港珠澳大橋鋼管復(fù)合樁犧牲陽極保護(hù)施工技術(shù)

劉俊利 徐振山

摘要：港珠澳大橋是新建跨海超級(jí)工程，世界上首次按120年使用年限設(shè)計(jì)的交通工程，包含沉管隧道、人工島和海中橋梁。結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，工程建設(shè)規(guī)模和難度大，腐蝕環(huán)境嚴(yán)重，對(duì)工程質(zhì)量和耐久性要求更高。為實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)要求，針對(duì)工程的特點(diǎn)，制定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)耐久性犧牲陽極附加防腐蝕技術(shù)措施，確保建設(shè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：鋼管復(fù)合樁;犧牲陽極保護(hù);施工技術(shù)

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

中圖分類號(hào)：U445.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(jí)交通工程，世界級(jí)跨海通道，打開了粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展空間，進(jìn)一步促進(jìn)了香港、澳門和珠江三角洲西岸地區(qū)經(jīng)濟(jì)上的發(fā)展。這座連接香港、珠海和澳門的跨海大橋全長(zhǎng)55公里，是世界上最長(zhǎng)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(shè)計(jì)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(yán)酷環(huán)境下結(jié)構(gòu)耐久性是工程需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。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(shù)措施[1]，取得理想效果，提高了結(jié)構(gòu)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(shù)并不足以確保，尚需考慮多重防腐蝕相結(jié)合的技術(shù)措施。

1 ?結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)措施

為提高港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，使其具有符合設(shè)計(jì)要求的力學(xué)性能和良好的耐久性能，針對(duì)主體工程不同混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，系統(tǒng)研究并制定了混凝土耐久性質(zhì)量控制技術(shù)措施、附加防腐蝕輔助措施、耐久性監(jiān)測(cè)方案。最終采用海工長(zhǎng)壽命耐久性混凝土及鋼管復(fù)合樁附加犧牲陽極保護(hù)防腐措施[2]，實(shí)現(xiàn)樁基礎(chǔ)120年設(shè)計(jì)使用壽命。

1.1 海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性

海工混凝土耐久性包括工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限及構(gòu)件耐久性質(zhì)量控制指標(biāo)，按照最惡劣的環(huán)境作用等級(jí)設(shè)計(jì)混凝土最大氯離子擴(kuò)散系數(shù)、最小鋼筋保護(hù)層厚度[3]。本工程鋼管復(fù)合樁構(gòu)件耐久性質(zhì)量控制指標(biāo)見表1。

1.2 鋼管復(fù)合樁耐久性附加技術(shù)措施

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)以氯離子侵入混凝土導(dǎo)致鋼筋銹蝕的耐久性過程為主要對(duì)象，通過前期在華南地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期混凝土暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)各耐久性設(shè)計(jì)變量進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，得到耐久性設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的分布函數(shù)與分項(xiàng)系數(shù)，結(jié)合耐久性極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)使用年限要求，利用氯離子侵蝕過程的混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)模型計(jì)算得出滿足120年耐久性要求的理論控制指標(biāo)。再根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)理論值與實(shí)驗(yàn)室快速試驗(yàn)測(cè)試值之間的相關(guān)關(guān)系，確定混凝土耐久性質(zhì)量控制值。通過對(duì)附加防腐蝕措施研究比對(duì)，采用在鋼管內(nèi)、外進(jìn)行環(huán)氧涂料防腐涂裝，結(jié)合犧牲陽極保護(hù)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(fù)電荷的氯離子會(huì)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(tái)混凝土中預(yù)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(jìn)行陰極保護(hù)，完全控制腐蝕及阻止點(diǎn)蝕。

1.3 鋼管復(fù)合樁結(jié)構(gòu)耐久性健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定量監(jiān)測(cè)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(jié)構(gòu)的耐久性健康狀況的關(guān)鍵參數(shù)并定量預(yù)測(cè)其耐久性剩余使用壽命，為后期的管理維護(hù)和耐久性再設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

2 ?鋼管復(fù)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(fù)合樁共440根，規(guī)格分為Ф2500mm，Ф2200mm，Ф2000mm三種，長(zhǎng)度L=17～60m，均采用工廠預(yù)制大口徑螺旋鋼管樁，材質(zhì)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(cè)防腐分別對(duì)水中區(qū)和泥下區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即承臺(tái)以下約20m范圍采用高性能復(fù)合加強(qiáng)雙層熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂層，內(nèi)層≥300μm，面層≥700μm，加強(qiáng)雙層環(huán)氧粉末涂層總厚度≥1000μm。其余部位采用高性能復(fù)合普通雙層熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂層，內(nèi)層≥300μm，面層≥350μm，復(fù)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(cè)

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(jié)合涂裝工藝固化成膜，涂層致密完整，機(jī)械性能好，涂層與金屬基底有牢固的結(jié)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(zhì)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(cè)厚儀逐根測(cè)量涂層厚度是否符合設(shè)計(jì)要求，不符合涂層厚度要求的重新涂裝;用電火花檢漏儀對(duì)鋼管涂層進(jìn)行逐根檢查，檢漏電壓為5V/μm，漏點(diǎn)數(shù)量不大于0.1個(gè)漏點(diǎn)/m2，當(dāng)漏點(diǎn)超過上述數(shù)量或個(gè)別漏點(diǎn)的面積大于或等于250cm2，則對(duì)該鋼管進(jìn)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(cè)見圖2。

3 ?鋼管復(fù)合樁犧牲陽極保護(hù)技術(shù)及監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 犧牲陽極技術(shù)

鋼管復(fù)合樁采用犧牲陽極保護(hù)與涂層聯(lián)合防腐蝕，有效保護(hù)年限t≥60年。在有效防腐蝕年限內(nèi)，被保護(hù)鋼管復(fù)合樁的保護(hù)電位始終控制在最佳保護(hù)電位范圍，鋼管復(fù)合樁表面無明顯銹蝕，保護(hù)度大于90%，犧牲陽極材質(zhì)不污染環(huán)境，犧牲陽極預(yù)埋件、電性導(dǎo)通、焊裝質(zhì)量等全面滿足設(shè)計(jì)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(fù)電荷加速鋼材銹蝕。在施工階段對(duì)所有鋼管樁、承臺(tái)、墩身混凝土中鋼筋進(jìn)行電連接，采用交流阻抗表測(cè)量任意兩點(diǎn)鋼筋得到的電阻值應(yīng)小于1歐姆，再對(duì)鋼管樁腐蝕及犧牲陽極合金塊消逝情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)消逝情況及時(shí)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(zhǎng)及造價(jià)便宜等特點(diǎn)[8]，針對(duì)鋼管復(fù)合樁工作海域的水質(zhì)情況，選用Al-Zn-In-Mg-Ti高效鋁合金犧牲陽極進(jìn)行保護(hù)，其電化學(xué)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(hù)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(hù)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(tái)、440根鋼管復(fù)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(yù)埋板熱鍍鋅;承臺(tái)內(nèi)預(yù)埋Φ12的饋電鋼筋;墩身焊接預(yù)埋均壓鋼筋——均壓鋼筋與墩身預(yù)埋鋼板間的焊接，墩身焊接預(yù)埋饋電鋼筋——饋電鋼筋與墩身預(yù)埋鋼板間的焊接，要求鋼筋焊接電阻R>0.01Ω;墩身外側(cè)焊裝犧牲陽極裝置，焊縫4條，每條焊縫長(zhǎng)度>10cm，焊縫高度h>6mm，咬合緊密，連續(xù)均勻，嚴(yán)防虛焊和夾渣焊;陽極裝置焊裝完成后，預(yù)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(fù)合樁，放到設(shè)計(jì)位置后水下擰緊固定;水下濕法焊接，并檢查水下焊接質(zhì)量;焊腳涂層破損處，采用SLF涂料進(jìn)行涂層保護(hù);測(cè)量鋼管復(fù)合樁保護(hù)電位。

3.4 犧牲陽極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.4.1 鋼管復(fù)合樁鋼管及混凝土鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)是利用安裝的犧牲陽極保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)探頭、電位測(cè)試儀，借助無線電數(shù)據(jù)通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出電流和鋼管復(fù)合樁在不同深度位置的保護(hù)電位，監(jiān)測(cè)鋼管復(fù)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計(jì)分析，判斷和評(píng)價(jià)鋼管復(fù)合樁的腐蝕與防護(hù)綜合狀況[9]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由參比電極、電纜、傳感器、記錄儀等設(shè)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(cè)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(cè)傳感器系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)傳感器、電纜、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、防干擾機(jī)箱以及監(jiān)測(cè)操作軟件。此系統(tǒng)可以對(duì)鋼筋腐蝕速率、氯離子濃度和混凝土電阻率進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)分析。運(yùn)營(yíng)期，通過預(yù)埋傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氯離子濃度、鋼管復(fù)合樁及鋼筋腐蝕電位及速率，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸、分析與整理來間接評(píng)價(jià)鋼管復(fù)合樁耐久性狀況。當(dāng)監(jiān)測(cè)到犧牲陽極合金塊即將耗盡時(shí)可及時(shí)予以更換。

4 ?結(jié)語

作為世界橋梁建設(shè)史上跨海里程最長(zhǎng)、投資最多、施工難度最大的橋梁項(xiàng)目，港珠澳大橋工程對(duì)質(zhì)量有著非常高的要求。通過對(duì)鋼管復(fù)合樁采取犧牲陽極保護(hù)附加防腐蝕措施，進(jìn)一步提高海洋工程樁基混凝土的耐久性，結(jié)合多項(xiàng)智能化技術(shù)初步實(shí)現(xiàn)了港珠澳大橋工程建設(shè)質(zhì)量，要使得這種防腐蝕技術(shù)及監(jiān)測(cè)措施所產(chǎn)生的作用達(dá)到最終的效果，確保工程結(jié)構(gòu)使用壽命120年以上，還需要在運(yùn)營(yíng)期間加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與分析，及時(shí)采取有效的保證措施[10]。

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