港珠澳大桥“强筋健骨”的奥秘
 
“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海。”海洋给了人们美丽的风景和瑰丽的想象，然而，海洋环境也是腐蚀性最为严酷的自然环境。港口码头、石油平台、钢桩、桥梁等，如何在乘风破浪中更持久地坚守？
中国科学院金属研究所面向国家建设海洋强国的战略需求，从上世纪90年代初即开始研究海洋工程重腐蚀防护技术。两年前，世界最长的跨海大桥港珠澳大桥通车。保障其达到120年的耐久性设计要求，金属所提供的桥基钢管复合桩系列防腐蚀解决方案功不可没。
大型工程的考验
“国际上的重大海洋工程几乎都在我国，但海洋重腐蚀防护技术却由国外垄断，在实际应用过程中经常出现‘卡脖子’情况。”金属所材料耐久性防护与工程化创新团队负责人李京介绍。
20多年来，这支科研队伍先后开展了重防腐涂装技术基础和应用研究与开发和生产。其技术成果已经在秦山核电站海水冷却回路系统、国家“西气东输”工程用天然气管道弯管、杭州湾跨海大桥钢管桩等重大基础防腐工程中发挥了不可替代的作用。
这次，碰到的是一个“硬骨头”，对金属所科研人员提出了新的挑战。
“普通钢板来这个地方，当天就会生锈。经过普通防锈漆处理，大概防锈时间也就是半年到一年。”时任港珠澳大桥管理局工程管理部副部长景强说。
港珠澳大桥全长近50公里，除去隧道部分的海中桥梁长度约为23公里，由将近1500根钢管复合桩支撑起来，体量庞大。钢管桩作为深埋在水面下数十米的桥梁根基，在120年的全寿命周期中无法更换且维护困难，必须确保可靠性，做到万无一失。
李京告诉《中国科学报》，港珠澳大桥的基础防护工程主要是对钢管复合桩的防腐施工。钢管桩位于海泥环境中，防腐涂层的破坏方式主要来源于打桩过程中的机械损伤、泥砂碎石磨划伤和泥下腐蚀因素的长期侵蚀、性能衰退等。
此外，“对于整个港珠澳大桥来说，钢结构防腐防锈其实只是其中的一个环节。占大桥2/3体积的混凝土结构防腐同样决定着大桥120年能否屹立不倒。”景强补充道。
为了让这座大桥“强筋健骨”，金属所科研人员扎根实验室挑灯夜战，在施工一线摸爬滚打，拿出了一套联合防护技术。
为大桥上“双保险”
“我们完成了大桥基础钢管复合桩防护涂层工艺设计、阴极保护系统设计、原位腐蚀监测系统设计等，研制出用于大桥混凝土结构用的新一代高性能环氧涂层钢筋，并参与大桥基础的防腐涂装施工，保障了港珠澳大桥基础120年耐久性设计要求。”李京介绍。
针对港珠澳大桥特定的海泥环境，从论证时起，团队就开展了相关涂层的研发工作，先后从涂层的抗渗透性、耐阴极剥离性等关键性能指标着手，研制新型涂料，解决涂层的耐久性问题。
目前，大多服役涂层耐久性都很短，一般在5年至15年的水平，主要是采用溶剂型涂料。科研人员通过调整涂层配方和改善涂装工艺，降低了涂层的吸水率和溶出率，有效提高了涂层的抗渗透能力，增强了涂层与金属的粘结强度。
以主要应用于钢管桩外壁的SEBF涂层为例，其与基体的粘接强度达到了国内外同类产品的一倍以上，充分保证了打桩过程中涂层的完好性。该涂层在酸碱盐环境中的化学稳定性都非常出色，抗水防渗能力优异。
港珠澳大桥基础桥墩使用的是海工混凝土。混凝土中钢筋不受腐蚀，混凝土的强度也就有了保证。团队开发出一种高性能涂层钢筋技术，满足了港珠澳大桥工程需求。
不过，120年耐久性设计要求仅仅依靠涂层防腐的防护手段是远远达不到的，必须加上阴极保护技术这个“双保险”。
“以往我国跨海大桥的阴极保护重点是浸在海水中的钢管桩，而港珠澳大桥的多数钢管复合桩均位于混凝土承台下的海泥中，如何实施阴极保护没有先例可鉴。”团队成员魏英华说。
金属所科研人员针对该腐蚀环境和地构特点，重点研究了钢管复合桩在灌入不同地质层后阴极保护面临的难题，采取巧妙方法，选取极端边界参数推算保护效果，有效解决了复杂环境中阴极保护设计问题。
可行可靠
这样的技术路线是否真能起到切实的防护效果，并无先例可循，相关的理论基础也需要重新确立。
为验证设计的可行性，科研人员按照1：20的比例进行模拟实验，并尽可能地模拟了港珠澳大桥钢管复合桩穿越的地质环境。缩比模型实验证明该设计计算方法是正确可行的，随后在桥址实地进行1：1工程足尺结构试验验证，结果表明在海水中安装高效牺牲铝阳极能充分保护海泥中的钢管桩。
在模拟实验后，科研人员采取钢管内壁安装保护设施监测探头的方法，将探头伴随打桩深入近百米的海泥下实施原位监测，有效解决了在海泥下安装探测设备难的问题。采用这种方式安装探测设备，在全球海洋工程界尚属首次。
三年多的施工现场，留下了金属所科研团队的无数足迹，往日面庞白净的科研人员个个都晒成了“科研黑”。伶仃洋上的炙烤和台风从来没有吓倒这支土生土长的北方团队，就连常年在当地施工的大桥建设方都对这支队伍的顽强和拼搏精神啧啧称赞。
深厚的积累是创新的源泉。金属所材料耐久性防护工作不仅使港珠澳大桥120年寿命成为可能，更推动了我国海洋工程防护水平的发展，为我国重大海洋工程耐久性设计提供了宝贵经验。
比如，“在港珠澳大桥用二代耐蚀涂层钢筋基础上，我们根据远海工程建设的特殊需求，成功研发出新一代高性能耐蚀涂层钢筋，并在远海海防建筑结构、护岸加固工程进行示范应用，结束了远海岛屿工程混凝土结构钢筋无涂层‘裸用’阶段。”李京说。
不畏艰苦、潜心研发，中科院金属所科研人员始终坚持以国家需求为导向，在碧海蓝天的浪漫里留下了奉献与担当的身影。