如何避免跨海大橋腐蝕成「豆腐渣」？

出品| 網易新聞學院

作者| 須臾千秋，清華大學土木系建築材料專業博士

如今，隨著技術的積累，中國正逐漸崛起，成為土木工程強國。而在所有土木工程門類里，海洋工程如港口、橋樑等始終是其中的一大難點。

　　為什麼海洋工程的難度如此之大？

　　因為海水「咸」！

圖為港珠澳大橋，圖片來自網路

海里建築壽命低，原因有三：「咸」+乾濕交替+高溫

　　「咸」，主要是說海洋的腐蝕環境。相比起濕度較為恆定、空氣成分簡單的內陸環境，濕度高、鹽度大的海洋環境對於各類工程的腐蝕作用極強。

　　比如說，有一種航空裝備叫壓力機，主要是提高進入飛機發動機的空氣壓力，為燃燒室提供高壓空氣，以提高發動機熱力循環的效率。同型號的壓力機在內陸服役時間可以超過10000小時，而到了南海地區，就只剩下500-1000小時。

　　還有，在內陸地區可以輕鬆屹立50年的建築，到了海里不到三五年就剝蝕得不能使用了。

圖為被腐蝕的橋墩，雖然比較模糊，但可以明顯看到暴露的鋼筋

「咸」——混凝土、鋼筋一概不放過

　　海水不同於淡水，它是一種腐蝕性很強的液體。海水中含有大量的腐蝕性離子，如鈉離子、氯離子、硫酸根離子等。它們作用於混凝土結構上，會使得表面的混凝土發生劣化。海水中硫酸鹽甚至會在混凝土內產生結晶，晶體生長將混凝土脹裂，使得鋼筋暴露在外。

　　而鋼材本身又是一種非常容易鏽蝕的東西，一旦失去了混凝土的保護，帶有離子和溶解氧的水就會接觸到鋼筋表面形成原電池（翻翻高中化學課本），鋼筋就會迅速腐蝕甚至斷裂，到這時，整個結構也就壞掉了。

乾濕交替——飛沫區建築最易變成「豆腐渣」

　　不過，「咸」只是海水腐蝕的一部分原因，海洋環境之所以對建築物的傷害巨大，最重要的是因為其乾濕交替的環境。

海洋環境示意圖，受害最嚴重的是飛沫區

　　事實上，完全浸沒在海水中的那部分建築結構（比如橋墩）雖然接觸到的海水比露出水面的部分多得多，但是由於海水中環境穩定，濕度始終保持不變，其受到的腐蝕作用並不強。反倒是暴露在空氣中的飛沫區，雖然很少能直接接觸到海水，但大量的海水飛沫裹挾著鹽分衝擊結構，結構表面一會兒干一會兒濕，每顆小飛沫還都攜帶著有害離子粘在上面，折騰不了幾年，這部分結構就變成了豆腐渣。

高溫——加快腐蝕進度

　　更可怕的是，中國的多數海域夏天都非常炎熱，南海更是一年四季艷陽高照。這樣的高溫也大大加快了腐蝕的進程，使得海洋土木工程師面對更大的挑戰。

防腐大法一：更換零件法

　　面對如此惡劣的海洋環境，工程師們自然也不能愧對自己的工資。於是，他們想像出了許許多多對抗海洋環境腐蝕的方法，其中最重要的就是……勤換零件。

　　這算個什麼方法啊？

　　你別說，這還真是個方法。海洋橋樑的設計使用壽命動輒高達幾十甚至上百年，像港珠澳大橋這樣的超級工程更要達到120年。環境複雜多變，再優秀的工程師也沒法保證所有的零件都能用上那麼久。更何況，延壽也是要錢的。即使想辦法讓零件都達到了這個壽命，造價也會高到無法承擔。乾脆，它壞了你就換嘛！

表格是某設計壽命120年的跨海橋樑部分構件的使用壽命

　　針對那些易於損耗的構件，定期更換的做法是可行的。

　　但是每次更換構件，勢必影響到工程設施的使用。比如更換個橋面板，恐怕就要十天半個月無法通車。更何況，像橋墩這種重要構件，與其更換橋墩，還不如重新修座橋呢。

防腐大法二：混凝土加強法

　　工程師們思來想去，還是要給構件延壽。打鐵還需自身硬，延長混凝土結構的壽命，就要提高混凝土本身的性能。因此，在海洋工程中，工程師們會選擇強度更高的混凝土。

　　例如，在普通的民用建築中通常採用能抗30兆帕應力的混凝土，而到了海洋工程中就會選擇60、80兆帕甚至更高強度的混凝土。

　　除了強度更高以外，這種高性能混凝土還比普通混凝土更為緻密，其內部的微孔隙更小，從而使得海洋中的離子更難透過。

　　此外，工程師們還會在混凝土中添加外加劑，以使得新拌混凝土的流動性更好，硬化之後更加緻密；還採使用一些工藝防止混凝土開裂，也是為了防止海水中的離子進入結構；正確地選擇骨料、水泥的種類也有助於混凝土抗腐蝕性能的提升。

防腐大法三：鋼筋防鏽法

　　對於建築結構來說，混凝土剝落一點，問題還不大，但要是裡面的鋼筋壞了，那可要了親命。鋼筋是重要的抗拉構件，除了支撐結構外，還主要承擔抗震功能。然而，鋼鐵恰恰屬於特別容易鏽蝕的材料。

　　如果在陸地上，在混凝土內強鹼性環境的保護下，鋼筋表面會發生鈍化，不容易生鏽；但在海洋結構中，混凝土表面被海水逐漸腐蝕剝離，鋼筋就要直面洶湧的海水了。

混凝土橫截面示意圖

　　因此為了保護鋼筋，海洋結構中通常會增加混凝土的保護層厚度來延緩鋼筋被侵蝕的時間。這種做法允許離子侵入構件表面並使得表面的混凝土劣化，但是離子很難深入到鋼筋的位置，鋼筋也就得以保全。

　　除此之外，為防止鋼筋生鏽，也會在混凝土中添加亞硝酸鹽、有機胺等阻銹劑防止鋼筋生鏽。總之，只要鋼筋不軟，海洋結構就永遠硬！

防腐大法四：替代材料法

　　有些工程師的頭腦更加活泛：既然鋼材和混凝土這些傳統材料都不防腐，那為何不選用些防腐的材料呢？

　　那麼什麼材料最防腐？

塑料！

　　當然，普通的塑料是不行的，要採用那些強度特別高、性能特別優秀但還不能太貴的複合材料。例如乙烯基樹脂、超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維以及不是塑料、勝似塑料的玻璃纖維、碳納米纖維等。對這些材料進行膠合、壓模之後，就可以製成「FRP鋼筋」應用於建築材料之中。這些高分子材料雖然比較昂貴，但防腐性能絕對一流，強度也不比鋼材低。

圖中這些長得像鋼筋的東西就是由有機高分子材料製成的耐腐蝕「FRP鋼筋」，防腐性能絕對一流

　　除了製成加固筋以外，高分子材料也可以編織成網，應用於建築結構的表面。它可折可彎，一貼就靈，也不需要大型施工設備來幫忙，既可以應用於原始結構當中，又可以用於既有建築物的修復，真可謂優秀的建築材料。

　　更可貴的是，這種材料便於大批量生產，造價也可以被產量平攤。因此，這種材料在船舶、港口、橋樑等工程中的應用十分廣闊。

碳纖維織物，多功能建築材料

缺了「毒性」塗料，你的大橋還是藥丸！

　　講到這裡，幾種主流的海洋橋樑防腐措施就已經跟大家講了個八九不離十。但是別忘了，還有一種材料，它既不怎麼環保，也不能保護鋼筋，可是這種材料卻非常重要。不論是在船底，還是在橋墩的水面以下部分，可以說如果沒有這種塗料，我們以上所做的工作恐怕都要打個折扣。它就是以有機錫為代表的一類「毒性」塗料。

　　它有什麼用呢？

　　它的用途就是，如果沒有它，你的大橋上就會長滿……怎麼說呢……

　　「海鮮」。

長滿蠣岈的橋墩

　　如果長此以往，附近的漁民伯伯可能會發一筆小財，但你的大橋恐怕藥丸。

作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

投稿請聯繫newsresearch_ntes@163.com，稿件一經刊用，將提供千字800元的稿酬。

——————————————

歡迎關注《了不起的中國製造》官方微博

歡迎關注《了不起的中國製造》網易號

編輯| 於冉帝

推薦閱讀：