＊王靜 王寧 樊志彬 趙倩玉 侯保榮* 寧延利 胡藝騰

（1.中國科學(xué)院海洋研究所 山東 266071 2.國網(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、水路交織成一張運輸網(wǎng)。據(jù)交通運輸行業(yè)相關(guān)統(tǒng)計表明：截至2020年，我國公路橋梁數(shù)量達91.28萬座，長度6628.55萬延米，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，拉動了經(jīng)濟的增長，平衡了地域的發(fā)展。

然而，橋梁的維護是橋梁使用過程中不容忽視的難題，通常維修所花費的時間和金錢要遠高于修建一座新橋[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)濟上的巨大損失，同時橋梁坍塌等事故也給我們的生命安全帶來嚴(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題即成為維護橋梁使用安全的關(guān)鍵因素[12-17]。

圖1 南昌新八一大橋拉索錨頭腐蝕、拉索PE護套開裂

1.腐蝕失效實例分析

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)量檢測中心對南昌新八一大橋主橋進行病害檢測和結(jié)構(gòu)健康狀況評定，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到10%，自然剝落銹塊達25mm以上。最終于2009年全面換索，拉索實際使用壽命11年，換索費用約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。整個事故造成直接經(jīng)濟損失約1千萬元人民幣。

圖2 宜賓小南門金沙江大橋橋面垮塌和拉索病害

福建福州解放大橋為五聯(lián)跨鋼管砼中承式拱橋，全橋總長324m。大橋于1996年10月建成通車。2001年對該橋進行檢查時發(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，直接費用約600萬元人民幣。

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，每根鋼索的造價在20萬元以上，設(shè)計壽命是20年，但實際使用壽命僅為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長的橋面塌陷，致交通中斷，不僅國內(nèi)發(fā)生許多橋梁的腐蝕事件，國外也曾報道過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影響下192根鋼索中有25根存在嚴(yán)重隱患。由于沒有及時發(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)時耗資5000萬美元、歷時兩年才更換了全部384根斜拉索。

圖3 橋梁主纜腐蝕

英國哈默天橋，鋼纜索腐蝕失去拉力，2012年更換；英國福斯公路大橋，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6000萬美元，是原來造價的四倍。

綜合以上國內(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)點的失效往往是導(dǎo)致橋梁失效的主要原因。對橋梁易發(fā)生腐蝕破壞的異型部件進行整理分類，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)定性和耐久性對懸索橋的安全運營起到至關(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，護欄螺栓、焊縫等異型節(jié)點部件，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，其強度也會有較大損傷，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)多長期積水，環(huán)境潮濕，針對錨室內(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，涂料的防護壽命短，防護效果差。除濕系統(tǒng)一方面設(shè)備費用貴，前期投入大，后期運營、維護費用高昂，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)無法把錨室整個空間的潮濕度長期控制在60%以下，所以在國內(nèi)錨室除濕系統(tǒng)幾乎成為擺設(shè)。對于使用耐蝕鋼，雖然一定程度上可以提高鋼的耐蝕能力，但價格相對較高，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]。針對橋梁拉索、吊桿等目前采取的主要防腐措施為PE套保護、使用不銹鋼絲拉吊索及鋼索干風(fēng)除濕系統(tǒng)等；而對于橋梁護欄、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套雖然在一定時間內(nèi)可以有效保護拉索、吊桿，但PE套易老化、開裂、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拉索的使用壽命，減少換索次數(shù)，但其價格遠高于傳統(tǒng)拉吊索用鋼絲價格，成本投入太大。涂刷防腐涂料是橋梁防腐普遍采用的措施，但是對于護欄、索具、螺栓等異型部件，由于表面處理難以達到標(biāo)準(zhǔn)，再加上涂裝環(huán)境和施工技術(shù)的影響，防護壽命僅為1～3年。如圖5所示，國內(nèi)某新建橋梁，還未通車，就發(fā)現(xiàn)涂刷完涂料的護欄及螺栓部位，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時，此類材料在夏季會出現(xiàn)融化流淌的現(xiàn)象，需要定期維護，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、開裂，防護壽命短，后期維修、維護的成本高。

圖4 PE破壞開裂照片

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

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)的特點及優(yōu)點

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日開工，2004年8月28日通車。橋梁全長1040m，寬27m，雙向四車道，總投資31261萬元。

錨室由于臨近江邊，基本每年雨季都會出現(xiàn)進水現(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，對柳州紅光大橋的錨碇部位進行了PTC整體防護，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

壩陵河大橋是國家重點公路建設(shè)項目滬瑞國道主干線貴州鎮(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1564m、主跨1088m，是2018年前“國內(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，中國科學(xué)院海洋研究所技術(shù)人員會同壩陵河橋隧管理站方對壩陵河大橋錨室鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況進行了現(xiàn)場調(diào)研?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于壩陵河大橋的錨固系統(tǒng)長期處于溫潤的潮濕環(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，中國科學(xué)院海洋研究所的技術(shù)人員會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行了PTC包覆示范。2018年11月，對PTC包覆示范效果進行了現(xiàn)場驗證，驗證結(jié)果如圖9所示。圖9（a）表明打開驗證前防腐層完好，圖9（b）顯示擦掉防蝕膏后鋼結(jié)構(gòu)沒有繼續(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）和沒有包覆部分（下半部分）的對比圖，結(jié)果表明PTC包覆技術(shù)對其起到了有效地保護效果。

圖9 壩陵河大橋隧道錨室PTC包覆驗證結(jié)果

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

C.PTC防腐技術(shù)在其他橋梁防腐中的應(yīng)用實例

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)的特點及優(yōu)點

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，無明顯鼓泡和浮銹即可，表面處理要求低。施工后，防護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)，從而達到長效的防腐蝕性能。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.秀山大橋護欄基礎(chǔ)防腐工程

秀山大橋位于舟山市岱山縣，全長3063m，橋?qū)?4m，雙向四車道。其主橋為主跨926m的雙塔三跨鋼箱梁結(jié)構(gòu)懸索橋，全長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，需具備高強度、抗震性能優(yōu)良等特點。一旦出現(xiàn)腐蝕問題，會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，完成了秀山大橋護欄基礎(chǔ)防腐施工，共完成防撞護欄底座（8284套）、路燈底座（206套）和檢修護欄底座（1982套）。

圖14 秀山大橋護欄基礎(chǔ)防腐施工

B.OTC防腐技術(shù)在其他橋梁防腐中的應(yīng)用實例

圖15 太原汾河景觀人行橋節(jié)點及焊縫采用OTC防腐技術(shù)

圖16 長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

我國是橋梁大國，近年來，大型、特大型橋梁紛紛建成。而腐蝕防護是這些已建成橋梁運行維護的一個主要方面，直接影響到橋梁的運行安全和使用壽命。解決橋梁的腐蝕問題可以有效減少維護橋梁所產(chǎn)生的費用，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橋梁進行腐蝕防護勢在必行。PTC防腐技術(shù)、OTC防腐技術(shù)具有表面處理簡單、防腐壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，可解決橋梁錨室等潮濕、積水部位及長期暴露于大氣環(huán)境中拉索、吊桿、索具、螺栓等異型部位的腐蝕問題，是保障橋梁腐蝕安全的有效防護措施。