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港珠澳大橋通車,耐久性技術保護超級工程
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港珠澳大橋通車,耐久性技術保護超級工程

【摘要】:
0月23日,世界最長的跨海大橋港珠澳大橋通車。除了是世界最長的大橋,港珠澳大橋的設計標準更是打破了國內通常的“百年慣例”,制定了120年設計標準。這其中,由中國科學院金屬研究所自主研發的“SEBF/SLF高性能涂層加犧牲陽極”聯合防護技術功不可沒。中科院金屬所耐久性防護與工程化課題組負責人李京研究員告訴記者:“我們完成了大橋基礎鋼管復合樁防護涂層工藝設計、陰極保護系統設計、原位腐蝕監測系統設計等,

0月23日,世界最長的跨海大橋港珠澳大橋通車。除了是世界最長的大橋,港珠澳大橋的設計標準更是打破了國內通常的“百年慣例”,制定了120年設計標準。這其中,由中國科學院金屬研究所自主研發的“SEBF/SLF高性能涂層加犧牲陽極”聯合防護技術功不可沒。



中科院金屬所耐久性防護與工程化課題組負責人李京研究員告訴記者:“我們完成了大橋基礎鋼管復合樁防護涂層工藝設計、陰極保護系統設計、原位腐蝕監測系統設計等,研制出用于大橋混凝土結構用的新一代高性能環氧涂層鋼筋,并參與大橋基礎的防腐涂裝施工,保障了港珠澳大橋基礎120年耐久性設計要求。”

中科院金屬所材料耐久性防護與工程化研究始于20世紀90年代,20多年來先后開展了重防腐涂裝技術基礎和應用研究與開發和生產,開發出SEBF熔融結合環氧粉末涂料和SLF高分子復合涂料,生產規模年產可達千噸;研究成功設計了國內首例萬噸埋地管全自動內外涂裝生產線和中小型涂裝生產線,已在全國安裝8條;建立快速固化、常規熱固化和常溫固化三類涂裝工藝;主持編制《熔融結合環氧粉末涂料的防腐蝕涂裝》、《無溶劑環氧液體涂料的防腐蝕涂裝》國家標準,參加編制《管道、設備防腐蝕設計與施工》國家建筑標準設計圖集,獲得專利50多項。

該項技術成果已經在秦山核電站海水冷卻回路系統、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。

雖然歷經了國內多項大型工程的考驗,但針對120年的設計要求,此前原有的跨海大橋耐久性設計方案已不能滿足需求,這對中科院金屬所科研人員提出了新的挑戰。

港珠澳大橋的基礎防護工程主要是對鋼管復合樁的防腐施工,鋼管樁位于海泥環境中,防腐涂層的破壞方式主要來源于打樁過程中的機械損傷、泥砂碎石磨劃傷和泥下腐蝕因素的長期侵蝕、性能衰退等。

李京告訴記者,針對港珠澳大橋特定的海泥環境,從大橋論證時起課題組就開展了相關涂層的研發工作,先后從涂層的抗滲透性、耐陰極剝離性等關鍵性能指標著手,研制新型涂料,解決涂層的耐久性問題。科研人員通過調整涂層配方和改善涂裝工藝,降低了涂層的吸水率和溶出率,有效提高了涂層的抗滲透能力,增強了涂層與金屬的粘結強度。

120年耐久性設計要求僅僅依靠涂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,使金屬結構處于被保護狀態。

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復合樁均位于混凝土承臺下的海泥中,如何實施陰極保護沒有先例可鑒。

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后陰極保護面臨的難題,采取巧妙方法,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,并將此作為類似工程陰極保護設計的一種手段,有效解決了復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,并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,隨后在港珠澳大橋址實地進行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,即新型陰極保護方式能滿足大橋基礎的防護要求。

為讓用戶相信陰極保護確實能保護海泥下的基礎鋼管復合樁,在模擬實驗后,科研人員采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。采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涂層鋼筋技術,專家鑒定認為其技術性能超過現有國內外相關涂層鋼筋的技術指標,在同類產品中處于國際領先水平,可滿足港珠澳大橋工程需求。港珠澳大橋的設計和建設過程,均采用了中科院金屬所研制的高性能涂層鋼筋技術及標準。混凝土中鋼筋不受腐蝕,混凝土的強度也就有了保證。正是應用了以上綜合技術,才使港珠澳大橋達到120年的設計標準。

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