#你不知道的科學那些事兒# 【港珠澳大橋「強筋健骨」的奧秘】「長風破浪會有時,直掛雲帆濟滄海。」廣袤而神秘的海洋給予人們無限想象,但它同時又是具有強腐蝕性的嚴酷自然環境。港口碼頭、石油平台、鋼樁、橋樑等,如何乘風破浪、更持久地堅守?

中科院金屬研究所(以下簡稱金屬所)面向國家建設海洋強國的戰略需求,從上世紀90年代初即開始研究海洋工程重腐蝕防護技術。兩年前,世界最長的跨海大橋——港珠澳大橋通車,保障其達到120年耐久性設計要求,金屬所提供的橋基鋼管複合樁系列防腐蝕解決方案功不可沒。

大型工程的考驗

「國際上的重大海洋工程幾乎都在我國,但海洋重腐蝕防護技術卻由國外壟斷,在實際應用過程中經常出現『卡脖子』情況。」金屬所材料耐久性防護與工程化創新團隊負責人李京介紹。

20多年來,這支科研隊伍先後開展了重防腐塗裝技術的基礎和應用研究以及開發和生產。其技術成果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等重大基礎防腐工程中發揮了不可替代的作用。

而港珠澳大橋是一個「硬骨頭」,金屬所科研人員迎來了新的挑戰。

「普通鋼板在這個地方,當天就會生鏽。經過普通防鏽漆處理,大概防鏽時間也就是半年到一年。」時任港珠澳大橋管理局工程管理部副部長景強說。

港珠澳大橋全長近50公里,除去隧道部分的海中橋樑長度約為23公里,由近1500根鋼管複合樁支撐,體量龐大。鋼管樁作為深埋在水面下數十米的橋樑根基,在120年的全壽命周期中無法更換且維護困難,因此必須確保其可靠性,做到萬無一失。

李京告訴《中國科學報》,港珠澳大橋的基礎防護工程主要是對鋼管複合樁的防腐施工。鋼管樁位於海泥環境中,防腐塗層的破壞方式主要來源於打樁過程中的機械損傷、泥沙碎石磨划傷和泥下腐蝕因素的長期侵蝕、性能衰退等。

此外,「對於整個港珠澳大橋來說,鋼結構防腐防鏽只是其中的一個環節,佔大橋2/3體積的混凝土結構防腐同樣決定著大橋能否120年屹立不倒」。景強補充道。

為了讓這座大橋「強筋健骨」,金屬所科研人員紮根實驗室,挑燈夜戰,在施工一線摸爬滾打,拿出了一套聯合防護技術。

為大橋上「雙保險」

「我們完成了大橋基礎鋼管複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,研製出應用於大橋混凝土結構的新一代高性能環氧塗層鋼筋,並參与大橋基礎的防腐塗裝施工,保障了港珠澳大橋基礎120年耐久性設計要求。」李京說。

針對港珠澳大橋特定的海泥環境,從論證時起,團隊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,研製新型塗料,解決塗層的耐久性問題。

目前,大多服役塗層耐久性都很差,一般在5年至15年,主要採用溶劑型塗料。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接強度。

以主要應用於鋼管樁外壁的SEBF塗層為例,其與基體的黏接強度超過國內外同類產品,充分保證了打樁過程中塗層的完好性。該塗層在酸鹼鹽環境中的化學穩定性非常出色,抗水防滲能力優異。

港珠澳大橋基礎橋墩使用的是海工混凝土。混凝土中鋼筋不受腐蝕,混凝土的強度就有了保證。為此,團隊開發出一種高性能塗層鋼筋技術,滿足了港珠澳大橋的工程需求。

不過,120年耐久性設計要求僅僅依靠塗層防腐還遠遠不夠,必須加上陰極保護技術這個「雙保險」。

「以往我國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複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循。」團隊成員魏英華說。

金屬所科研人員針對該腐蝕環境和地構特點,重點研究了鋼管複合樁在灌入不同地質層后陰極保護面臨的難題,選取極端邊界參數推算保護效果,有效解決了複雜環境中陰極保護設計問題。

可行可靠

這樣的技術路線是否真能起到切實的防護效果並無先例可循,相關的理論基礎也需要重新確立。

為驗證設計的可行性,科研人員按照1:20的比例進行模擬實驗,並儘可能地模擬了港珠澳大橋鋼管複合樁穿越的地質環境。縮比模型實驗證明該設計計算方法正確可行,隨後在橋址實地進行1:1工程足尺結構試驗驗證,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。

在模擬實驗后,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。

三年多的時間中,施工現場留下了金屬所科研團隊的無數足跡,科研人員個個都曬出「科研黑」。這支土生土長的北方團隊沒有因伶仃洋上的炙烤和颱風而卻步,就連常年在當地施工的大橋建設方都對這支隊伍頑強拼搏的精神稱讚不已。

深厚的積累是創新的源泉。金屬所材料耐久性防護工作不僅使港珠澳大橋壽命達120年成為可能,更推動了我國海洋工程防護水平的發展,為我國重大海洋工程耐久性設計提供了寶貴經驗。

比如,「在港珠澳大橋使用二代耐蝕塗層鋼筋基礎上,我們根據遠海工程建設的特殊需求,成功研發出新一代高性能耐蝕塗層鋼筋,並在遠海海防建築結構、護岸加固工程上進行示範應用,結束了遠海島嶼工程混凝土結構鋼筋無塗層『裸用』階段。」李京說。

不畏艱苦、潛心研發,金屬所科研人員始終堅持以國家需求為導向,在碧海藍天的浪漫里留下了奉獻與擔當的身影。http://t.cn/A6GDMeE7

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