計壽命打破了國內通常的“百年慣例”，制定了120年的設計標準，這對跨海大橋的基礎結構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計方案已不能滿足港珠澳大橋耐久性需求，這為國內外海洋工程防護提出了新的挑戰。

港珠澳大橋的大部分鋼管複合樁位於泥下區，其塗層破壞方式主要來源於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塗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附着力、耐微生物等方面。

因為港珠澳大橋設計壽命更長，需要在已有鋼管樁塗層技術的基礎上研發出性能更加優越的塗層以滿足要求。針對港珠澳大橋特定的海泥環境，中科院金屬所科研人員在大橋論證時起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着手解決塗層的耐久性問題，最終保證了塗層的120年耐久性設計要求。

李京稱：“港珠澳大橋基礎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滿足設計、施工要求外，在抗滲性、抗凍性、抗蝕性、防止鋼筋鏽蝕和抵抗冰凌撞擊方面都有更高的要求。因此，用於海工混凝土的鋼筋也要做特殊的防護。”

為此，中科院金屬所開發出了一種高性能塗層鋼筋技術，並通過中國腐蝕學會組織的鑑定，認為其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。金屬所通過對高性能環氧塗層鋼筋技術指標的實驗研究和耐久性分析，預期可用於設計壽命120年的海洋鋼筋混凝土結構工程。

突破陰極保護難題

“如果塗層系統的研究可以預測而提前進行研究的話，陰極保護系統的研發可以説是遭遇戰，因為在基礎結構設計確定之前陰極保護是無法進行的。”李京説，“港珠澳大橋的鋼管複合樁的陰極保護給耐久性設計提出了很大難題，這是因為其結構、安裝方式與以往的大橋鋼樁不同。”

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計陰極保護安裝形式。而港珠澳大橋的多數鋼管複合樁位於混凝土承台下的海泥中，對於以往大橋鋼管樁泥下區的陰極保護，僅認為會消耗部分陰極保護電流而對於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，沒有先例可以借鑑。

中科院金屬所科研人員針對該腐蝕環境和結構特點，重點研究了鋼管複合樁在貫入不同地質層後陰極保護面臨的難題。首先，科研人員摒棄陰極保護傳統做法，大膽採用海水中安裝保護泥下區的新方法，通過海水中的犧牲陽極發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。

在完成初始設計後，還需要用計算來預測設計的合理性。雖然應用計算機對海洋結構採用數值技術設計陰極保護系統得到了迅速發展，但是，陰極保護模型是需要以電解質為均勻介質為假設前提，而實際環境中，鋼管樁經過的地質層在理化性能上差異很大。

金屬所科研人員在實踐中發現，目前的陰極保護模型並不適合當前港珠澳大橋鋼管複合樁的陰極保護設計。於是科研人員採取了巧妙方法，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，並將此作為類似工程陰極保護設計的一種手段。

實踐是檢驗真理的標準，在完成計算驗證後，科研人員決定進行模擬試驗，驗證港珠澳跨海大橋鋼管複合樁陰極保護設計的可行性。儘管該試驗結果不能完全反映實際陰極保護的狀態，也可以為檢驗陰極保護的設計方式提供依據。

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，裝置中的土壤環境也儘可能地模擬了港珠澳大橋鋼管複合樁穿越的地質，即5層結構。結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。

“讓用户相信陰極保護確實能保護海泥下的基礎鋼管複合樁，則必須進行原位陰極保護電位監測。”李京指出，“而在當時的海洋工程界，這一點還做不到，這是由於海泥下安裝探測設備太困難。”

為解決這個難題，中科院金屬所科研人員採取了鋼管內壁安裝保護設施保護探頭的方法，將探頭伴隨着打樁深入近百米的海泥下，實施了原位監測，這是在海洋工程界首次實現的。