1 大橋所處的腐蝕環(huán)境

 

杭州灣跨海大橋北起浙江海鹽縣境內(nèi)鄭家埭，向南跨乍浦港規(guī)劃港池、北航道、南航道、經(jīng)南岸灘涂區(qū)，跨慈溪十塘，經(jīng)九塘、八塘后到達(dá)大橋終點慈溪境內(nèi)的水路灣，全長 36km，其中橋梁長 35.673km，為當(dāng)今世界上最長的跨海大橋。大橋設(shè)計使用年限 100 年，主體結(jié)構(gòu)除南、北航道橋為鋼箱梁外，其余均為混凝土結(jié)構(gòu)。工程所處的杭州灣是世界三大強(qiáng)潮海灣之一，風(fēng)浪大，潮差高，海流急。海水實測 Cl- 含量在 5.54~15.91g/L 之間，為 pH 值大于 8的弱堿性 Cl-Na 型咸水。受潮汐和地形影響，海潮流速較大，平均最大流速在3m/s 以上。海水含砂量較大，實測含砂量為 0.041~9.605kg/m 3 。

Cl - 的腐蝕是影響當(dāng)?shù)鼗炷两Y(jié)構(gòu)耐久性的主導(dǎo)因素。大橋附近的某港口10 萬噸級礦石中轉(zhuǎn)碼頭，建成時是全優(yōu)工程，使用僅 11 年后就因 Cl - 侵蝕而導(dǎo)致鋼筋銹蝕，樁帽、水平撐普遍順筋脹裂，某些部位厚 4~5cm 的混凝土保護(hù)層內(nèi)水溶性 Cl - 含量達(dá) 0.8% 左右。表 1是杭州灣大橋各部位所處的腐蝕環(huán)境和腐蝕行為。

2 大橋采取的綜合腐蝕控制措施

 

為了使大橋達(dá)到100年的設(shè)計壽命，大橋工程部根據(jù)大橋所處環(huán)境和腐蝕特點，采取了十多種防腐蝕產(chǎn)品技術(shù)和腐蝕監(jiān)測方法，分別為：海工混凝土（耐腐蝕混凝土）、高強(qiáng)耐海水腐蝕鋼、襯板、塑料波紋管、耐腐蝕鋼筋、鋼筋阻銹劑、熱熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）涂層、犧牲陽極陰極保護(hù)、外加電流陰極防護(hù)、金屬噴涂、防腐蝕涂層、達(dá)克羅、除濕系統(tǒng)、滲透性控制模板、腐蝕監(jiān)測體系、現(xiàn)場暴露試驗站等。大橋主要部位的防腐蝕措施和產(chǎn)品主要有：

 

（1）所有混凝土結(jié)構(gòu)均采用海工混凝土（耐腐蝕混凝土）；（2）混凝土箱梁：全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)＋耐腐蝕 PE 管成孔；（3）鋼箱梁：金屬噴涂＋防腐蝕涂層＋除濕機(jī)；（4）承臺、墩座、墩身、索塔：海工混凝土＋耐腐蝕鋼筋＋鋼筋阻銹劑＋防腐蝕涂層＋滲透性控制模板（部分橋墩）＋外加電流陰極保護(hù)（承臺、塔座和下塔柱）；（5）鋼管樁：熱熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）涂層＋犧牲陽極陰極保護(hù)＋腐蝕裕量4mm；（6）鋼索：鋼絲鍍鋅外加熱擠塑高密度聚乙烯（PE）護(hù)套和發(fā)泡塑料填充。（7）球型支座：高強(qiáng)耐海水腐蝕鋼＋金屬噴涂＋重防腐涂層＋不銹鋼板包覆＋油布防塵。具體防腐蝕措施詳見附件。

3 評析

 

（1）杭州灣跨海大橋的建設(shè)單位從大橋全壽命時間內(nèi)考慮建設(shè)和維護(hù)成本，通過將多種腐蝕控制措施聯(lián)合應(yīng)用，提高了大橋的耐久性，并降低了大橋整個壽命期內(nèi)的總成本。這在我國大型工程上是具有突破性意義的。

（2）大橋的防腐蝕工程在招投標(biāo)、理念、技術(shù)等幾個方面都有突破。在招投標(biāo)上，一改由施工單位或承包單位對防腐蝕工程進(jìn)行設(shè)計和招標(biāo)的方式，改由建設(shè)單位直接招標(biāo)，使大橋的腐蝕控制措施更全面、合理；在防腐蝕理念上，由被動防腐蝕改為主動監(jiān)測，主動控制腐蝕，建立了耐久性動態(tài)無損監(jiān)測和評估系統(tǒng)以及耐久性暴露試驗站，對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況進(jìn)行跟蹤，對防腐蝕實際效果進(jìn)行驗證和參數(shù)校核，同時為后續(xù)工程和制訂規(guī)范提供經(jīng)驗和數(shù)據(jù)；在技術(shù)上，所有混凝土全部采用低水膠比雙摻耐腐蝕混凝土（用量超過 210 萬噸），大規(guī)模使用環(huán)氧鋼筋和鍍鋅鋼筋等耐腐蝕鋼筋，按混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速非穩(wěn)態(tài)電遷移實驗方法來規(guī)定混凝土抗氯離子滲透性，計算各結(jié)構(gòu)部位的最小保護(hù)層厚度，在我國首次將外加電流陰極防護(hù)技術(shù)應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)上，首次將三層熱熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層應(yīng)用于鋼管樁工程。

（3）杭州灣大橋是我國首個應(yīng)用陰極防護(hù)技術(shù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，使用面積 7090.8m 2 。陰極保護(hù)技術(shù)作為防止 Cl - 腐蝕的最有效措施，在國外的大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中已得到廣泛使用，如悉尼歌劇院、珍珠港海軍基地、東京 ohi 港等都使用了該技術(shù)，而比陰極保護(hù)技術(shù)成本更低的陰極防護(hù)技術(shù)，自1990 年首次應(yīng)用之后，到 1999 年已經(jīng)被全世界超過 130 萬平方米的海工結(jié)構(gòu)上采用。國內(nèi)的陰極保護(hù)技術(shù)還主要用于石油、化工等少數(shù)幾個領(lǐng)域，亟需推廣，尤其在海工結(jié)構(gòu)和我國北方已遭受“鹽害”威脅的橋梁中應(yīng)廣泛應(yīng)用。

（4）由于斜拉橋的鋼梁和索塔在服役過程中基本上不可能更換，而鋼索則更換費用高昂且技術(shù)難度大，需要中斷交通，因此斜拉橋腐蝕控制的重點是鋼箱梁、斜拉索和索塔。如 2001 年 11月宜賓南門大橋局部垮塌事故和 1995年 5 月廣州海印橋鋼索斷裂事故，都是由于鋼索腐蝕所致，發(fā)生事故時兩橋投入使用均未滿 10 年。杭州灣大橋?qū)ψ鳛闃蛄褐黧w結(jié)構(gòu)的鋼箱梁和索塔的耐久性非常重視，綜合采用了多種腐蝕控制措施。對斜拉索，由于設(shè)計時就計劃在使用 30 年后進(jìn)行更換，因此僅采用了單根鋼絲鍍鋅外加熱擠塑高密度聚乙烯（PE）護(hù)套和發(fā)泡塑料填充的方法，具體保護(hù)效果可能還需在使用中進(jìn)行觀察。

（5）工程中所采用的標(biāo)準(zhǔn)反映出我國相關(guān)防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)的不足和缺失，如外加電流陰極防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)《混凝土中鋼筋的陰極保護(hù)》（EN12696-2000），熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層標(biāo)準(zhǔn)采用加拿大國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼管外熔結(jié)環(huán)氧涂層》（CAN/CSA-Z?245.20-M92）及我國的石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（SY/T?0315-97）等。防腐蝕行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還需不斷完善和改進(jìn)。

（6）施工過程中的一些問題反映出我們的防腐蝕施工有待進(jìn)一步精細(xì)化。如在耐腐蝕鋼筋的運輸和施工過程中破壞了表面涂層，影響了鋼筋的耐腐蝕性能；又如施工后對承臺底板與鋼管樁間的絕緣情況進(jìn)行抽檢，發(fā)現(xiàn) 13 個被抽檢鋼管樁中有 4 個絕緣措施失效，失效率超過 30％。

（7）鋼管樁與承臺底板之間的絕緣材料采用的是 1cm 厚的氯丁橡膠耐磨膠皮，但該膠皮能否在 100 年的設(shè)計壽命內(nèi)不發(fā)生老化而有效絕緣目前尚不得而知。

（8）值得特別注意的是，杭州灣跨海大橋所處的腐蝕環(huán)境不存在凍融破壞，同時，混凝土中性化、堿骨料反應(yīng)、硫酸鹽侵蝕、海洋生物及海流沖刷等對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響也不大，并且該地區(qū) Cl - 含量不算高。因此我國其它地區(qū)，尤其是北方地區(qū)的海工結(jié)構(gòu)不能照搬杭州灣大橋的腐蝕控制數(shù)據(jù)，而應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的腐蝕環(huán)境，采取適合的保護(hù)措施并制定更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

附件 1：杭州灣跨海大橋所采用的綜合防腐蝕措施

 

1 海工混凝土（耐腐蝕混凝土）

 

杭州灣大橋?qū)⑾拗坡入x子擴(kuò)散系數(shù)和設(shè)置合理的鋼筋保護(hù)層，作為保證大橋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 100 年設(shè)計使用年限的基本措施。所采用的海工耐久混凝土，主要以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為控制參數(shù)，在原材料遴選方面，主要考慮使混凝土具備高抗氯離子擴(kuò)散能力、高抗裂性能、高工作性能。

大橋的混凝土結(jié)構(gòu)均以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為核心控制指標(biāo)，采用低水膠比的雙摻高性能混凝土，并根據(jù)結(jié)構(gòu)部件、設(shè)計要求、腐蝕環(huán)境的不同，制定了不同的配合比設(shè)計原則和質(zhì)量要求。

2 高強(qiáng)耐海水腐蝕鋼

 

大橋支座的底板、上座板、檔塊、過渡板、球冠襯板、中間鋼襯板等關(guān)鍵部位采用高強(qiáng)耐海水腐蝕鋼。通過在鋼中加入 Mn、Ni、Mo 等元素，提高鋼的耐海水腐蝕能力。

3 襯板

 

大橋支座在摩擦面上設(shè)置了高彈性材料制作的預(yù)壓緊、隨動式密封裝置，使平面摩擦副和轉(zhuǎn)動摩擦副始終保持在密封狀態(tài)，防止氣態(tài)及液態(tài)物質(zhì)進(jìn)入，提高防腐蝕性能。同時采用球冠襯板包覆不銹鋼板技術(shù)，提高轉(zhuǎn)動摩擦副的防腐蝕能力。

4 塑料波紋管

 

大橋的混凝土箱梁采用全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，孔道的不密實極易造成高應(yīng)力狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕。

為增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力孔道壓漿的密實性，提高耐久性，在大橋的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁上采用了耐腐蝕、密封性能好的 PE波紋管，配合使用真空輔助壓漿技術(shù)。

5 環(huán)氧涂層鋼筋和鍍鋅涂層鋼筋

 

大橋處于浪濺區(qū)的現(xiàn)澆墩身采用了環(huán)氧涂層鋼筋。處于大氣區(qū)的橋面防撞欄桿底座和處于浪濺區(qū)的預(yù)制墩承臺采用了鍍鋅涂層鋼筋。

所采用的墩身 Φ25 主鋼筋采用閃光對焊連接，閃光對焊后，清除被焊接所破壞部位的雜物并采用環(huán)氧樹脂涂層進(jìn)行修補(bǔ)；主筋同承臺連接筋之間采用機(jī)械冷擠壓接頭，接頭套筒在使用前按規(guī)定涂上環(huán)氧樹脂涂層，擠壓連接完成后，套筒表面被破壞的部分也需進(jìn)行修補(bǔ)。

環(huán)氧涂層鋼筋在搬運、加工、焊接、架立過程中造成的涂層損傷，需在損傷后 2 小時內(nèi)修補(bǔ)。修補(bǔ)涂層厚度不小于180μm。鍍鋅涂層鋼筋的損傷處也要及時進(jìn)行修補(bǔ)。在表面處理后，可采用刷涂方式將鍍鋅涂層均勻涂裝上。

6 鋼筋阻銹劑

 

杭州灣跨海大橋處于潮差區(qū)的承臺和浪濺區(qū)的墩身部位使用了摻入型鋼筋阻銹劑。

7 熱熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）涂層

 

大橋鋼管樁位于浪濺區(qū)的部分采用三層熱熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層（具有防紫外線功能），位于潮差區(qū)和水下區(qū)的部分采用雙層熱熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層，位于泥下區(qū)的鋼管樁采用單層熱熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層。對于鋼管樁外防腐層的缺陷，采用雙組分無溶劑液體環(huán)氧涂料進(jìn)行修補(bǔ)。

 

 

8 犧牲陽極陰極保護(hù)

 

 

大橋鋼管樁在使用熱熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層的同時，配合使用了犧牲陽極陰極保護(hù)。所使用的陽極為鐲型鋁合金犧牲陽極，以每個墩臺作為一個電連接單元。

由于大橋水中鋼筋混凝土承臺采用鋼套箱作模板進(jìn)行施工，拆除鋼套箱模板后其底板仍然作為承臺的一部分留在封底混凝土中，為了使鋼模板對鋼管樁的陰極保護(hù)沒有影響，需要確保鋼套箱底板與鋼管樁絕緣，即保持非電連接。

因此，在連接鋼管樁與鋼套箱底板時，采用兩個半圓形的鋼板（即抱箍）進(jìn)行連接，在抱箍內(nèi)側(cè)加入一層 1cm 厚的氯丁橡膠耐磨膠皮以起到絕緣作用。

抱箍制作好后，用膠水將耐磨膠皮與抱箍粘結(jié)在一起，以膠帶紙固定好。

在每個電連接單元中，預(yù)先用一根銅柱與墩臺中各鋼管樁連接，并引出至混凝土承臺上方。這樣，只需測量該銅接頭與鋼底板之間的電阻，就能夠知道鋼管樁與底板之間的電阻，從而確定鋼管樁與鋼套箱底板之間是否存在電連接。如果保持絕緣狀態(tài)，則按照鋼管樁面積計算得出的犧牲陽極數(shù)量可以滿足陰極保護(hù)的需要，若存在電連接，就需要重新進(jìn)行絕緣或適當(dāng)增加犧牲陽極的數(shù)量。

9 外加電流陰極防護(hù)

 

杭州灣跨海大橋的南、北航道橋主墩承臺、塔座及下塔柱處于潮差區(qū)和浪濺區(qū)，采用了外加電流陰極防護(hù)（該部位原計劃采用環(huán)氧鋼筋，后經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，認(rèn)為在不過多增加費用的前提下，外加電流陰極防護(hù)系統(tǒng)具有更多優(yōu)勢，因此，用外加電流陰極防護(hù)代替了環(huán)氧鋼筋）。

大橋在外加電流陰極防護(hù)中，根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境將橋梁結(jié)構(gòu)分成不同區(qū)，以便于監(jiān)控不同位置電流和電壓的輸出。如將北航道橋分成五個區(qū)域，分別是：（1）承臺底部以上 0.2m 至承臺頂面以下 3m 高度范圍的承臺表面；（2）承臺頂面以下 3m 至承臺頂面高度范圍的承臺表面；（3）承臺頂面；（4）承座表面和塔座頂面；（5）塔柱表面。

外加電流陰極防護(hù)指的是對尚未發(fā)生腐蝕的新結(jié)構(gòu)采取外加電流進(jìn)行陰極預(yù)防。陰極預(yù)防相對于陰極保護(hù)的最大優(yōu)點就在于只需要一個很小的電流就能夠防止鋼筋點蝕的發(fā)生，而不需要使用一個較大的電流來防止正在進(jìn)行的腐蝕。通常對鋼筋進(jìn)行陰極保護(hù)所需的正常電流為 10mA/m 2 ，而陰極預(yù)防所需的電流僅為 1 ～ 2mA/m 2 。此外，采用陰極預(yù)防，輔助陽極的尺寸可以減小，陽極之間的距離可以增大，這使得陰極預(yù)防的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陰極保護(hù)。

10 金屬噴涂＋涂裝

 

杭州灣跨海大橋的鋼箱梁表面采用大功率二次霧化電弧噴鋁，環(huán)氧底漆封閉，面層為氟碳涂料。

在大橋支座上，采用鋁鎂合金氧乙炔亞音速火焰噴涂。采用合金噴涂的效果要優(yōu)于單種金屬噴涂，由于杭州灣大橋處于酸雨地區(qū)，因此未采用鋅鋁合金而采用了鋁鎂合金。

11 防腐蝕涂層

 

杭州灣跨海大橋海中承臺以上混凝土結(jié)構(gòu)采用封閉型涂裝體系進(jìn)行表面涂裝，涂層設(shè)計使用年限為 20 年。

承臺為表濕區(qū)，采用具有濕固化和快固結(jié)性能的涂料，干膜平均厚度400μm；梁部結(jié)構(gòu)和墩身為表干區(qū)，采用耐候性、保光和保色性能良好的涂料，干膜平均厚度 350μm；索塔區(qū)干膜平均厚度 350μm。

表濕區(qū)涂裝體系為：（1）底層：

濕固化環(huán)氧樹脂封閉漆（≤50μm）；（2）中間層：濕固化環(huán)氧樹脂漆（<310μm）；（3）面層：丙烯酸聚氨酯面漆（90μm）。

表干區(qū)涂裝體系為：底層：環(huán)氧樹脂封閉漆（≤ 50μm）；（2）中間層：環(huán)氧樹脂漆（<260μm）；（3）面層：

丙烯酸聚氨酯面漆（90μm）。索塔區(qū)涂裝體系為：底層：環(huán)氧樹脂封閉漆（≤ 50μm）；（2）中間層：環(huán)氧樹脂漆（<280μm）；（3）面層：氟碳面漆（70μm）。

此外，混凝土中的金屬預(yù)埋件要首先涂一層環(huán)氧富鋅底漆和一層環(huán)氧中間漆，其范圍為從伸入混凝土內(nèi) 100mm處起至露出混凝土外的所有表面。

對于鋼箱梁、斜拉索鋼錨箱等不易維護(hù)且難以替換的重要鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，設(shè)計使用壽命按 100 年考慮。鋼箱梁內(nèi)部采用醇溶性無機(jī)硅酸鹽富鋅車間底漆、改性環(huán)氧耐磨漆，并布置除濕系統(tǒng)，風(fēng)嘴內(nèi)部采用醇溶性無機(jī)硅酸鹽富鋅車間底漆、醇溶性無機(jī)富鋅底漆、環(huán)氧厚漿漆、環(huán)氧面漆；大橋橋面采用醇溶性無機(jī)硅酸鹽富鋅車間底漆、環(huán)氧富鋅漆。

12 達(dá)克羅

 

大橋支座的錨固螺栓、上下鋼套筒、墊圈及各種緊固螺栓由于金屬噴涂厚度大，強(qiáng)度不能滿足緊固件要求，不宜采用金屬噴涂方式，采用了達(dá)克羅（DACROMET）技術(shù)。

達(dá)克羅是一種的耐腐蝕涂層，其本質(zhì)是鋅鉻涂層。與傳統(tǒng)的電鍍鋅相比，達(dá)克羅耐腐蝕性能極強(qiáng)，是鍍鋅的7 ～ 10 倍，無氫脆性，特別適用于高強(qiáng)度受力件和高溫構(gòu)件。達(dá)克羅技術(shù)近年來在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展，但由于含有有毒的鉻，歐美日本等發(fā)達(dá)國家基本已經(jīng)不再繼續(xù)開發(fā)達(dá)克羅技術(shù)。

13 除濕系統(tǒng)

 

杭州灣跨海大橋的鋼箱梁箱內(nèi)以及南、北航道橋分別安裝 4~8 臺除濕機(jī)，保證箱內(nèi)相對濕度小于 50%，以減緩鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。

14 滲透性控制模板

 

大橋海上預(yù)制和現(xiàn)澆墩及南灘涂引橋部分橋墩應(yīng)用了滲透性控制模板。

滲透性控制模板的襯墊是一種無紡纖維，能把剛?cè)肽５幕炷帘砻娑嘤嗟目諝夂退懦觯够炷帘砻嫠z比降低，同時可確保混凝土在養(yǎng)護(hù)期間保持高濕度，將裂縫風(fēng)險減到最小，大幅提高混凝土表面的密實度和強(qiáng)度，有效防止鋼筋腐蝕。據(jù)稱，滲透性控制模板與海工混凝土配合使用后，C35 混凝土根據(jù)回彈試驗結(jié)果推定可達(dá)到 C60。

15 腐蝕監(jiān)測體系

 

為掌握大橋混凝土結(jié)構(gòu)脫鈍前鋒面的發(fā)展進(jìn)程，確認(rèn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性防護(hù)措施的有效性，對大橋的使用性能和壽命進(jìn)行可靠的預(yù)測和評估，杭州灣跨海大橋設(shè)置了預(yù)埋式耐久性監(jiān)測系統(tǒng)。

梯形陽極混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋式耐久性無損監(jiān)測系統(tǒng)可以建立脫鈍前鋒面發(fā)展進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型，而且這個模型能夠不斷得到新反饋信號的校正。然后通過擬合得到鋼筋開始出現(xiàn)腐蝕的年限，如果該年限小于設(shè)計使用年限，就可以對結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行再設(shè)計，及時啟動腐蝕保護(hù)預(yù)案，并繼續(xù)對前鋒面的進(jìn)展進(jìn)行監(jiān)測，以確認(rèn)腐蝕保護(hù)措施的效果。如果采取措施后出現(xiàn)腐蝕的年限仍小于設(shè)計使用年限，那么在工程進(jìn)入腐蝕階段就有必要采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施。

杭州灣跨海大橋工程設(shè)置的預(yù)埋式耐久性監(jiān)測系統(tǒng)的主要工作包括：（1）使用同種原材料，模擬實際環(huán)境，利用實驗室測試數(shù)據(jù)，建立了可靠的考慮應(yīng)力、溫度、濕度影響的鋼筋腐蝕電化學(xué)參數(shù)和輸出光功率變化的脫鈍判據(jù)；（2）完成海洋環(huán)境鋼筋脫鈍對比傳感器和電極的集成、率定和調(diào)試；（3）編制測量數(shù)據(jù)管理、鋼筋腐蝕風(fēng)險評估和結(jié)構(gòu)使用年限推算程序。

16 現(xiàn)場暴露試驗站

 

大橋的現(xiàn)場暴露試驗站是在大橋使用環(huán)境下建立的一個試驗平臺，位于海中平臺下方。其目的是為了獲取大橋?qū)嶋H混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境作用下的耐久性實際參數(shù)，驗證各種防護(hù)措施的有效性和局限性，為其他類似后續(xù)工程提供經(jīng)驗，也為國家規(guī)范的下一步修訂提供第一手資料。

同時，通過暴露站實際使用環(huán)境和人工模擬環(huán)境中混凝土試件的對比分析，建立兩者之間的聯(lián)系，從而實現(xiàn)利用快速人工模擬試驗的結(jié)果推測杭州灣跨海大橋?qū)嶋H使用性能和壽命的目標(biāo)。

現(xiàn)場暴露試驗的研究內(nèi)容包括：（1）分析現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測模型，選擇適用于杭州灣跨海大橋的模型并進(jìn)行壽命預(yù)測；（2）暴露試驗場混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性試驗研究與分析，從現(xiàn)場暴露試驗結(jié)構(gòu)中取樣，進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)的耐久性參數(shù)檢測；預(yù)埋大橋使用的梯形陽極系統(tǒng)，驗證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性；（3）檢測混凝土中的氯離子分布，實測混凝土抵抗氯離子擴(kuò)散的能力，實測實際環(huán)境下鋼筋腐蝕的臨界氯離子含量和鋼筋腐蝕速度。

附件 2：鋅加防腐鋼筋在杭州灣跨海大橋的施工

 

杭州灣跨海大橋預(yù)制墩身承臺預(yù)埋筋外露鋼筋全部涂裝鋅加，涂裝部分深入承臺砼 10cm；橋面防撞護(hù)欄底座預(yù)埋筋外露鋼筋全部涂裝，涂裝部分深入箱梁砼 5cm。

1 鋅加鋼筋的施工工藝簡介

 

1.1 表面處理

 

（1）所有待涂裝的預(yù)埋鋼構(gòu)件表面均應(yīng)清潔、去除氧化皮、油、脂、疏松顆粒及其它污染物。表面均應(yīng)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB8923-88 進(jìn)行噴砂 Sa2.5 級處理，表面粗糙度至少為 50-70μm。噴砂后用清潔的壓縮空氣將灰塵除盡。

（2）如果無條件噴砂，則可以采用人工打磨方法，徹底去除氧化皮和嚴(yán)重的銹斑，人工打磨至 GB?8923-88 標(biāo)準(zhǔn) St2 級或 St3 級，接著清潔表面建議采用潔凈的壓縮空氣吹掃干凈。

1.2 涂裝施工

 

（1）刷涂、滾涂：

鋅加單組分包裝，開罐直接使用，一般不必稀釋。

由于鋅加內(nèi)含有較高的鋅粉，所以在使用前必須需充分?jǐn)嚢瑁ⅲL）涂每隔 10-15 分鐘攪拌一次。

（2）空氣噴涂及高壓無氣噴涂噴涂鋅加需充分?jǐn)嚢瑁厰嚢柽吺┕ぃ仨毷褂酶讳\涂料專用的高壓無氣噴涂機(jī)。選擇噴嘴的有關(guān)參數(shù)：孔徑0.63mm、流量 2.3L/min、噴幅 25cm、噴涂壓力8.0-12.0MPa， 如 GRACO?163-225 或長江 023Z25 等。噴涂時需添加 10% 左右的鋅加專用稀釋劑。

（3）鋅加涂裝環(huán)境要求鋅 加 施 涂 溫 度 范 圍：-10 至 ＋50℃，允許在相對濕度大于 85％條件下施工；噴涂二小時后，鋅加涂層就不會被大雨沖刷掉，鋅加之間涂層間涂裝間隔為 1 小時。

與其他面涂間隔時間為 2-8 小時，硬干為 48 小時。

2 人工涂裝工藝

 

未涂裝的鋼筋→表面處理及清潔（噴砂達(dá)到 Sa2.5 級后清潔表面）→無氣噴涂、有氣噴涂或刷涂（涂裝鋅加35μm）→干燥固化→檢查及補(bǔ)涂鋅加→現(xiàn)場安裝

 

2.1 施工中易出現(xiàn)的問題

 

一是鋼筋表面處理根本沒有做或者做得不夠好，這樣鋼筋表面存在較多的黑灰、氧化皮和浮銹沒有清除干凈，鋅加等于涂裝在松落的黑灰、氧化皮和浮銹上面，經(jīng)海水浸泡和沖刷下這樣造成鋅加涂層脫落而發(fā)生銹蝕。

二是存在較嚴(yán)重的漏涂現(xiàn)象，尤其是在鋼筋彎角的部分漏涂部分很多，造成沒有鋅加保護(hù)而發(fā)生銹蝕。

三是稀釋劑加入過多，造成涂裝鋅加膜厚太薄沒有達(dá)到工藝要求的 30-40μm。

2.2 解決措施

 

（1）嚴(yán)格按工藝要求對新舊鋼筋都要進(jìn)行表面處理，這樣比較徹底地去除黑灰、氧化皮，為了提高鋼筋表面處理工作效率和質(zhì)量，建議全部采用電動砂磨機(jī)進(jìn)行人工打磨處理，施工單位認(rèn)真做好鋼筋表面處理工作，將鋼筋表面的氧化皮和浮銹要徹底去除干凈，只有表面處理合格后才可做涂裝鋅加。

（2）施工單位最好采用刷涂方法，認(rèn)真仔細(xì)涂裝鋅加一道，要求均勻涂裝，同時盡量避免出現(xiàn)漏涂現(xiàn)象，加強(qiáng)自我檢查，對于漏涂處應(yīng)該立即進(jìn)行補(bǔ)涂。

（3）承臺預(yù)埋鋼筋的施工單位建議盡量協(xié)調(diào)預(yù)埋鋼筋在陸地上進(jìn)行除銹涂裝，檢查合格后運輸?shù)胶Ｉ线M(jìn)行安裝，在運輸安裝過程中產(chǎn)生的破損處應(yīng)該立即進(jìn)行補(bǔ)涂。

3 鋅加鋼筋的質(zhì)量驗收

 

（1）檢驗批：承臺預(yù)埋筋以每個承臺為一批，橋面防撞欄預(yù)埋筋以每片梁為一個批；

 

（2）表面處理：目測待涂裝鋼筋表面的清潔度是否達(dá)到GB8923-88 標(biāo)準(zhǔn)的 St2 級要求，全部構(gòu)件進(jìn)行目測檢查；

 

（3）涂層外觀質(zhì)量檢查：按GB50205-2001標(biāo)準(zhǔn)14.2.3條，鋼筋表面不應(yīng)誤涂、漏涂，涂層均勻不應(yīng)有脫皮和返銹，全部鋼筋目測檢查。

（4）膜厚質(zhì)量：用干膜磁性測厚儀按GB50205-2001 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，每個批取 3 根鋼筋，每根鋼筋檢測 10 處，每根檢測鋼筋至少保證 7 處涂層干膜厚度不小于 30μm；

 

（5）涂層粘結(jié)強(qiáng)度：在施工前，按 GB50152-92 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度試驗，鋅加涂層鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度不小于沒有涂裝鋅加鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的80%。

附件 3：杭州灣跨海大橋海工混凝土的配比和厚度

 

JTJ275-2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》和 CCES?01-2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》中都對混凝土的原材料、配合比、施工等作了規(guī)定，杭州灣跨海大橋工程在參考國內(nèi)外規(guī)范的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了海工耐久混凝土專題研究，制定了《杭州灣跨海大橋混凝土施工技術(shù)規(guī)程》，對海工耐久混凝土的原材料、配合比設(shè)計及工作性能、施工控制等提出了具有特色的控制要求。

 

海工耐久混凝土配制原則包括：選用低水化熱和較低含堿量的水泥；選用高效減水劑（泵送劑），取用偏低的拌合水量；限制混凝土中膠凝材料的最低和最高用量，并盡可能降低膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量；必須摻用粉煤灰、磨細(xì)礦渣等礦物摻合料；潮差區(qū)和浪濺區(qū)侵蝕環(huán)境的混凝土構(gòu)件應(yīng)加入適量摻入型鋼筋阻銹劑；通過適當(dāng)引氣來提高混凝土的耐久性；對混凝土拌合物中各種原材料引入的氯離子總質(zhì)量進(jìn)行控制。進(jìn)行嚴(yán)格控制的還有混凝土澆筑入模時的坍落度等。

 

杭州灣跨海大橋在國內(nèi)首次按混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速非穩(wěn)態(tài)電遷移（RCM）實驗方法，規(guī)定了混凝土抗氯離子滲透性要求。混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù) DRCM 根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)使用年限預(yù)測模型以及所處的腐蝕環(huán)境、鋼筋保護(hù)層厚度等綜合因素確定。

 

實際的混凝土配合比設(shè)計嚴(yán)格按照本橋制定的海工耐久混凝土配制原則進(jìn)行，摻合料的用量均達(dá)到膠凝材料用量的 50% 以上；從性能測試結(jié)果可以看出，混凝土的基本性能和耐久性性能均達(dá)到了預(yù)期的目的，其中決定混凝土耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù) D RCM 也很理想。另外，從試驗的測試結(jié)果和實際應(yīng)用來看，海工耐久混凝土的早期抗裂性能優(yōu)于普通混凝土。

鋼筋保護(hù)層厚度理論上，結(jié)構(gòu)的保護(hù)層越厚，氯離子擴(kuò)散到鋼筋表面的路徑越長，鋼筋表面氯離子積累到臨界濃度時間也越久。但是，保護(hù)層過厚會限制構(gòu)件力學(xué)性能的發(fā)揮，并且不利于對裂縫寬度進(jìn)行控制，因此，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)部位和受力特點，設(shè)置合理的鋼筋保護(hù)層厚度。

杭州灣跨海大橋工程參考國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范，根據(jù)杭州灣的腐蝕環(huán)境、橋梁各部位的受力特點和設(shè)計使用年限，制定了不同部位混凝土的保護(hù)層厚度。

鋼筋保護(hù)層厚度理論上，結(jié)構(gòu)的保護(hù)層越厚，氯離子擴(kuò)散到鋼筋表面的路徑越長，鋼筋表面氯離子積累到臨界濃度時間也越久。但是，保護(hù)層過厚會限制構(gòu)件力學(xué)性能的發(fā)揮，并且不利于對裂縫寬度進(jìn)行控制，因此，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)部位和受力特點，設(shè)置合理的鋼筋保護(hù)層厚度。

杭州灣跨海大橋工程參考國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范，根據(jù)杭州灣的腐蝕環(huán)境、橋梁各部位的受力特點和設(shè)計使用年限，制定了不同部位混凝土的保護(hù)層厚度。

 

附件 4：環(huán)氧粉末涂敷技術(shù)在鋼管樁上的應(yīng)用

 

1 熔結(jié)環(huán)氧防腐涂料的性能

 

熔結(jié)環(huán)氧防腐涂料的每個粉末顆粒，都均勻地包含所有組成成分，使涂敷的操作過程以及涂料成膜后的涂層都具有連續(xù)穩(wěn)定的均勻性。其涂裝工程無三廢污染。

熔結(jié)環(huán)氧防腐涂料經(jīng)熔融結(jié)合涂裝，充分熔化流動，并且流平覆蓋整個鋼管表面，與基體間沒有空隙，完全緊密結(jié)合。更重要的是，在此過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，環(huán)氧粉末樹脂受熱固化交聯(lián)而形成連續(xù)的熱固性聚合物，并且與鋼管也形成了某種程度的化學(xué)結(jié)合。

熔結(jié)環(huán)氧防腐涂層的這種熱固性交聯(lián)分子結(jié)構(gòu)特點及其與鋼管的某種程度的化學(xué)鍵結(jié)合特性，決定了它作為防腐涂層體系的優(yōu)良性能，使之成為世界上已被證明的使用最廣泛的良好防腐蝕體系之一。其特點有：

（1）熔結(jié)環(huán)氧防腐涂層與鋼管基體粘結(jié)性好，抗沖擊，耐劃傷；（2）熔結(jié)環(huán)氧防腐涂層抗?jié)B透性強(qiáng)，耐海生物腐蝕，耐植物根系穿透；（3）熔結(jié)環(huán)氧防腐涂層滿足各種埋地、架空、水下等環(huán)境中對耐腐蝕、耐老化的要求；（4）熔結(jié)環(huán)氧防腐涂層不會屏蔽陰極保護(hù)電流，抗陰極剝離性好；（5）加工方便，效率高，可全天候生產(chǎn)；（6）涂層修補(bǔ)簡單，可隨時隨地及時修復(fù)；（7）環(huán)保，無三廢排放，涂層可達(dá)到食品飲用等級。

2 杭州灣大橋鋼管樁采用的熔結(jié)環(huán)氧防腐

 

涂杭州灣大橋鋼管樁所采用的熔結(jié)環(huán)氧防腐涂層體系結(jié)構(gòu)由裸管、FBE（熱熔結(jié)環(huán)氧粉末）底涂層、改性的 FBE 中間層和耐紫外線外層 FBE 組成，如圖。

 

3 生產(chǎn)工藝及設(shè)備布置

 

針對鋼管樁加工的特點，在生產(chǎn)線的設(shè)計過程中，采用了一字型串聯(lián)式的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)，全長共 250m。生產(chǎn)物流為單頭進(jìn)、單頭出，生產(chǎn)線可以根據(jù)鋼管樁頭尾不一致的狀況，自由改變噴涂層類型。所有關(guān)鍵設(shè)備如：預(yù)熱系統(tǒng)、拋丸器、中頻加熱裝置、加熱系統(tǒng)、電機(jī)傳動、空氣壓縮機(jī)、控制系統(tǒng)等都采用備份設(shè)計，以確保生產(chǎn)線生產(chǎn)的連續(xù)性及質(zhì)量的穩(wěn)定性。

（1）生產(chǎn)線的上、下料機(jī)構(gòu)

 

主要負(fù)責(zé)對鋼管樁的平行、平穩(wěn)輸送，設(shè)備分別采用兩套 1000kN 液壓小車傳輸，液壓升降行程為 1000mm，克服了由于鋼管樁的撓度而影響液壓小車的傳輸。

（2）生產(chǎn)線傳輸機(jī)構(gòu)

 

由單套獨立式支撐滾輪系統(tǒng)組合而成，根據(jù)各區(qū)域功能的不同，各滾輪架間距有分別設(shè)置為 1m、2m、3m、5m，以滿足各區(qū)域功能及傳動的要求。滾輪材料為實心耐磨橡膠，減速機(jī)采用同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（3）鋼管外表面除銹前預(yù)熱

 

目的：除濕，使鋼管表面干燥；方法：用燃燒器將氣體進(jìn)行加熱，經(jīng)風(fēng)機(jī)熱循環(huán)將鋼管加熱、除濕，系統(tǒng)由兩套燃燒器熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)組成，以保證生產(chǎn)線能夠全天候24小時生產(chǎn)；要求：管體溫度大于露點3℃，生產(chǎn)時要加熱到 40~60℃；檢測手段：用紅外線測溫儀，目測鋼管表面干燥、不含水分。

（4）鋼管外表面拋丸除銹

 

目的：去除鋼管表面氧化皮，并具有一定粗糙度，提高涂層與基體的結(jié)合力；方法：采用高速拋頭將鋼丸及鋼砂按比例均勻拋出，打擊鋼管表面，將鋼管表面銹層除去，并達(dá)到一定的錨紋深度；設(shè)備：表面清理采用兩套下拋式拋丸清理機(jī)串聯(lián)作業(yè)，其特點是變換管徑時，無論鋼管管徑的大小，拋出的鋼丸到鋼管底部表面的距離不變，鋼丸沿鋼管中心線拋出，鋼丸速度和面積最大，清理效果最好。由于每臺拋丸機(jī)采用兩個拋頭，沿鋼管前進(jìn)方向前后安裝，使其清理速度增加，清理效果提高。為保證連續(xù)生產(chǎn)，拋丸機(jī)的拋丸速度按涂裝速度的 1.5 倍考慮，拋丸量為：2×850kg/min；除銹效率為：1m/min；要求：達(dá)到 Sa2.5 級、錨紋深度 40-100μm；檢測方法：目測，用錨紋深度測定儀檢測錨紋深度。

（5）鋼管表面除塵

 

目的：除去鋼管表面灰塵；方法：用強(qiáng)力風(fēng)機(jī)加電動尼龍毛刷吸塵；設(shè)備：一套除塵量為 12000m 3 /h?的工業(yè)除塵器；要求：表面清潔；檢測方法：通過擦拭，目測清潔程度。

（6）中頻加熱

 

目的：加熱鋼管；方法：采用中頻線圈渦流感應(yīng)加熱；設(shè)備：中頻加熱系統(tǒng)選用了雙回路整流系統(tǒng)，以防止在某一回路發(fā)生故障時能夠保證中頻加熱系統(tǒng)半功率運行，中頻冷卻系統(tǒng)也采用了雙回路設(shè)計，而且有自動補(bǔ)償功能，以確保中頻加熱系統(tǒng)安全運行；要求：加熱效率為：1m/min；加熱溫度控制區(qū)間 :160-240℃；檢測方法：用紅外線測溫儀檢測，并用測溫筆予以驗證。

（7）粉末噴涂

 

達(dá)到要求溫度的鋼管，先用第一組20把粉末噴槍噴涂底層環(huán)氧粉末，涂層厚度為：300~600μm，涂層固化時間應(yīng)小于？3min，膠化時間應(yīng)大于12s。

在第一層涂層膠化時間內(nèi)用第二組20把粉末噴槍噴涂第二層具有耐劃傷性能的環(huán)氧粉末，涂層厚度為：600~1000μm。

在第二層涂層膠化時間內(nèi)用第三組？14?把粉末噴槍噴涂第三層具有抗紫外線性能的環(huán)氧粉末，涂層厚度為：800~1000μm。

粘附在預(yù)熱鋼管表面的環(huán)氧粉末受熱熔化并流動，進(jìn)一步流平覆蓋整個鋼管表面，特別是鋼管表面的凹陷處以及焊道兩側(cè)，熔融的涂料流入填平，使涂層與鋼管緊密結(jié)合，最大限度減少空隙。

流平后的涂層進(jìn)一步膠化、固化。根據(jù)不同的生產(chǎn)速度，以及對膠化、固化溫度、時間的要求，有不同類型的粉末與之相對應(yīng)。檢測方法：用紅外線測溫儀監(jiān)測，確保涂層固化溫度。

（8） 水冷

 

為保證生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)速度，采用兩臺大流量的冷卻系統(tǒng)，冷卻水量為 80m 3 /h，水冷段長 10m，保證進(jìn)管溫度不小于 150℃，出管溫度不大于100℃。

（9）涂層質(zhì)量檢測

 

防腐管的表面涂敷質(zhì)量包括檢測防腐管的外觀、厚度、針孔檢漏、留端長度等，由成品管監(jiān)控區(qū)監(jiān)控。為全面檢查防腐層漏點狀況；在作業(yè)線上安裝有在線針孔檢漏儀，在鋼管運動狀態(tài)下可測出漏點，并標(biāo)出相對針孔位置的標(biāo)記；以便鋼管下線到檢測平臺后人工檢測修補(bǔ)。檢漏電壓為 5V/μm。經(jīng)檢驗合格的防腐管進(jìn)入下管平臺下線，不合格管則置于待檢區(qū)域內(nèi)，隨時進(jìn)行處理。該監(jiān)控區(qū)質(zhì)檢人員對涂敷管的管長、管號、數(shù)量、外觀、厚度等進(jìn)行記錄。

（10）外防腐層修補(bǔ)

 

按《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（SY/T0315-97）對涂層進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)用材料為雙組分無溶劑液體環(huán)氧涂料。鋼管表面的補(bǔ)涂區(qū)域在補(bǔ)涂之前必須進(jìn)行除銹，其表面質(zhì)量應(yīng)達(dá)到 St3 級，處理后表面不得有油污及灰塵。

4 關(guān)鍵技術(shù)

 

（1）鋼管表面處理技術(shù)

 

在環(huán)氧粉末涂裝工藝中，鋼管表面處理技術(shù)非常重要，鋼管表面處理效果的好壞直接影響到防腐層的附著力和防腐性能。為保證鋼管表面處理的清理質(zhì)量，選配了預(yù)熱裝置、拋丸除銹、大功率吸塵設(shè)備和鋼管表面吹掃裝置等組成的整套鋼管表面清理系統(tǒng)，從設(shè)備上保證了鋼管表面處理質(zhì)量。在生產(chǎn)過程中，通過添加一定比例的鋼丸及鋼砂，可以使鋼管表面形成的錨紋分布狀態(tài)及錨紋深度達(dá)到理想效果，從而可以大大提高涂層與鋼管基體的結(jié)合力。

（2）溫度控制技術(shù)

 

由于杭州灣大橋采用的鋼管樁為不等壁厚整樁螺旋焊接而成，而鋼管樁長度又非常長，最長達(dá)到 89 米，因此鋼管樁在連續(xù)加熱過程中的累計熱效應(yīng)影響及不同壁厚鋼管區(qū)域加熱功率的變化等難題對溫度控制技術(shù)提出了較高要求。為有效解決這一問題，采用了高效、環(huán)保的大功率中頻加熱設(shè)備。中頻加熱設(shè)備具有加熱效率高、溫度可控性好、相應(yīng)迅速等特點。在實際操作中，通過對鋼管樁的工藝調(diào)試結(jié)果，繪制出加熱性能曲線，中頻加熱裝置根據(jù)加熱性能曲線結(jié)合溫度傳感器檢測結(jié)果進(jìn)行比較、分析、運算、反饋，隨時進(jìn)行中頻加熱輸出功率的調(diào)節(jié)，保證鋼管樁加熱溫度的一致性、平穩(wěn)性。

（3）粉末噴涂

 

環(huán)氧粉末噴涂控制的好壞將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量及成本。由于鋼管樁壁厚、管長，在進(jìn)入噴涂系統(tǒng)的時候，鋼管樁表面的熱量非常高而且持續(xù)時間長，對粉末噴槍及噴涂系統(tǒng)影響非常大，在短時間內(nèi)就可造成噴槍堵塞、噴嘴受熱變形、粉末回收系統(tǒng)中粉末受熱結(jié)塊掉粉等一系列危害噴涂質(zhì)量的現(xiàn)象。現(xiàn)有的國內(nèi)、外各種噴涂及回收設(shè)備都無法滿足此類超厚超長鋼管樁的連續(xù)生產(chǎn)。經(jīng)過對噴涂設(shè)備的改造，將每一把噴槍的槍頭材料都換成聚四氟乙烯并加裝了噴槍空冷裝置及恒溫保護(hù)層，每一組噴槍設(shè)計成自由伸縮結(jié)構(gòu)，使部分未作業(yè)的噴槍間歇性遠(yuǎn)離熱源，保證噴槍涂裝的順暢。對粉末回收裝置進(jìn)行改造，在粉末回收艙外壁加裝冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，使得回收艙內(nèi)壁始終處在一個相對恒溫的狀態(tài)，消除了粉末回收系統(tǒng)中粉末受熱結(jié)塊及掉粉的現(xiàn)象。另外，通過對粉末噴槍結(jié)構(gòu)的合理布置及回收系統(tǒng)回收孔的布置，保證了涂層的質(zhì)量和涂層均勻性。

附件 5：外加電流陰極防護(hù)系統(tǒng)在杭州灣跨海大橋的應(yīng)用

 

1 設(shè)計依據(jù)及技術(shù)要求

 

系統(tǒng)采用歐洲《混凝土中鋼筋的陰極保護(hù)》（EN2696-2000）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

主要技術(shù)要求包括：陽極材料在正常運行的電流密度（鋼筋表面？1~2mA/m 2 ）條件下，保證最少 100 年的使用壽命，從而保證結(jié)構(gòu)鋼筋始終處于陰極狀態(tài)而不發(fā)生銹蝕；充分考慮腐蝕環(huán)境的不同，針對不同區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，采用全自動監(jiān)控系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電量，以確保？100％的電流分布與傳遞，并避免過度保護(hù)形象；采用合適的參比電極，使防護(hù)系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)和長期監(jiān)測。

2 系統(tǒng)組成

 

系統(tǒng)主要包括：活性鈦金屬陽極網(wǎng)條、導(dǎo)電條、水泥墊條、銀／氯化銀以及鈦參比電極、正極電接頭、負(fù)極電接頭、電導(dǎo)線和配件、接線箱、RECON 控制系統(tǒng)、計算機(jī)控制、遙控監(jiān)控管理系統(tǒng)等。系統(tǒng)組裝簡圖如下。

 

3 系統(tǒng)分區(qū)

 

陰極防護(hù)系統(tǒng)根據(jù)需要進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)的目的是用來在結(jié)構(gòu)使用壽命內(nèi)，監(jiān)控結(jié)構(gòu)不同位置電流和電壓的輸出，分區(qū)的依據(jù)是結(jié)構(gòu)不同位置的不同腐蝕環(huán)境（如海浪、大氣和是否長期浸泡）。

根據(jù)暴露環(huán)境的不同，對需要進(jìn)行陰極防護(hù)的三個主塔及承臺進(jìn)行系統(tǒng)分區(qū)。如將北航道橋北塔的陰極防護(hù)系統(tǒng)分區(qū)為：（1）承臺底面以上 0.2m 至承臺頂面以下 3m 高度范圍的承臺表面；（2）承臺頂面以下 3m 至承臺頂面高度范圍的承臺表面；（3）承臺頂面；（4）承座表面和塔座頂面；（5）塔柱表面。

圖 杭州灣大橋的外加電流陰極防護(hù)系統(tǒng)

 

4 關(guān)鍵技術(shù)：RECON 控制系統(tǒng)

 

鈦金屬網(wǎng)陽極和鋼筋陰極的電導(dǎo)線以及測量鋼筋實際電位的參比電極的正負(fù)回路的導(dǎo)線從防護(hù)系統(tǒng)中引出，進(jìn)入RECON?控制系統(tǒng)。

RECON 控制系統(tǒng)一方面作為供電裝置，把外部引入的交流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電，為陰極保護(hù)系統(tǒng)的鈦金屬網(wǎng)陽極和鋼筋陰極提供穩(wěn)定電源；另一方面安裝有控制模塊，采集參比電極測量的鋼筋實際電位數(shù)據(jù)，判斷是否達(dá)到預(yù)設(shè)的保護(hù)電位值，自動增加或減少電流的輸出，直到鋼筋實際電位達(dá)到預(yù)設(shè)的保護(hù)電位。RECON控制系統(tǒng)具有自我控制能力。

大橋中采用的 RECON 控制系統(tǒng)可以接收 140 條參比電極的線路和數(shù)據(jù)，可對整個被保護(hù)區(qū)域進(jìn)行精確的監(jiān)測和控制。

5 計算機(jī)和遠(yuǎn)程控制

 

RECON 控制系統(tǒng)收集到的參比電極數(shù)據(jù)可以通過電話線傳送到現(xiàn)場管理辦公室的安裝有 RECON 系統(tǒng)軟件的終端計算機(jī)上，由現(xiàn)場控制人員定期調(diào)整參數(shù)；也可以通過 SIM 卡無線傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控室，由監(jiān)控人員通過遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)出新的控制指令，傳回到現(xiàn)場 RECON控制系統(tǒng)，更改預(yù)設(shè)程序。

附件 6：犧牲陽極型陰極防護(hù)在杭州灣跨海大橋的應(yīng)用

 

1 設(shè)計思想

 

杭州灣跨海大橋鋼管樁陰極保護(hù)設(shè)計的基本思想采用了全壽命動態(tài)設(shè)計的原則。

全壽命動態(tài)設(shè)計的原則是：為了確保陰極保護(hù)系統(tǒng)能始終有效地發(fā)揮作用，針對陰極保護(hù)系統(tǒng)的 30 年有效使用壽命要求，必須動態(tài)地考慮鋼管樁上高性能熔融結(jié)合環(huán)氧粉末防腐涂層的破損率，分別利用初期陰極保護(hù)電流密度、平均陰極保護(hù)電流密度和末期陰極保護(hù)電流密度計算海水中杭州灣跨海大橋鋼管樁陰極保護(hù)所需要的陽極數(shù)量。從實際計算結(jié)果來看，利用末期陰極保護(hù)電流密度計算出的陽極數(shù)量確實高于利用初期和平均陰極保護(hù)電流密度計算出的結(jié)果，如果不采用針對全壽命的動態(tài)設(shè)計，很有可能在陰極保護(hù)系統(tǒng)使用末期，陽極材料盡管還存在，但卻無法提供足夠的保護(hù)。

2 陽極材料的選擇

 

犧牲陽極型陰極保護(hù)系統(tǒng)，是由一種比被保護(hù)金屬電位更負(fù)的金屬或合金與被保護(hù)的金屬電連接所構(gòu)成。

用于海水中陰極保護(hù)的犧牲陽極材料主要有鋅合金犧牲陽極和鋁合金犧牲陽極。由于鋁的密度低于鋅，而其理論電容量又高于鋅，在輸出電流基本相同的情況下，一塊鋁合金犧牲陽極的重量不到相同尺寸鋅合金犧牲陽極重量的一半，所以，為了減少杭州灣跨海大橋基礎(chǔ)鋼管樁的負(fù)荷，故選用高效鋁合金犧牲陽極。

3 犧牲陽極安裝形式的選擇

 

杭州灣跨海大橋基礎(chǔ)鋼管樁陰極保護(hù)設(shè)計中的一個關(guān)鍵技術(shù)問題是陽極安裝形式的選擇。過去通常的做法是在每個鋼管樁安裝一塊陽極或幾塊陽極，這對于裸鋼管樁或是彼此非電導(dǎo)通的鋼管樁，是非常合理的；在上述兩種情形下，由于缺乏電導(dǎo)通性或是裸的鋼管樁需要很大的保護(hù)電流，致使鄰近的鋼管樁很難得到充分保護(hù)。而對于杭州灣跨海大橋基礎(chǔ)鋼管樁來說，情況與過去有著根本的不同，首先，各個鋼管樁通過承臺內(nèi)的鋼筋實現(xiàn)了彼此間的電連接；其次，杭州灣跨海大橋基礎(chǔ)鋼管樁表面涂有高性能涂層即熔融結(jié)合環(huán)氧粉末復(fù)合涂層，大大擴(kuò)展電流的傳輸范圍。因此，在這種情況下，將每個承臺下面 9 ～ 16根鋼管樁作為一個整體，在其中的幾根鋼管樁上安裝幾組陽極，從而實現(xiàn)對每個承臺下所有鋼管樁的保護(hù)。此外，采用在每個鋼管樁安裝一塊陽極或幾塊陽極的做法，在杭州灣這種惡劣的自然環(huán)境下，很難在 2 年的工期內(nèi)完成所有鋼管樁的陽極安裝任務(wù)；而采用成組安裝陽極的方法，將陽極安裝的工程量大大降低，按期實現(xiàn)項目的竣工。

4 確保最小電位準(zhǔn)則

 

確保杭州灣跨海大橋基礎(chǔ)鋼管樁具有合適的電位分布是陰極保護(hù)設(shè)計中須解決的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。無論是美國腐蝕工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)？NACE?RP?0176-94Corrosion?Control?of?Steel?Fixed?OffshorePlatform?Associatedwith?PetroleumProduction（海上石油開采平臺鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕控制）和挪威船級社標(biāo)準(zhǔn)？DNV?RPB401-1993?Cathodic?Protection?Design（陰極保護(hù)設(shè)計），還是國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) JTJ?230-89《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)定》和 GJBl56-86《港工設(shè)施犧牲陽極保護(hù)設(shè)計和安裝》，都規(guī)定施加陰極保護(hù)后被保護(hù)結(jié)構(gòu)電位應(yīng)該達(dá)到比 -0.80V（相對于海水銀／氯化銀參比電極）或者 -0.85V（相對于銅／飽和硫酸銅參比電極）更負(fù)。

陰極保護(hù)的計算按照美國腐蝕工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn) NACE?RP?0176-94 和挪威船級社標(biāo)準(zhǔn) DNV?RPB?401-1993 進(jìn)行。

當(dāng)計算得出的初期陰極保護(hù)電流密度、平均陰極保護(hù)電流密度和末期陰極保護(hù)電流密度不相等時，為保證陰極保護(hù)的效果，取其最大值。

在杭州灣跨海大橋工程中，共采用了下列3種型號的鐲型鋁合金犧牲陽極：

型號 1：規(guī)格：1200×（650+650）×73；型號 2：規(guī)格：1200×（500+500）×73；型號？3：規(guī)格：1200×（350+350）×73；如對杭州灣大橋？C0 2 下游承臺的 9根 1.5m 直徑的鋼管樁，當(dāng)陰極保護(hù)的設(shè)計壽命為30年時，共需要4組陽極組，每組由 4 支規(guī)格為 1200×（350+350）×73 的鋁 - 鋅 - 銦系合金犧牲陽極組成。

5 犧牲陽極型陰極保護(hù)工程的實施

 

杭州灣跨海大橋鋼管樁所采用的犧牲陽極采用鐲型陽極，由于鋼管樁的管徑較大，因此采用組合形式鐲型陽極。

工程涉及的鋼管樁共有：Φ1.5m共 2520 根，Φ1.6m 共 2624?根，合計5144 根，樁長范圍為 71 ～ 88m。工程共用陽極塊 8496 塊，合計約 800 多噸；預(yù)制和水下安裝陽極組 2124 組，合計約 1226 噸；安裝調(diào)試監(jiān)控系統(tǒng) 20 套，并進(jìn)行饋電系統(tǒng)的焊接、涂層缺陷部位的修復(fù)和總體調(diào)試。

工 程 中， 將 犧 牲 陽 極 安 裝 在 低于歷年最低潮位 300mm 的部位，即-4.34m?以下。為便于對導(dǎo)電連接焊縫進(jìn)行防腐蝕處理，將電連接點設(shè)在標(biāo)高 -0.9~1.3m 處，導(dǎo)電體選用 100mm×100mm×10mm 的角鋼。

為確保工程質(zhì)量，焊接時和做防腐時，海水不能濺到焊縫處，而每個潮期鋼樁露出水的時間很短，必須在很短的時間內(nèi)完成焊接和防腐工作，因此，設(shè)計中采用水下卡環(huán)固定和水上焊接相結(jié)合的方式安裝陽極。水下安裝時不會破壞安裝部位涂層，對于水上焊接破壞了的防腐涂層可以方便地采用涂料進(jìn)行修補(bǔ)，保持涂層系統(tǒng)的完整性。

本工程中陽極組與鋼樁的電聯(lián)接是通過 100mm×100mm×10mm 的角鋼來實現(xiàn)的。角鋼的一端與陽極組的卡環(huán)事先焊接在一起，與陽極組同時預(yù)裝到鋼樁上，其上端與鋼管樁焊在一起，端部的標(biāo)高為 -0.9 ～ -1.3m 左右。采用角焊縫工藝進(jìn)行焊接。按設(shè)計要求，焊腳高度不小于？8mm，長度不小于？100mm，并且該焊縫應(yīng)避開鋼管樁螺旋焊縫，不使焊縫交叉。焊后采用環(huán)氧涂料進(jìn)行防腐，以保持鋼樁涂層表面的完整性，確保防腐效果。

6 鋼管樁與鋼套管底板的絕緣

 

杭州灣跨海大橋水中鋼筋混凝土承臺采用鋼套箱作模板進(jìn)行施工，拆除鋼套箱模板后其底板仍然作為承臺的一部分留在了封底混凝土中。為了減少成本節(jié)約資金，需盡量減少陰極保護(hù)的對象，因此要求作為承臺結(jié)構(gòu)一部分的鋼套箱底板必須與鋼管樁絕緣，即非電連接。

鋼管樁與鋼套箱底板的接觸點，集中在鋼套箱與鋼管樁的加固連接點上。為了使鋼管樁與鋼套箱底板之間不直接接觸，在鋼管樁與鋼套箱底板連接時，是通過？2 個半圓形的鋼板（即抱箍）進(jìn)行連接的，于是采用在抱箍內(nèi)側(cè)加一層絕緣耐磨膠皮來將二者隔離開來。

 

6.1 絕緣施工抱箍分 2 個半圓，用螺栓連接。制作時抱箍上焊幾塊鋼板以免抱箍與底板焊接時電流燒壞膠皮，抱箍下設(shè)有裙邊，方便封孔板安裝。抱箍制作好后，用膠水將耐磨膠皮與抱箍粘結(jié)在一起，以膠帶紙固定好。

耐磨膠皮選用 1cm 厚的氯丁橡膠。耐磨膠皮與鋼管樁及抱箍的接觸必須緊密。膠皮內(nèi)，鋼管樁表面是加強(qiáng)型雙層環(huán)氧粉末涂層，D=800 ～ 1000μm。

6.2 絕緣施工時應(yīng)注意的幾點（1）鋼套箱底板與鋼管樁加固時，除了用抱箍連接以外，不允許鋼管樁別的任何部位與鋼套箱底板直接接觸，否則會造成二者直接接觸。

（2）抱箍螺栓必須擰緊，因鋼管樁是斜樁，抱箍必須依據(jù)其斜率制作，以使抱箍與鋼管樁緊密接觸，避免膠皮在鋼管樁由于水流作用晃動時脫落。

（3）在封底澆注之前需要仔細(xì)檢查抱箍是否脫落，抱箍與鋼管樁之間是否直接連通，是否有其他金屬如電焊渣進(jìn)入抱箍與鋼管樁之間的縫隙。

（4）鋼管樁表面的環(huán)氧粉末涂層如果損壞應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)。

附件 7：后記

 

腐蝕科學(xué)是一門綜合科學(xué)，要做好腐蝕控制工作，就必須進(jìn)行“全面腐蝕控制”，將腐蝕控制技術(shù)和腐蝕控制管理相結(jié)合，從設(shè)計、制造、貯運安裝、操作運行、維修五個方面進(jìn)行管理、采取相應(yīng)技術(shù)并嚴(yán)格執(zhí)行，并要進(jìn)行全面、全員、全過程的主動控制，從而防患于未然，避免或減少腐蝕危害。