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港珠澳大桥设计寿命120年 特殊钢铝派上用场

  时间:2018-10-24

    10月23日,港珠澳大桥举行开通仪式。除了是世界最长的跨海大桥,港珠澳大桥的设计标准更是打破了国内通常的“百年惯例”,制定了120年设计标准。这其中,由中国科学院金属研究所自主研发的“SEBF/SLF高性能涂层加牺牲阳极”联合防护技术功不可没。 中科院金属所耐久性防护与工程化课题组负责人李京研究员告诉笔者:“我们完成了大桥基础钢管复合桩防护涂层工艺设计、阴极保护系统设计、原位腐蚀监测系统设计等,研制出用于大桥混凝土结构用的新一代高性能环氧涂层钢筋,并参与大桥基础的防腐涂装施工,保障了港珠澳大桥基础120年耐久性设计要求。” 
  挑战120年耐久性设计,中科院金属所材料耐久性防护与工程化研究始于20世纪90年代,20多年来获得专利50多项,但针对120年的设计要求,此前原有的跨海大桥耐久性设计方案已不能满足需求,这对中科院金属所科研人员提出了新的挑战。 李京介绍到,针对港珠澳大桥特定的海泥环境,从大桥论证时起课题组就开展了相关涂层的研发工作,先后从涂层的抗渗透性、耐阴极剥离性等关键性能指标着手,研制新型涂料,解决涂层的耐久性问题。科研人员通过调整涂层配方和改善涂装工艺,降低了涂层的吸水率和溶出率,有效提高了涂层的抗渗透能力,增强了涂层与金属的粘结强度。
  有效解决复杂环境中保护难题 120年耐久性设计要求仅仅依靠涂层防腐的防护手段是远远达不到的,必须与阴极保护技术联合使用。阴极保护技术是指通过电化学的方法,将需要保护的金属结构极化,使之电位向负向移动,达到免腐蚀电位,使金属结构处于被保护状态。 据介绍,以往我国跨海大桥的阴极保护重点是浸在海水中的钢管桩,而港珠澳大桥的多数钢管复合桩均位于混凝土承台下的海泥中,如何实施阴极保护没有先例可鉴。 中科院金属所科研人员针对该腐蚀环境和结构特点,重点研究了钢管复合桩在灌入不同地质层后阴极保护面临的难题,采取巧妙方法,选取极端边界参数推算保护效果,即计算在土壤电阻率最大和最小两种情况下阴极保护的电位是否能达到保护要求,并将此作为类似工程阴极保护设计的一种手段,有效解决了复杂环境中阴极保护设计问题。 
  全球海洋工程界尚属首次,为验证钢管复合桩阴极保护设计的可行性,科研人员按照1∶20的比例进行了模拟实验,并尽可能地模拟了港珠澳大桥钢管复合桩穿越的地质环境。缩比模型实验证明该设计计算方法是正确可行的,随后在港珠澳大桥址实地进行1∶1工程足尺结构试验验证,结果表明在海水中安装高效牺牲铝阳极能充分保护海泥中的钢管桩,即新型阴极保护方式能满足大桥基础的防护要求。
  为让用户相信阴极保护确实能保护海泥下的基础钢管复合桩,在模拟实验后,科研人员采取钢管内壁安装保护设施监测探头的方法,将探头伴随打桩深入近百米的海泥下实施原位监测,有效解决了在海泥下安装探测设备难的问题。采用这种方式安装探测设备,在全球海洋工程界尚属首次。 
  研发高性能涂层钢筋技术,港珠澳大桥基础桥墩使用的混凝土是海工混凝土,除应满足设计、施工要求外,在抗渗性、抗蚀性、防止钢筋锈蚀和抵抗施工撞击方面都有更高的要求。
  为此,中科院金属所科研人员开发出一种高性能涂层钢筋技术,专家鉴定认为其技术性能超过现有国内外相关涂层钢筋的技术指标,在同类产品中处于国际领先水平,可满足港珠澳大桥工程需求。港珠澳大桥的设计和建设过程,均采用了中科院金属所研制的高性能涂层钢筋技术及标准。混凝土中钢筋不受腐蚀,混凝土的强度也就有了保证。正是应用了以上综合技术,才使港珠澳大桥达到120年设计标准。