古语云：“山无径迹，泽无桥梁，不相往来”，发展交通是发展经济的必要手段，而桥梁对于交通系统无论是从安全性、耐久性、经济性和适用性角度都是最合适的选择，是世界各国交通系统中最重要的组成部分。这其中，海洋桥梁的建设既可以充分促进沿海经济的发展，也是国家海洋战略安全的需要。我国最近几年已建和即将工建设的海洋大桥有：杭州湾跨海大桥、上海东海大桥、舟山大陆连岛工程、厦门海仓大桥、上海长江大桥、琼州海峡大桥、渤海湾跨海工程、青岛海湾大桥、港珠澳大桥等。其中，已建成的当今世界上最长的跨海大桥- 杭州湾跨海大桥（见图1），是我国“五纵七横”国道主干线中，同江至三亚沿海大通道和沈阳至海口高速公路跨越杭州湾的最便捷通道。它将宁波、舟山等浙东南地区与上海连接起来，与沪杭、杭甬高速公路一起构成沪、杭、甬2 小时交通圈。杭州湾跨海大桥的建立，极大地提升了宁波的产业升级和战略布局，位于杭州湾大桥南岸的宁波杭州湾新区以前只是一片茫茫滩涂，现已成为年产值超过1000 亿元，宜商、宜居的现代化新城。

图1 建成的杭州湾跨海大桥

  近20 年，我国建设了一大批结构新颖、现代化程度和科技含量高的斜拉桥、悬索桥、拱桥等特大型海洋桥梁，积累了丰富的桥梁设计和施工经验，桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。桥梁的设计寿命从过去的30-50 年增加到80-120 年，这对社会财富积累、建设节约型社会意义重大，更重要的，是保障了桥梁服役期的安全可靠性。目前，新建海洋大桥的设计寿命为100 年，是指通过腐蚀防护技术保护桥梁结构的条件下大桥有效使用100 年。而我国过去基础设施的设计寿命大多为30-50 年，因此100-120 年寿命目标的提出，对桥梁腐蚀防护技术、腐蚀防护管理均提出了更高要求。

  海洋桥梁的腐蚀问题

  钢管桩腐蚀

  混凝土护栏腐蚀

  紧固件缝隙腐蚀

  钢板缝隙腐蚀

  混凝土桩腐蚀

  桥梁板混凝土腐蚀

图2 ：混凝土桩腐蚀

  海洋环境中，桥梁承受着海洋大气、海浪冲蚀等多种腐蚀损伤因素的交互作用，对桥梁结构的完整性和稳定性造成损伤。这种结构完整性损伤会在飓风载荷和车辆的交变载荷下加剧，对桥梁产生严重破坏，甚至导致桥梁坍塌。 美国旧金山San Mateo-Hayward 跨海大桥，处于浪溅区的预制横梁因钢筋锈蚀产生破坏，使用不到20 年就必须耗巨资进行修补。我国在役的许多海洋桥梁、码头在建设初期未能进行腐蚀全面控制，投运3-15 年之后，一般都会发生钢筋锈蚀、混凝土沿筋开裂，有的甚至会提前进入劣化期，导致计算简图彻底改变，结构的承载力丧失。对于严重腐蚀的结构，目前尚无成熟的康复技术，即使投入大量资金，其结果也只是阻止加速腐蚀，但桥梁必须降级使用。 大量工程经验表明，不重视海洋桥梁的腐蚀问题会造成巨大的经济损失和垮桥事故，腐蚀与防护已经成为海洋桥梁建设时需要考虑的重要问题。

  钢筋混凝土结构腐蚀与防护

  海洋桥梁钢筋混凝土长期受到海风、海水等因素侵蚀，遭受严重腐蚀破坏，带来重大的经济损失和安全隐患。据我国对华南沿海一些港口码头建筑的调查可知，海上建筑物在建成十年左右便出现了不同程度的腐蚀现象，如混凝土出现锈蚀、锈蚀裂缝、剥落、露筋等。比如， 厦门海沧大桥运营十几年后，18、19 号桥墩以及西塔承台由于长期受海水的冲击作用，钢筋发生腐蚀引起了混凝土保护层的开裂。据统计，我国每年由于腐蚀造成的钢筋混凝土损坏带来的经济损失可达1000 亿元人民币。其中，浪溅区和海洋大气区内服役的钢筋混凝土结构受到的腐蚀破坏最为严重，典型的腐蚀破坏形式包括钢筋沿横截面腐蚀以及混凝土沿腐蚀钢筋开裂，见图3、4 所示。

图3 钢筋沿横截面腐蚀

  图4 混凝土沿钢筋开裂

  为减轻混凝土结构腐蚀引起的桥梁破坏，科研人员开发出很多混凝土结构的腐蚀防护方法，主要有使用高性能混凝土、增加混凝土保护层厚度、混凝土涂料、涂层钢筋、电化学保护以及添加阻锈剂等。

  高性能混凝土（High performanceconcrete，简称HPC） 是采用低水灰比和掺加足量的矿物细掺料与高效外加剂，降低水化热，防止大体积混凝土由于热效应而产生裂缝。混凝土保护层最小厚度有明确规定，比如浪溅区的预应力混凝土保护层最小厚度为90mm。混凝土涂层是在混凝土表面涂覆有机成膜物质，为隔绝Cl-、CO2、盐雾等腐蚀介质的入侵。对于常年潮湿的特殊环境，涂层的底漆必须选用可湿面固化且不含防锈颜料的涂料。可用于混凝土表面的涂层种有：环氧涂料、乙烯基涂料、沥青涂料、氯化橡胶涂料、聚氨酯磁漆以及氟碳涂料等。电化学保护是混凝土中钢筋腐蚀控制有效、经济的方法，主要包括外加电流与牺牲阳极两种形式。杭州湾跨海大桥南、北航道桥主墩承台、塔座及下塔柱处于潮差区和浪溅区，采用了外加电流阴极防护系统。对于飞溅区、潮差区等具有低电阻和润湿特征的部位也可采用牺牲阳极阴极保护，如青岛海湾大桥采用夹克式牺牲阳极阴极保护系统。

  涂层钢筋是在钢筋表面涂覆涂层隔绝钢筋与腐蚀介质接触。70 年代，美国交通部通过大量的研究与对比试验，证实了在各种钢筋防腐方法中环氧树脂涂层钢筋的防腐性能最佳。试验证明经钢筋环氧树脂涂覆后，建筑物使用寿命可延长50 年以上，且维修成本大大降低。目前环氧树脂涂层钢筋已广泛应用，如香港青马大桥、兰巴峡海港大桥、东海大桥、杭州湾跨海大桥等。此外，还可以对海洋桥梁混凝土结构实施附加防护措施、如渗透性模板、阻锈剂等。

  钢结构的腐蚀与防护

  桥梁上钢结构有钢管桩、钢箱梁和钢制拉索等承重结构，以及钢围堰、承台底板以及螺栓紧固件、焊接结构等。桥梁上几乎所有的钢结构都受到力学和化学的共同作用，这导致腐蚀对钢结构产生更严重的危害。

  钢箱梁、钢制拉索所处的腐蚀环境主要是海洋大气区，腐蚀因素主要是汽车尾气和海水蒸汽，在这一环境中钢箱梁和钢制拉索的腐蚀形式以均匀腐蚀和点蚀为主。由于海洋大气环境非常潮湿、钢结构表面的电解质溶液充足，当异种金属结构相连时钢结构还较容易发生电偶腐蚀。德国汉堡的Kohlbrand Estruary桥，由于斜拉索腐蚀严重，建成的第三年就更换了全部的斜拉索，耗费资金为原造价的四倍，达6000 万美元。要防止斜拉索的腐蚀的主要手段就是要将其与腐蚀环境隔离，防止在斜拉索表面形成电解质的液膜。目前已有镀层、化学涂层、套管压浆法和封闭索等多种防腐手段。钢箱梁处于大气环境中，防腐方法主要采用涂层防护，防腐涂料的性能大大影响着钢厢梁的使用寿命。

  钢管桩是桥梁基础的承重结构，且不可更换，是最需要关注的腐蚀防护结构。钢管桩跨越多种腐蚀区域，腐蚀性最强的是飞溅区，全浸区和海泥区的腐蚀性相对较弱。但是，这两个区域的腐蚀因素却比较复杂，处于全浸区的部分受到海水中溶解的气体、海水流速、悬浮泥沙、温度、压力、海洋动植物、微生物活动、海洋资源开采、渔业作业、远洋运输等多种因素的影响，而海泥区影响腐蚀的因素有微生物、含水量、土壤电阻率、离子浓度等。

  钢管桩的防护采用过热喷涂涂层，挪威1975 年建成的Troms 海滨桥，在钢桩暴露于浪花飞溅区的部分上喷涂160μm 厚的铝金属涂层，然后再涂装封闭涂料进行防护。一年后在钢桩上出现直径达2-6cm 鼓泡，鼓泡中发现红锈，且大部分表面出现裂纹。随着有机涂层技术的发展和性能的提高，有机涂层开始大规模用于桥梁钢管桩的防腐。上世纪90 年代后期，国内防腐界开始在码头钢管桩上应用熔结环氧粉末涂层。该涂料在某种程度上与钢管形成了化学结合，使其具有优秀的防腐性能。1997 年宁波小港协和石化码头钢管桩的潮差区、飞溅区进行了环氧粉末涂层防腐，工程设计寿命为50 年，涂层设计寿命为30 年。涂层厚度设计为400μm-500μm，经过近20 年的使用，涂层依然处于良好状态，参见图5。

图5 宁波协和石化码头钢管桩在飞溅区、潮差区服役近20年后涂层完好

 图6 钢管桩从沉桩处拔出经吊装撞击后的涂层状况，涂层基本无损伤

图7 杭州湾跨海大桥钢管桩浪溅区环氧粉末涂层附着力检验结果

  除了优异的防腐性能和长使用寿命以外，高性能环氧粉末涂层还能满足高强度的打桩的要求。在现场出现撞击、错位拔出钢管桩之后，涂层未见明显损伤，参见图6。杭州湾大桥涂层经过11年服役后重新现场检查，发现涂层完好，参见图7。

  检测时间：2014 年11 月，沉桩时间：2003 年11 月

  2000 年后，杭州湾跨海大桥、金塘大桥、宁波港象山港大桥钢、上海崇启大桥、广东南澳大桥、浙江台州大桥以及港珠澳大桥等跨海跨江大桥的钢管桩都开始采用高性能环氧粉末涂层防腐，并将桥梁的设计寿命提高到了100-120年的基准期。

  除了使用高性能涂层外，阴极保护也是钢管桩保护的必要手段，由于裸钢在海水中对阴极保护电流的需求很大，工程中一般采用外加涂层和阴极保护联合防护的方法对钢管桩进行防护。在对钢管桩进行阴极保护设计时要考虑这种情况，当承台钢制底板与钢管桩之间的绝缘性不好时，钢制底板也会接收到阴极保护电流，使钢管桩的保护电流不足，影响极保护的效果。

  长耐久性需求下海洋桥梁腐蚀防护的思考

  首先是提高海洋桥梁设计过程中对防腐设计方面的重视程度，理解耐久性防腐设计的经济价值。采用耐久性防腐技术设计会导致初期造桥成本提高。但从桥梁全寿命期的经济性考虑，采用耐久性防腐设计的桥梁在全寿命内维修费用会低得多。因此，对于海洋桥梁结构防腐技术的经济性分析，要采用寿命周期费用分析法（LCC 评价方法）。将结构物在一定评价周期内的所有费用都计算在内，并考虑资金的时间价值，把不同时期产生的费用按相同贴现率计算其现值，最后根据各个方案总现值来评价经济性的好坏。

  其次，采用分区原则选择腐蚀防护方法，划分各区域时要考虑环境特点、材料特点以及防腐方法的经济性等。不同区域海洋大桥腐蚀环境多有不同，选择的防护方法存在较大区别，如杭州湾海域的泥沙含量、水流速较大，而港珠澳大桥海域则存在较多微生物，这些环境特点在防腐设计时必须予以考虑。

  再者，防止“过保护”，在腐蚀方法选择上注意存在“过犹不及”的可能性，比如金属表面处理，国际标准普遍采用喷砂除锈等施工工艺，但也存在误区，例如：凡是表面处理，一律是机械喷砂（ 丸），事实上，对于栏杆等异型构件采用化学除锈即可，且该技术无公害；凡遇处理等级，都是Sa 2.5 级，而未根据实际需要情况进行具体选择。

  最后，重视长耐久性需求下腐蚀防护监测。腐蚀过程是一个渐变过程，在其未达到很严重的程度引起结构破坏前往往表现得不明显。一旦腐蚀发生了，结构材料性能将不可逆转地加速退化。为了能确定腐蚀退化区以及相应的退化机制，必须对桥梁结构进行有效地监测，在监测基础上对结构退化部分及时采取修复措施。对于海洋桥梁结构在服役期间的腐蚀防护管理，有两种战略方案，一是“被动式”的“等待及观察腐蚀发生”的检测方式，这种被动式的监测方案是以往桥梁上最常采用的，比如间隔特定的时间对桥梁结构进行巡检，发现有大的损害则采用补救措施，而对于不可见的腐蚀就无法发觉了。二是“主动式”的“监测不可见的腐蚀”的方式，这种监测方法需要对桥梁结构的表面进行全方位详细检查，对混凝土内部通过预埋的腐蚀监测探头检查其状态，发现有腐蚀开始的迹象采取预防措施。两种方法的经济效应和性能对比参见图8。

图8 腐蚀防护监测方案

  由图可见，对于相同的服役时间，采用主动式的监测、修复方案，其成本要小于被动式监测方案，并且主动式监测方案能保证桥梁处于更好的服役状态。主动式监测方案具有经济性好、可靠性高的特点，在实际工程中应该优先选择。

  结语

  我国处于海洋桥梁建设快速发展时期，桥梁规模、结构复杂程度及耐久性均较以往桥梁有大幅度提高。海洋桥梁的腐蚀防护问题日益得到重视，加强其腐蚀防护工作是保证海洋桥梁耐久性的关键。

  海洋桥梁的腐蚀环境包括从大气到土壤，环境复杂多变，必须依据腐蚀环境和桥梁结构进行有针对性地且严密的腐蚀防护设计。桥梁的腐蚀防护目前仍然针对混凝土和钢结构为保护对象，提倡采用新技术、新材料解决海洋桥梁建设遇到的新的腐蚀问题。桥梁的腐蚀防护问题是安全和经济的问题，在耐久性要求大大提高的情况下，提倡采用全寿命经济方法，转变思路，综合考虑而非仅考虑初期投资成本，为桥梁能更好的服役做铺垫。对目前蓬勃兴起的桥梁结构寿命预测技术，应在桥梁的设计中予以大力支持。而对海洋桥梁的腐蚀监测是维护在其服役过程安全运行的重要保障手段，是对桥梁按时进行检测和维护的前提，必须重视。海洋桥梁的腐蚀防护问题，需要设计者、建设者和管理者携手共同解决，任何一个链条脱节都无法保证桥梁的长期安全。

作者简介

 魏英华博士

魏英华，博士，中国科学院金属研究副研究员，材料耐久性防护与工程化项目组专项负责人，辽宁省腐蚀与防护学会理事，硕士生导师。主要研究领域为国家大型基础建设工程结构材料的耐久性防护，重点解决钢结构、钢筋混凝土结构材料的腐蚀防护问题。完成了杭州湾跨海大桥、舟山跨海大桥、港珠澳大桥、上海青草沙原水工程等多项大型工程的耐久性课题研究、设计及现场实施。发表论文30余篇，获得专利30多项。