港珠澳大橋鋼管復合樁犧牲陽極保護施工技術

劉俊利 徐振山

摘要：港珠澳大橋是新建跨海超級工程，世界上首次按120年使用年限設計的交通工程，包含沉管隧道、人工島和海中橋梁。結構形式復雜，工程建設規(guī)模和難度大，腐蝕環(huán)境嚴重，對工程質量和耐久性要求更高。為實現(xiàn)工程結構耐久性設計要求，針對工程的特點，制定系統(tǒng)的結構耐久性犧牲陽極附加防腐蝕技術措施，確保建設項目實現(xiàn)設計服役年限。

Abstract： The Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge is a new trans-sea Super project designed for 120 years of service in the world，contains submerged tunnels，artificial islands and sea bridges. The structure form is complex，the construction scale and difficulty is big，the corrosion environment is bad，the requirement to the project quality and durability is higher. In order to realize the design requirements of engineering structure durability，according to the characteristics of the project，the structural durability of the system and the sacrifice of anodic additional anti-corrosion technical measures to ensure that the construction project to achieve the design service life.

關鍵詞：鋼管復合樁;犧牲陽極保護;施工技術

Key words： steel pipe composite pile;sacrifice anode protection;construction technology

中圖分類號：U445.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0096-03

0 ?引言

港珠澳大橋是目前已建成的舉世矚目的超級交通工程，世界級跨海通道，打開了粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展空間，進一步促進了香港、澳門和珠江三角洲西岸地區(qū)經(jīng)濟上的發(fā)展。這座連接香港、珠海和澳門的跨海大橋全長55公里，是世界上最長的跨海大橋，包含離岸人工島、海底隧道、非通航孔橋及通航孔橋，工程設計為120年使用壽命。港珠澳大橋位于珠江口伶仃洋，環(huán)境惡劣，如何有效提高嚴酷環(huán)境下結構耐久性是工程需要解決的關鍵技術。許多工程通過采用不銹鋼鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋、硅烷浸漬涂裝等技術措施[1]，取得理想效果，提高了結構的使用壽命。但考慮到港珠澳大橋工程120年使用壽命，采用上述技術并不足以確保，尚需考慮多重防腐蝕相結合的技術措施。

1 ?結構耐久性技術措施

為提高港珠澳大橋混凝土結構的耐久性，使其具有符合設計要求的力學性能和良好的耐久性能，針對主體工程不同混凝土結構的特點，系統(tǒng)研究并制定了混凝土耐久性質量控制技術措施、附加防腐蝕輔助措施、耐久性監(jiān)測方案。最終采用海工長壽命耐久性混凝土及鋼管復合樁附加犧牲陽極保護防腐措施[2]，實現(xiàn)樁基礎120年設計使用壽命。

1.1 海工混凝土結構耐久性

海工混凝土耐久性包括工程結構設計使用年限及構件耐久性質量控制指標，按照最惡劣的環(huán)境作用等級設計混凝土最大氯離子擴散系數(shù)、最小鋼筋保護層厚度[3]。本工程鋼管復合樁構件耐久性質量控制指標見表1。

1.2 鋼管復合樁耐久性附加技術措施

混凝土結構耐久性設計以氯離子侵入混凝土導致鋼筋銹蝕的耐久性過程為主要對象，通過前期在華南地區(qū)進行長期混凝土暴露試驗數(shù)據(jù)和工程調查數(shù)據(jù)，對各耐久性設計變量進行概率統(tǒng)計分析，得到耐久性設計關鍵參數(shù)的分布函數(shù)與分項系數(shù)，結合耐久性極限狀態(tài)和設計使用年限要求，利用氯離子侵蝕過程的混凝土結構壽命預測模型計算得出滿足120年耐久性要求的理論控制指標。再根據(jù)設計參數(shù)理論值與實驗室快速試驗測試值之間的相關關系，確定混凝土耐久性質量控制值。通過對附加防腐蝕措施研究比對，采用在鋼管內(nèi)、外進行環(huán)氧涂料防腐涂裝，結合犧牲陽極保護措施，延緩混凝土及鋼筋過早被氯鹽腐蝕。處于海水中的混凝土遭遇帶負電荷的氯離子會加速鋼筋銹蝕，采用帶正電荷的鋁、鋅、銦、鎂、鈦合金塊——犧牲陽極[4]，安裝在墩身上，通過墩身、承臺混凝土中預埋的銅芯電纜與海泥下的鋼管樁、混凝土鋼筋連接，保證全天候浸泡于海水中，施加外電流進行陰極保護，完全控制腐蝕及阻止點蝕。

1.3 鋼管復合樁結構耐久性健康監(jiān)測系統(tǒng)定量監(jiān)測混凝土內(nèi)氯離子的濃度分布、鋼筋腐蝕速率和混凝土電阻率，從而掌握影響大橋主體混凝土結構的耐久性健康狀況的關鍵參數(shù)并定量預測其耐久性剩余使用壽命，為后期的管理維護和耐久性再設計提供數(shù)據(jù)支撐。

2 ?鋼管復合樁鋼管制作及防腐涂裝

2.1 鋼管樁制作與防腐涂裝

港珠澳大橋橋梁工程CB05合同段鋼管復合樁共440根，規(guī)格分為Ф2500mm，Ф2200mm，Ф2000mm三種，長度L=17～60m，均采用工廠預制大口徑螺旋鋼管樁，材質為Q345C;采用變壁厚制造，樁頂部分為25mm，中間部分為22mm，樁尖直縫管壁厚32mm，接近樁頂部分內(nèi)部焊接大約有20道環(huán)形剪力環(huán)[5]。鋼管樁內(nèi)、外側防腐分別對水中區(qū)和泥下區(qū)進行設計，即承臺以下約20m范圍采用高性能復合加強雙層熔融結合環(huán)氧粉末涂層，內(nèi)層≥300μm，面層≥700μm，加強雙層環(huán)氧粉末涂層總厚度≥1000μm。其余部位采用高性能復合普通雙層熔融結合環(huán)氧粉末涂層，內(nèi)層≥300μm，面層≥350μm，復合普通雙層環(huán)氧粉末涂層總厚度≥650μm。內(nèi)層為耐腐蝕型涂層，面層為抗劃傷耐磨防腐涂層。

2.2 防腐涂裝及檢測

鋼管樁防腐涂料是以改性環(huán)氧樹脂為主要成膜材料并含有固化劑、顏料、特種輔料等熱固型涂料，經(jīng)熔融結合涂裝工藝固化成膜，涂層致密完整，機械性能好，涂層與金屬基底有牢固的結合力，耐磨損。該防腐涂料不含揮發(fā)性溶劑，無污染，物料利用率高。涂裝完成后，逐根檢查鋼管樁內(nèi)、外涂層的外觀質量，要求涂層平整，色澤均勻，無氣泡開裂及縮孔;使用無損涂層測厚儀逐根測量涂層厚度是否符合設計要求，不符合涂層厚度要求的重新涂裝;用電火花檢漏儀對鋼管涂層進行逐根檢查，檢漏電壓為5V/μm，漏點數(shù)量不大于0.1個漏點/m2，當漏點超過上述數(shù)量或個別漏點的面積大于或等于250cm2，則對該鋼管進行重新涂裝。鋼管防腐涂層靜電噴涂工藝見圖1，鋼管防腐涂層厚度檢測見圖2。

3 ?鋼管復合樁犧牲陽極保護技術及監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 犧牲陽極技術

鋼管復合樁采用犧牲陽極保護與涂層聯(lián)合防腐蝕，有效保護年限t≥60年。在有效防腐蝕年限內(nèi)，被保護鋼管復合樁的保護電位始終控制在最佳保護電位范圍，鋼管復合樁表面無明顯銹蝕，保護度大于90%，犧牲陽極材質不污染環(huán)境，犧牲陽極預埋件、電性導通、焊裝質量等全面滿足設計要求[6]。處于海水中的鋼材及混凝土鋼筋遭遇高濃度的氯鹽侵蝕，氯離子帶負電荷加速鋼材銹蝕。在施工階段對所有鋼管樁、承臺、墩身混凝土中鋼筋進行電連接，采用交流阻抗表測量任意兩點鋼筋得到的電阻值應小于1歐姆，再對鋼管樁腐蝕及犧牲陽極合金塊消逝情況進行監(jiān)測，根據(jù)消逝情況及時更換合金塊[7]。

3.2 犧牲陽極材料

3.2.1 犧牲陽極鋁合金材料具有重量輕、電容量大、工作電流穩(wěn)定、電流效率高、壽命長及造價便宜等特點[8]，針對鋼管復合樁工作海域的水質情況，選用Al-Zn-In-Mg-Ti高效鋁合金犧牲陽極進行保護，其電化學性能見表2。

3.2.2 根據(jù)鋼管樁鋼材的重量不同，采用的犧牲陽極保護材料及重量也不同，主要有A21-I-2、A21-I-3、IMR-B43（手鐲式）三種犧牲陽極保護材料，每種施工重量見表3。

3.2.3 港珠澳大橋橋梁工程CB05合同段共有67座承臺、440根鋼管復合樁，共需配置犧牲陽極裝置A21-I-2型高效鋁合金犧牲陽極78支，A21-I-3型高效鋁合金犧牲陽極314支，IMR-B43型手鐲式高效鋁合金犧牲陽極48支，詳見表4。

3.3 犧牲陽極裝置安裝

3.3.1 陽極塊狀元件裝置安裝流程：預埋板熱鍍鋅;承臺內(nèi)預埋Φ12的饋電鋼筋;墩身焊接預埋均壓鋼筋——均壓鋼筋與墩身預埋鋼板間的焊接，墩身焊接預埋饋電鋼筋——饋電鋼筋與墩身預埋鋼板間的焊接，要求鋼筋焊接電阻R>0.01Ω;墩身外側焊裝犧牲陽極裝置，焊縫4條，每條焊縫長度>10cm，焊縫高度h>6mm，咬合緊密，連續(xù)均勻，嚴防虛焊和夾渣焊;陽極裝置焊裝完成后，預埋鋼板、焊道和陽極焊腳涂裝環(huán)氧防腐涂料，涂層干膜厚度>800μm。犧牲陽極裝置見圖3、圖4。

3.3.2 手鐲式陽極安裝流程：將手鐲式陽極套入鋼管復合樁，放到設計位置后水下擰緊固定;水下濕法焊接，并檢查水下焊接質量;焊腳涂層破損處，采用SLF涂料進行涂層保護;測量鋼管復合樁保護電位。

3.4 犧牲陽極保護監(jiān)測系統(tǒng)

3.4.1 鋼管復合樁鋼管及混凝土鋼筋腐蝕監(jiān)測是利用安裝的犧牲陽極保護裝置監(jiān)測探頭、電位測試儀，借助無線電數(shù)據(jù)通訊，實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸出電流和鋼管復合樁在不同深度位置的保護電位，監(jiān)測鋼管復合樁在不同深度海泥/海水中的腐蝕速率以及混凝土的電阻率。通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計分析，判斷和評價鋼管復合樁的腐蝕與防護綜合狀況[9]。監(jiān)測系統(tǒng)主要由參比電極、電纜、傳感器、記錄儀等設備組成，包括：銀/鹵化銀、高純鋅參比電極;高純鋅電極、Q345C、不銹鋼雙極組成的傳感器;防水屏蔽電纜;腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄儀;犧牲陽極發(fā)射電流繼電流;陰極接地電纜;電源;無線收發(fā)裝置等。系統(tǒng)安裝見圖5。

3.4.2 監(jiān)測傳感器系統(tǒng)包括監(jiān)測傳感器、電纜、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、防干擾機箱以及監(jiān)測操作軟件。此系統(tǒng)可以對鋼筋腐蝕速率、氯離子濃度和混凝土電阻率進行定量監(jiān)測分析。運營期，通過預埋傳感器實時監(jiān)測氯離子濃度、鋼管復合樁及鋼筋腐蝕電位及速率，進行數(shù)據(jù)采集與傳輸、分析與整理來間接評價鋼管復合樁耐久性狀況。當監(jiān)測到犧牲陽極合金塊即將耗盡時可及時予以更換。

4 ?結語

作為世界橋梁建設史上跨海里程最長、投資最多、施工難度最大的橋梁項目，港珠澳大橋工程對質量有著非常高的要求。通過對鋼管復合樁采取犧牲陽極保護附加防腐蝕措施，進一步提高海洋工程樁基混凝土的耐久性，結合多項智能化技術初步實現(xiàn)了港珠澳大橋工程建設質量，要使得這種防腐蝕技術及監(jiān)測措施所產(chǎn)生的作用達到最終的效果，確保工程結構使用壽命120年以上，還需要在運營期間加強對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與分析，及時采取有效的保證措施[10]。

參考文獻：

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