新型化工防腐技術(shù)在橋梁腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

＊王靜 王寧 樊志彬 趙倩玉 侯保榮* 寧延利 胡藝騰

（1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 山東 266071 2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院 山東 250003）

前言

交通基礎(chǔ)設(shè)施是影響國(guó)家城市可持續(xù)發(fā)展的一大關(guān)鍵因素，公路、鐵路、水路交織成一張運(yùn)輸網(wǎng)。據(jù)交通運(yùn)輸行業(yè)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明：截至2020年，我國(guó)公路橋梁數(shù)量達(dá)91.28萬(wàn)座，長(zhǎng)度6628.55萬(wàn)延米，橋梁已成為我們生活中不可或缺的一種交通基礎(chǔ)設(shè)施[1]，如立交橋、高架橋、跨江越海橋、跨壑越峽橋……橋梁便利了我們的生活，拉動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，平衡了地域的發(fā)展。

然而，橋梁的維護(hù)是橋梁使用過(guò)程中不容忽視的難題，通常維修所花費(fèi)的時(shí)間和金錢要遠(yuǎn)高于修建一座新橋[2-7]。惡劣氣候、腐蝕環(huán)境及日積月累的承重載壓，使橋梁的服役壽命大大縮短，不僅造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，同時(shí)橋梁坍塌等事故也給我們的生命安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅[8-11]。橋梁中應(yīng)用有大量的金屬鋼材，如鋼索主纜、吊桿、錨頭、護(hù)欄、螺栓、錨室內(nèi)附屬部件等，這些部位的腐蝕失效在很大程度上決定著橋梁的使用壽命，所以解決這些橋梁異型部件的腐蝕失效問(wèn)題即成為維護(hù)橋梁使用安全的關(guān)鍵因素[12-17]。

圖1 南昌新八一大橋拉索錨頭腐蝕、拉索PE護(hù)套開(kāi)裂

1.腐蝕失效實(shí)例分析

江西省南昌新八一大橋于1997年9月29日建成通車，全橋拉索144根。2005年江西省交通工程質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)南昌新八一大橋主橋進(jìn)行病害檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)下端拉索錨頭錨杯內(nèi)外表面金屬腐蝕量達(dá)到10%，自然剝落銹塊達(dá)25mm以上。最終于2009年全面換索，拉索實(shí)際使用壽命11年，換索費(fèi)用約1億元。

四川宜賓小南門金沙江大橋于1990年6月建成通車。2001年11月7日，兩邊跨8根吊桿因腐蝕斷裂，部分橋面垮塌。事故造成2人失蹤，2人死亡，3人受傷，3部車輛墜入江中，1船被毀。整個(gè)事故造成直接經(jīng)濟(jì)損失約1千萬(wàn)元人民幣。

圖2 宜賓小南門金沙江大橋橋面垮塌和拉索病害

福建福州解放大橋?yàn)槲迓?lián)跨鋼管砼中承式拱橋，全橋總長(zhǎng)324m。大橋于1996年10月建成通車。2001年對(duì)該橋進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，該橋存在吊桿下端積水和錨頭及索體鋼絲銹蝕等病害。2008年更換全橋84根吊桿，直接費(fèi)用約600萬(wàn)元人民幣。

四川嘉陵江石門大橋，1994年建橋，2004年換索，全橋共有拉索216根，每根鋼索的造價(jià)在20萬(wàn)元以上，設(shè)計(jì)壽命是20年，但實(shí)際使用壽命僅為10年；孔雀河大橋在2011年4月12日，主跨第二根吊桿斷裂，造成約10m長(zhǎng)的橋面塌陷，致交通中斷，不僅國(guó)內(nèi)發(fā)生許多橋梁的腐蝕事件，國(guó)外也曾報(bào)道過(guò)因腐蝕而造成橋梁坍塌的事故。

2018年8月14日，莫蘭迪大橋南側(cè)電纜斷裂，導(dǎo)致西側(cè)部分區(qū)域斷裂，數(shù)十輛汽車墜落到150英尺的波爾塞維拉河以及附近的街道和鐵路軌道上，事故造成43人死亡、16人受傷。調(diào)查結(jié)果表明橋梁坍塌是由于空氣中的水和鹽滲入橋梁混凝土形成裂縫，長(zhǎng)期以往致使橋梁鋼纜受到腐蝕破壞造成的。

委內(nèi)瑞拉的Maracibo橋建成于1960年，在風(fēng)雨的侵蝕及拉索的震動(dòng)影響下192根鋼索中有25根存在嚴(yán)重隱患。由于沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，其中1根拉索于1979年2月突然發(fā)生斷裂，造成橋體的局部坍塌，當(dāng)時(shí)耗資5000萬(wàn)美元、歷時(shí)兩年才更換了全部384根斜拉索。

圖3 橋梁主纜腐蝕

英國(guó)哈默天橋，鋼纜索腐蝕失去拉力，2012年更換；英國(guó)福斯公路大橋，螺母螺栓腐蝕，2012年投入14.7億英鎊完成更換吊索工程；德國(guó)漢堡的Kohlbrand Estruary橋，由于斜拉索腐蝕嚴(yán)重，建成的第三年就更換了全部的斜拉索，耗資達(dá)6000萬(wàn)美元，是原來(lái)造價(jià)的四倍。

綜合以上國(guó)內(nèi)外橋梁事故案例分析不難看出，橋梁的拉索、吊桿、螺栓、錨式結(jié)構(gòu)、球型節(jié)點(diǎn)的失效往往是導(dǎo)致橋梁失效的主要原因。對(duì)橋梁易發(fā)生腐蝕破壞的異型部件進(jìn)行整理分類，主要可以分為如下兩大類別：

（1）錨室內(nèi)的錨碇等部件，這是懸索橋的主要承重構(gòu)件之一，錨碇系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和耐久性對(duì)懸索橋的安全運(yùn)營(yíng)起到至關(guān)重要的作用。然而，由于錨室位于地下，經(jīng)常存在裂縫透水現(xiàn)象，易形成潮濕、積水的嚴(yán)酷腐蝕性環(huán)境，如錨碇等部件受到腐蝕，將嚴(yán)重影響到橋梁整體的使用壽命。

（2）橋梁大氣區(qū)的鋼索及附屬部件，護(hù)欄螺栓、焊縫等異型節(jié)點(diǎn)部件，置于橋梁的外部，常年遭受大氣環(huán)境的腐蝕，尤其是跨海大橋，海洋大氣環(huán)境的腐蝕更為嚴(yán)酷。鋼索、螺栓等異型部件長(zhǎng)期處在高應(yīng)力負(fù)荷下工作，即使發(fā)生輕微的腐蝕，其強(qiáng)度也會(huì)有較大損傷，嚴(yán)重威脅著橋梁整體的安全和壽命。

2.橋梁防腐措施

橋梁錨室內(nèi)多長(zhǎng)期積水，環(huán)境潮濕，針對(duì)錨室內(nèi)的設(shè)施部件，目前采取的防腐措施主要有涂刷漆料、采用除濕系統(tǒng)、使用耐蝕鋼等[18-24]。涂刷漆料價(jià)格便宜，但是錨室環(huán)境潮濕，且錨室內(nèi)的錨具多為異型部件，表面處理困難，涂料的防護(hù)壽命短，防護(hù)效果差。除濕系統(tǒng)一方面設(shè)備費(fèi)用貴，前期投入大，后期運(yùn)營(yíng)、維護(hù)費(fèi)用高昂，另一方面，錨室空間龐大，尤其是隧道錨，水患嚴(yán)重，除濕系統(tǒng)無(wú)法把錨室整個(gè)空間的潮濕度長(zhǎng)期控制在60%以下，所以在國(guó)內(nèi)錨室除濕系統(tǒng)幾乎成為擺設(shè)。對(duì)于使用耐蝕鋼，雖然一定程度上可以提高鋼的耐蝕能力，但價(jià)格相對(duì)較高，也必須配以相應(yīng)的防腐措施。

橋梁處于大氣區(qū)的部件，持續(xù)遭受到風(fēng)吹、日曬、雨淋、鹽霧及其他腐蝕性介質(zhì)的侵襲，腐蝕環(huán)境惡劣[25,26]。針對(duì)橋梁拉索、吊桿等目前采取的主要防腐措施為PE套保護(hù)、使用不銹鋼絲拉吊索及鋼索干風(fēng)除濕系統(tǒng)等；而對(duì)于橋梁護(hù)欄、索具、螺栓等異型部件，較為常用的防腐措施包括涂刷涂料、涂抹油性材料、防水膠等[27-30]。PE套雖然在一定時(shí)間內(nèi)可以有效保護(hù)拉索、吊桿，但PE套易老化、開(kāi)裂、變形、劃傷甚至脫落（圖4），導(dǎo)致水等腐蝕介質(zhì)入侵，從而引發(fā)鋼絲銹蝕，危及橋梁的使用安全，甚至造成嚴(yán)重的事故。使用不銹鋼絲雖然可以延長(zhǎng)拉索的使用壽命，減少換索次數(shù)，但其價(jià)格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)拉吊索用鋼絲價(jià)格，成本投入太大。涂刷防腐涂料是橋梁防腐普遍采用的措施，但是對(duì)于護(hù)欄、索具、螺栓等異型部件，由于表面處理難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，再加上涂裝環(huán)境和施工技術(shù)的影響，防護(hù)壽命僅為1～3年。如圖5所示，國(guó)內(nèi)某新建橋梁，還未通車，就發(fā)現(xiàn)涂刷完涂料的護(hù)欄及螺栓部位，出現(xiàn)不同程度的腐蝕。采用涂抹大黃油、二硫化鉬等油性材料保護(hù)時(shí)，此類材料在夏季會(huì)出現(xiàn)融化流淌的現(xiàn)象，需要定期維護(hù)，且融化流淌的油性材料不美觀，還可能存在安全隱患。而防水膠之類的密封材料，僅具有阻隔水分的效果，本身并不具備防腐蝕的作用；并且該類材料與金屬的結(jié)合力差，易老化、開(kāi)裂，防護(hù)壽命短，后期維修、維護(hù)的成本高。

圖4 PE破壞開(kāi)裂照片

綜上所述，采取現(xiàn)有的防護(hù)手段未能有效解決橋梁錨室及大氣區(qū)異型部件的腐蝕問(wèn)題，亟需采取針對(duì)性的腐蝕防護(hù)措施，以保障其安全使用，延長(zhǎng)服役壽命。

3.新型橋梁防腐技術(shù)

(1)潮濕環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)防腐解決方案——復(fù)層礦脂包覆防腐蝕技術(shù)(PTC)

①PTC技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

復(fù)層礦脂包覆防腐蝕技術(shù)（Petrolatum Tape and Covering system，PTC），由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶以及外防護(hù)層等部分組成，主要應(yīng)用于海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)，也能適用于潮濕、積水環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)防腐，是橋梁錨室鋼結(jié)構(gòu)防腐的最佳解決方案[31-33]。其中礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶是復(fù)層礦脂包覆防腐蝕技術(shù)的核心部分，其含有的復(fù)合緩蝕劑具備銹轉(zhuǎn)化效果，能夠?qū)崿F(xiàn)帶銹施工，大大降低表面處理的難度；還含有水置換成分，能夠?qū)崿F(xiàn)帶水施工，即使長(zhǎng)期浸泡在積水中，也能發(fā)揮有效防腐作用；礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶長(zhǎng)期保持非固化狀態(tài)，防腐壽命大于30年。

②PTC技術(shù)在橋梁防腐中的應(yīng)用案例

A.柳州紅光大橋散索、錨碇防腐工程

紅光大橋位于柳州市中心，橫跨柳江，為溝通柳州南北的重要橋梁。大橋于2002年9月30日開(kāi)工，2004年8月28日通車。橋梁全長(zhǎng)1040m，寬27m，雙向四車道，總投資31261萬(wàn)元。

錨室由于臨近江邊，基本每年雨季都會(huì)出現(xiàn)進(jìn)水現(xiàn)象。錨室內(nèi)部比較潮濕，原有涂料防腐工藝不能滿足防腐需求，導(dǎo)致部分錨具銹蝕比較嚴(yán)重。錨碇腐蝕情況如圖6所示：

圖6 下部錨碇銹蝕情況

2016年9月，對(duì)柳州紅光大橋的錨碇部位進(jìn)行了PTC整體防護(hù)，效果優(yōu)良。

圖7 錨碇包覆工藝及完成整體效果圖

B.貴州壩陵河大橋錨室防腐工程

壩陵河大橋是國(guó)家重點(diǎn)公路建設(shè)項(xiàng)目滬瑞國(guó)道主干線貴州鎮(zhèn)寧至勝境關(guān)高速公路跨越壩陵河大峽谷的一座特大橋。橋長(zhǎng)1564m、主跨1088m，是2018年前“國(guó)內(nèi)第一，世界第六”的大跨徑鋼桁加勁梁懸索橋，總投資14.8億元。

2018年6月，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所技術(shù)人員會(huì)同壩陵河橋隧管理站方對(duì)壩陵河大橋錨室鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于壩陵河大橋的錨固系統(tǒng)長(zhǎng)期處于溫潤(rùn)的潮濕環(huán)境當(dāng)中，且錨室水患嚴(yán)重，雖然錨室裝有干風(fēng)除濕系統(tǒng)，但是僅僅9年多的時(shí)間，前錨室絕大多數(shù)的錨固系統(tǒng)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的涂層剝落和腐蝕問(wèn)題。

圖8 前錨室的錨具和張拉桿發(fā)生比較嚴(yán)重的腐蝕

2018年6月，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所的技術(shù)人員會(huì)同壩陵河橋隧管理站方一起選取了壩陵河大橋隧道錨室腐蝕較為嚴(yán)重的部分錨具和張拉桿進(jìn)行了PTC包覆示范。2018年11月，對(duì)PTC包覆示范效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示。圖9（a）表明打開(kāi)驗(yàn)證前防腐層完好，圖9（b）顯示擦掉防蝕膏后鋼結(jié)構(gòu)沒(méi)有繼續(xù)發(fā)生腐蝕，之前發(fā)生銹蝕部分的鐵銹也已經(jīng)轉(zhuǎn)化為黑色的鈍化膜，圖9（c）為包覆PTC部分（上半部分）和沒(méi)有包覆部分（下半部分）的對(duì)比圖，結(jié)果表明PTC包覆技術(shù)對(duì)其起到了有效地保護(hù)效果。

圖9 壩陵河大橋隧道錨室PTC包覆驗(yàn)證結(jié)果

鑒于良好的示范工程防腐效果，最終于2020年7月對(duì)壩陵河大橋兩個(gè)錨室的所有錨具均采用了PTC技術(shù)進(jìn)行防腐，面積達(dá)1400m2。

C.PTC防腐技術(shù)在其他橋梁防腐中的應(yīng)用實(shí)例

圖10 廣西合浦人行橋鋼結(jié)構(gòu)PTC施工

圖11 武漢楊泗港大橋錨碇錨固系統(tǒng)螺栓群的螺栓采用PTC技術(shù)進(jìn)行防腐處理

(2)大氣區(qū)異型部件防腐解決方案——氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)(OTC)

①OTC技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)（Oxidation Tape and Covering system，OTC）由氧化聚合型防蝕膏、氧化聚合型防蝕帶及外防護(hù)劑三層配套體系組成（如圖12），主要用于解決橋梁大氣區(qū)異型部件腐蝕防護(hù)難題[34,35]。氧化聚合型防蝕膏、氧化聚合型防蝕帶的緩蝕劑中含有銹轉(zhuǎn)化成分，可帶銹施工，無(wú)明顯鼓泡和浮銹即可，表面處理要求低。施工后，防護(hù)劑和氧化聚合型防蝕帶與空氣接觸的一側(cè)，氧化聚合形成堅(jiān)韌皮膜，具有良好的耐老化性能；粘貼在金屬結(jié)構(gòu)表面的一側(cè)，則永久保持非固化、柔軟的狀態(tài)，從而達(dá)到長(zhǎng)效的防腐蝕性能。OTC材料柔軟易貼合，可以廣泛適用于各種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)，防腐壽命大于30年。

圖12 氧化聚合型包覆防腐層結(jié)構(gòu)示意圖

②OTC技術(shù)在橋梁防腐中的應(yīng)用案例

A.秀山大橋護(hù)欄基礎(chǔ)防腐工程

秀山大橋位于舟山市岱山縣，全長(zhǎng)3063m，橋?qū)?4m，雙向四車道。其主橋?yàn)橹骺?26m的雙塔三跨鋼箱梁結(jié)構(gòu)懸索橋，全長(zhǎng)1557m，是浙江省第二大海上懸索橋。岱山屬北亞熱帶南緣季風(fēng)海洋性氣候，高溫、高鹽、高濕的環(huán)境使大橋面臨非常嚴(yán)峻的腐蝕環(huán)境。橋梁建設(shè)期間，未作特殊防腐處理的螺栓螺母在施工結(jié)束之前就普遍存在銹蝕現(xiàn)象。

地腳螺栓是橋梁護(hù)欄金屬構(gòu)件與基礎(chǔ)面連接、緊固的重要組件，需具備高強(qiáng)度、抗震性能優(yōu)良等特點(diǎn)。一旦出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，會(huì)降低地腳螺栓自身的性能，在生產(chǎn)中產(chǎn)生重大安全隱患。螺栓螺母屬于大橋的異型部位，非常容易發(fā)生電偶腐蝕和機(jī)械應(yīng)力腐蝕，而螺栓螺母更換難度非常大，從橋梁使用壽命的角度考慮，做好螺栓螺母的防腐蝕措問(wèn)題施迫在眉睫，必須引起高度重視。

圖13 秀山大橋螺栓銹蝕照片

2019年，完成了秀山大橋護(hù)欄基礎(chǔ)防腐施工，共完成防撞護(hù)欄底座（8284套）、路燈底座（206套）和檢修護(hù)欄底座（1982套）。

圖14 秀山大橋護(hù)欄基礎(chǔ)防腐施工

B.OTC防腐技術(shù)在其他橋梁防腐中的應(yīng)用實(shí)例

圖15 太原汾河景觀人行橋節(jié)點(diǎn)及焊縫采用OTC防腐技術(shù)

圖16 長(zhǎng)春洋浦公園橋橋梁鋼纜采用OTC防腐技術(shù)

圖17 成都清水河懸索橋防腐工程

圖18 湖北宜昌伍家崗大橋防腐工程

圖19 西安建材路灞河橋防腐工程

圖20 青島海灣大橋吊桿防水罩

4.結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是橋梁大國(guó)，近年來(lái)，大型、特大型橋梁紛紛建成。而腐蝕防護(hù)是這些已建成橋梁運(yùn)行維護(hù)的一個(gè)主要方面，直接影響到橋梁的運(yùn)行安全和使用壽命。解決橋梁的腐蝕問(wèn)題可以有效減少維護(hù)橋梁所產(chǎn)生的費(fèi)用，避免橋梁倒塌等事故造成的人身傷害，采取合理有效的方式對(duì)橋梁進(jìn)行腐蝕防護(hù)勢(shì)在必行。PTC防腐技術(shù)、OTC防腐技術(shù)具有表面處理簡(jiǎn)單、防腐壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，可解決橋梁錨室等潮濕、積水部位及長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境中拉索、吊桿、索具、螺栓等異型部位的腐蝕問(wèn)題，是保障橋梁腐蝕安全的有效防護(hù)措施。