2.1.3.1公路橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)技術(shù)

    對于工程結(jié)構(gòu)防腐問題，材料是基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)是靈魂。必須依據(jù)使役環(huán)境條件要求，設(shè)計(jì)選材才能確保工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命。在材料抗腐蝕能力的基礎(chǔ)上，建立材料老化/腐蝕與使役環(huán)境關(guān)系的理論模型，提出耐久性臨界狀態(tài)及判定準(zhǔn)則。在滿足結(jié)構(gòu)件安全性設(shè)計(jì)的前提下，引入耐久性極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)理論方法，真正滿足工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命設(shè)計(jì)的要求。此外，考慮到腐蝕環(huán)境嚴(yán)重程度和工程結(jié)構(gòu)運(yùn)營維護(hù)需求，還需進(jìn)行輔助防腐蝕設(shè)計(jì)和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)期的維護(hù)設(shè)計(jì)。

    目前，日本《混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》和國際結(jié)構(gòu)混凝土聯(lián)合會《fibModelCode2010》已建立了這種耐久性設(shè)計(jì)體系，其他國家標(biāo)準(zhǔn)仍然沿用條文規(guī)定法，我國基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)耐久性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也是如此。條文規(guī)定法操作性強(qiáng)，防護(hù)措施可提供一定保護(hù)作用，但是對于指導(dǎo)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命設(shè)計(jì)缺乏指導(dǎo)依據(jù)，無法保障設(shè)計(jì)使用年的實(shí)現(xiàn)。

    2.1.3.2混凝土橋梁腐蝕防護(hù)技術(shù)

    1.高性能混凝土技術(shù)

    提高水泥耐腐蝕性和混凝土密實(shí)性是提高混凝土耐久性根本，主要技術(shù)包括：提高混凝土的密實(shí)性，減少混凝土中的粗大毛細(xì)孔、空隙、裂紋數(shù)量，采用高性能混凝土、密實(shí)性混凝土等。增加混凝土保護(hù)層的厚度，最大限度地防止混凝土裂紋的產(chǎn)生。在混凝土中摻加提高鋼筋防腐性能的阻銹劑。

    2.鋼筋防腐技術(shù)

    依據(jù)混凝土鋼筋發(fā)生腐蝕的電化學(xué)原理，可通過防止侵蝕介質(zhì)接觸鋼筋表面、防止發(fā)生鋼筋為陽極的電化學(xué)反應(yīng)兩個方面保護(hù)混凝土內(nèi)部鋼筋免受腐蝕。主要的方法是對鋼筋進(jìn)行鍍鋅、粉末涂層等，形成特種鋼筋，提高鋼材自身的防腐性能，例如，環(huán)氧涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋（熱浸鋅）、鍍鋁鋼筋、不銹鋼鋼筋、不銹鋼包覆鋼筋等。FRP/GFRP抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa，彈性模量可達(dá)到40～60GPa（AISI）。

    不銹鋼是指耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼筋。不銹鋼的耐蝕性取決于鋼中所含的合金元素，基本合金元素還有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、氮等，滿足各種用途對不銹鋼組織和性能的要求。

    美國俄勒岡州HaynesInletSlough橋梁處于海洋環(huán)境，在2004年拆除重建工程中，使用了400噸雙相不銹鋼鋼筋（2205型）制作主要承重構(gòu)件，120年設(shè)計(jì)壽命是舊橋壽命的2.5倍。新橋總造價1250萬美元，不銹鋼占總造價的13%，但在整個服務(wù)期內(nèi)不需大修。相比普通鋼筋混凝土橋梁延長使用壽命50年，相當(dāng)于再造一座價值2500萬美元的普通鋼筋混凝土新橋。

    3.涂料防護(hù)技術(shù)

    防腐涂裝對混凝土橋梁主要起防腐保護(hù)作用，但對混凝土裂紋不具備修補(bǔ)功能。對于具有表面裂縫的混凝土表面防腐涂料涂裝，需首先采用表面處理法、灌漿法等措施對裂縫進(jìn)行處理，然后再進(jìn)行涂料涂裝。

    在混凝土橋梁表面進(jìn)行防腐蝕涂料的封閉或者隔離，是一種經(jīng)濟(jì)有效的防腐蝕措施，可以有效地阻止氯離子、水和氧氣等腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入，減緩對鋼筋腐蝕速度，同時也可降低反復(fù)熱脹冷縮對鋼筋混凝土的損壞。但是，目前我國公路混凝土橋梁采用涂料防護(hù)僅限于沿海特大型橋梁建設(shè)，或沿海/惡劣環(huán)境混凝土橋梁修復(fù)中局部使用，尚未在全國內(nèi)進(jìn)行大范圍和大面積應(yīng)用。

    4.陰極保護(hù)技術(shù)

    陰極保護(hù)對混凝土裂紋也不具備修補(bǔ)功能，因此，對于具有表面裂縫的混凝土橋梁，需要先采用表面處理法、灌漿法等措施對裂縫進(jìn)行處理，然后再進(jìn)行陰極保護(hù)。

    犧牲陽極法的電位差產(chǎn)生的保護(hù)電流較小，在大面積及高電阻環(huán)境下電流不易通過，不適宜橋梁鋼筋混凝土的維修防護(hù)，但可以用于海水等導(dǎo)電性好的介質(zhì)中進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)。外加電流法防護(hù)包括陽極系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢測系統(tǒng)及供電系統(tǒng)，表2-9為常見的幾種陽極材料。

    2.1.3.3鋼結(jié)構(gòu)橋梁腐蝕防護(hù)技術(shù)

    1.涂料保護(hù)技術(shù)

    防腐涂料涂裝是鋼橋防腐蝕的最方便有效的方法之一。涂料對橋梁用鋼材的保護(hù)作用主要有三方面：屏蔽作用；緩蝕作用；陰極保護(hù)作用。國內(nèi)外防腐涂裝體系及保護(hù)效果列于表2-10。

    日本Akashi Kaikyo大橋引入了全壽命周期成本理念，設(shè)計(jì)了無極富鋅汽（打底層）+環(huán)氧樹脂（下涂層）+氟樹脂涂層（面層）的涂裝組合體系，日本鋼結(jié)構(gòu)橋養(yǎng)護(hù)體系規(guī)定了完整的漆膜維護(hù)制度，在現(xiàn)場調(diào)查和檢測基礎(chǔ)上，繪制漆膜劣化曲線，提出了以面層和中涂層涂料發(fā)生劣化作為涂裝維護(hù)時機(jī)，實(shí)現(xiàn)了長效防腐的作用成效，確保了鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)壽命。氟樹脂涂料是日本研發(fā)高性能的防腐涂料，能夠顯著提高抵抗環(huán)境侵蝕作用，極大延長重新涂裝周期。圖2-43顯示了18年Akashi Kaikyo海峽大橋主橋梁鋼桁架涂裝狀況，涂裝體系完整、漆膜顏色和光澤無變化。

    2. 陰極保護(hù)技術(shù)

    陰極保護(hù)是使鋼鐵成為陰極并極化，以減少或防止腐蝕。它分為犧牲陽極保護(hù)和外加電流保護(hù)。常見的犧牲陽極材料有鋅合金、鋁合金，外加電流保護(hù)是由直流電源通過輔助陽極對被保護(hù)體施加保護(hù)電流，使被保護(hù)體成為陰極而獲得極化，從而免受腐蝕的一種保護(hù)技術(shù)。

    3. 高性能鋼材

    既具有高強(qiáng)度性能，又在韌性、可焊性、冷加工和抗腐蝕等方面也具有優(yōu)越性能的鋼，在國際上被統(tǒng)稱為高性能鋼（HighPerformanceSteel，HPS）。國外已開發(fā)出諸多系列的橋梁用高性能鋼產(chǎn)品，如美國FHWA、海軍和AISI聯(lián)合研發(fā)的的HPS485W/690W、日本的BHS500/700、歐洲的S460M/690M等。到目前為止，美國47州修建了500座高性能鋼結(jié)構(gòu)橋梁（見圖2-45）。

    高性能鋼材是通過提高鋼材自身抵抗環(huán)境腐蝕能力的技術(shù)。通過在普碳鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素，制成具有強(qiáng)韌、塑延、成型、焊割、磨蝕、高溫、抗疲勞高性能的耐候鋼，抵抗環(huán)境腐蝕能力為普碳鋼的2～8倍，涂裝性為普碳鋼的1.5～10倍。耐候鋼主要用于鐵道、車輛、橋梁、塔架等長期暴露在大氣中使用的鋼結(jié)構(gòu)，以及用于制造石油井架、海港建筑、采油平臺及化工石油設(shè)備中含硫化氫腐蝕介質(zhì)的容器等結(jié)構(gòu)件。高性能耐候鋼在北美、歐洲和日本鋼橋建設(shè)中得到廣泛使用，我國公路橋梁中尚未使用。同濟(jì)大學(xué)在學(xué)校中法中心的建設(shè)中采用了耐候鋼作為外墻材料，使用情況及效果見圖2-46。

    2.1.3.4公路橋梁防腐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

    “九五”以來，我國土木工程結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)編制工作得到了長足發(fā)展，相繼頒布了一系列國家、行業(yè)、地方和企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展發(fā)揮了重大作用。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要分為兩類：（1）工程建設(shè)類標(biāo)準(zhǔn)，服務(wù)于工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)工程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；（2）產(chǎn)品、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，服務(wù)于工程建設(shè)所需的材料技術(shù)性能和設(shè)備技術(shù)要求，指導(dǎo)材料和設(shè)備的制造和工程應(yīng)用。

    近30年來，我國公路橋梁重大工程建設(shè)得到了快速發(fā)展，伴隨廈門海滄大橋、東海大橋、杭州灣跨海大橋、蘇通大橋、廈門翔安跨海隧道、青島海灣大橋、深圳-香港西部通道、港珠澳大橋等跨海工程建設(shè)，制定了一系列公路橋梁耐久性設(shè)計(jì)防護(hù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有力地促進(jìn)了我國公路橋梁耐久性設(shè)計(jì)和腐蝕防護(hù)技術(shù)的發(fā)展。

    2.1.3.5公路橋梁腐蝕防護(hù)研發(fā)投入狀況

    我國對混凝土耐久性的研究在20世紀(jì)50年代已經(jīng)開始，屬于國家自然環(huán)境腐蝕整體研究計(jì)劃的一部分，50年代末全國建立了包括混凝土材料在內(nèi)的“全國大氣、海水、土壤腐蝕試驗(yàn)網(wǎng)站”。混凝土材料腐蝕的研究主要針對南方沿海地區(qū)的氯離子銹蝕問題、北方地區(qū)的混凝土凍融問題和西北地區(qū)的鹽漬土地區(qū)的硫酸鹽腐蝕問題。1978年后，混凝土材料的腐蝕研究重新啟動，但是，對混凝土耐久性的系統(tǒng)性研究始于20世紀(jì)90年代，與我國大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展同步。

    針對我國混凝土基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模巨大，工程建設(shè)質(zhì)量關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的健康穩(wěn)定發(fā)展，上世紀(jì)90年代國家“九五”規(guī)劃對混凝土耐久性問題的研究進(jìn)行了較大的科研投入，確立了一批重點(diǎn)科研項(xiàng)目：“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“混凝土耐久性關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用”，“九五”國家基礎(chǔ)性研究重大項(xiàng)目（攀登計(jì)劃B）“重大土木與水利工程安全性與耐久性的基礎(chǔ)研究”和“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“重點(diǎn)工程混凝土安全性的研究”等。經(jīng)過20多年對耐久性的集中研究，我國工程界已經(jīng)對混凝土的劣化機(jī)理與規(guī)律有了基本的認(rèn)識和積累：對氯離子銹蝕問題已經(jīng)有可供工程設(shè)計(jì)使用的定量化數(shù)學(xué)模型；對混凝土碳化銹蝕提出了定量的模型測算方法；對凍融環(huán)境中混凝土的破壞過程提出了定量的設(shè)計(jì)方法；對凍融環(huán)境中混凝土的破壞過程提出了定量的設(shè)計(jì)方法。從“十五”到“十二五”，交通運(yùn)輸部通過西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目支持了一批公路橋梁耐久性研究項(xiàng)目（見表2-14）。