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跨海大桥架桥难,如何避免腐蚀成“豆腐渣”更难!

subtitle 了不起的中国制造 05-15 07:31 跟贴 5903 条
湿度高、盐度大的海洋环境对于各类工程的腐蚀作用极强。更换零件、混凝土加强、钢筋防锈、替代材料、使用“毒性”涂料等方法,可有效减缓海洋桥梁的腐蚀。

  出品| 网易新闻学院

  作者| 须臾千秋,清华大学土木系建筑材料专业博士

  如今,随着技术的积累,中国正逐渐崛起,成为土木工程强国。而在所有土木工程门类里,海洋工程如港口、桥梁等始终是其中的一大难点。

  为什么海洋工程的难度如此之大?

  因为海水“咸”!

  海里建筑寿命低,原因有三:“咸”+干湿交替+高温

  “咸”,主要是说海洋的腐蚀环境。相比起湿度较为恒定、空气成分简单的内陆环境,湿度高、盐度大的海洋环境对于各类工程的腐蚀作用极强。

  比如说,有一种航空装备叫压力机,主要是提高进入飞机发动机的空气压力,为燃烧室提供高压空气,以提高发动机热力循环的效率。同型号的压力机在内陆服役时间可以超过10000小时,而到了南海地区,就只剩下500-1000小时。

  还有,在内陆地区可以轻松屹立50年的建筑,到了海里不到三五年就剥蚀得不能使用了。

  “咸”——混凝土、钢筋一概不放过

  海水不同于淡水,它是一种腐蚀性很强的液体。海水中含有大量的腐蚀性离子,如钠离子、氯离子、硫酸根离子等。它们作用于混凝土结构上,会使得表面的混凝土发生劣化。海水中硫酸盐甚至会在混凝土内产生结晶,晶体生长将混凝土胀裂,使得钢筋暴露在外。

  而钢材本身又是一种非常容易锈蚀的东西,一旦失去了混凝土的保护,带有离子和溶解氧的水就会接触到钢筋表面形成原电池(翻翻高中化学课本),钢筋就会迅速腐蚀甚至断裂,到这时,整个结构也就坏掉了。

  干湿交替——飞沫区建筑最易变成“豆腐渣”

  不过,“咸”只是海水腐蚀的一部分原因,海洋环境之所以对建筑物的伤害巨大,最重要的是因为其干湿交替的环境。

  事实上,完全浸没在海水中的那部分建筑结构(比如桥墩)虽然接触到的海水比露出水面的部分多得多,但是由于海水中环境稳定,湿度始终保持不变,其受到的腐蚀作用并不强。反倒是暴露在空气中的飞沫区,虽然很少能直接接触到海水,但大量的海水飞沫裹挟着盐分冲击结构,结构表面一会儿干一会儿湿,每颗小飞沫还都携带着有害离子粘在上面,折腾不了几年,这部分结构就变成了豆腐渣。

  高温——加快腐蚀进度

  更可怕的是,中国的多数海域夏天都非常炎热,南海更是一年四季艳阳高照。这样的高温也大大加快了腐蚀的进程,使得海洋土木工程师面对更大的挑战。

  防腐大法一:更换零件法

  面对如此恶劣的海洋环境,工程师们自然也不能愧对自己的工资。于是,他们想象出了许许多多对抗海洋环境腐蚀的方法,其中最重要的就是……勤换零件。

  这算个什么方法啊?

  你别说,这还真是个方法。海洋桥梁的设计使用寿命动辄高达几十甚至上百年,像港珠澳大桥这样的超级工程更要达到120年。环境复杂多变,再优秀的工程师也没法保证所有的零件都能用上那么久。更何况,延寿也是要钱的。即使想办法让零件都达到了这个寿命,造价也会高到无法承担。干脆,它坏了你就换嘛!

  针对那些易于损耗的构件,定期更换的做法是可行的。

  但是每次更换构件,势必影响到工程设施的使用。比如更换个桥面板,恐怕就要十天半个月无法通车。更何况,像桥墩这种重要构件,与其更换桥墩,还不如重新修座桥呢。

  防腐大法二:混凝土加强法

  工程师们思来想去,还是要给构件延寿。打铁还需自身硬,延长混凝土结构的寿命,就要提高混凝土本身的性能。因此,在海洋工程中,工程师们会选择强度更高的混凝土。

  例如,在普通的民用建筑中通常采用能抗30兆帕应力的混凝土,而到了海洋工程中就会选择60、80兆帕甚至更高强度的混凝土。

  除了强度更高以外,这种高性能混凝土还比普通混凝土更为致密,其内部的微孔隙更小,从而使得海洋中的离子更难透过。

  此外,工程师们还会在混凝土中添加外加剂,以使得新拌混凝土的流动性更好,硬化之后更加致密;还采使用一些工艺防止混凝土开裂,也是为了防止海水中的离子进入结构;正确地选择骨料、水泥的种类也有助于混凝土抗腐蚀性能的提升。

  防腐大法三:钢筋防锈法

  对于建筑结构来说,混凝土剥落一点,问题还不大,但要是里面的钢筋坏了,那可要了亲命。钢筋是重要的抗拉构件,除了支撑结构外,还主要承担抗震功能。然而,钢铁恰恰属于特别容易锈蚀的材料。

  如果在陆地上,在混凝土内强碱性环境的保护下,钢筋表面会发生钝化,不容易生锈;但在海洋结构中,混凝土表面被海水逐渐腐蚀剥离,钢筋就要直面汹涌的海水了。

  因此为了保护钢筋,海洋结构中通常会增加混凝土的保护层厚度来延缓钢筋被侵蚀的时间。这种做法允许离子侵入构件表面并使得表面的混凝土劣化,但是离子很难深入到钢筋的位置,钢筋也就得以保全。

  除此之外,为防止钢筋生锈,也会在混凝土中添加亚硝酸盐、有机胺等阻锈剂防止钢筋生锈。总之,只要钢筋不软,海洋结构就永远硬!

  防腐大法四:替代材料法

  有些工程师的头脑更加活泛:既然钢材和混凝土这些传统材料都不防腐,那为何不选用些防腐的材料呢?

  那么什么材料最防腐?

  塑料!

  当然,普通的塑料是不行的,要采用那些强度特别高、性能特别优秀但还不能太贵的复合材料。例如乙烯基树脂、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维以及不是塑料、胜似塑料的玻璃纤维、碳纳米纤维等。对这些材料进行胶合、压模之后,就可以制成“FRP钢筋”应用于建筑材料之中。这些高分子材料虽然比较昂贵,但防腐性能绝对一流,强度也不比钢材低。

图中这些长得像钢筋的东西就是由有机高分子材料制成的耐腐蚀“FRP钢筋”,防腐性能绝对一流

  除了制成加固筋以外,高分子材料也可以编织成网,应用于建筑结构的表面。它可折可弯,一贴就灵,也不需要大型施工设备来帮忙,既可以应用于原始结构当中,又可以用于既有建筑物的修复,真可谓优秀的建筑材料。

  更可贵的是,这种材料便于大批量生产,造价也可以被产量平摊。因此,这种材料在船舶、港口、桥梁等工程中的应用十分广阔。

  缺了“毒性”涂料,你的大桥还是药丸!

  讲到这里,几种主流的海洋桥梁防腐措施就已经跟大家讲了个八九不离十。但是别忘了,还有一种材料,它既不怎么环保,也不能保护钢筋,可是这种材料却非常重要。不论是在船底,还是在桥墩的水面以下部分,可以说如果没有这种涂料,我们以上所做的工作恐怕都要打个折扣。它就是以有机锡为代表的一类“毒性”涂料。

  它有什么用呢?

  它的用途就是,如果没有它,你的大桥上就会长满……怎么说呢……

  “海鲜”。

  如果长此以往,附近的渔民伯伯可能会发一笔小财,但你的大桥恐怕药丸。

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  编辑| 于冉帝

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