「乘風破浪會有時，直掛雲帆濟滄海。」海洋給了人們美麗的風景和瑰麗的想像，然而，海洋環境也是腐蝕性最為嚴酷的自然環境。港口碼頭、石油平臺、鋼樁、橋梁等，如何在乘風破浪中更持久地堅守？
中國科學院金屬研究所面向國家建設海洋強國的戰略需求，從上世紀90年代初即開始研究海洋工程重腐蝕防護技術。兩年前，世界最長的跨海大橋港珠澳大橋通車。保障其達到120年的耐久性設計要求，金屬所提供的橋基鋼管複合樁系列防腐蝕解決方案功不可沒。
大型工程的考驗
「國際上的重大海洋工程幾乎都在我國，但海洋重腐蝕防護技術卻由國外壟斷，在實際應用過程中經常出現『卡脖子』情況。」金屬所材料耐久性防護與工程化創新團隊負責人李京介紹。
20多年來，這支科研隊伍先後開展了重防腐塗裝技術基礎和應用研究與開發和生產。其技術成果已經在秦山核電站海水冷卻迴路系統、國家「西氣東輸」工程用天然氣管道彎管、杭州灣跨海大橋鋼管樁等重大基礎防腐工程中發揮了不可替代的作用。
這次，碰到的是一個「硬骨頭」，對金屬所科研人員提出了新的挑戰。
「普通鋼板來這個地方，當天就會生鏽。經過普通防鏽漆處理，大概防鏽時間也就是半年到一年。」時任港珠澳大橋管理局工程管理部副部長景強說。
港珠澳大橋全長近50公裡，除去隧道部分的海中橋梁長度約為23公裡，由將近1500根鋼管複合樁支撐起來，體量龐大。鋼管樁作為深埋在水面下數十米的橋梁根基，在120年的全壽命周期中無法更換且維護困難，必須確保可靠性，做到萬無一失。
李京告訴《中國科學報》，港珠澳大橋的基礎防護工程主要是對鋼管複合樁的防腐施工。鋼管樁位於海泥環境中，防腐塗層的破壞方式主要來源於打樁過程中的機械損傷、泥砂碎石磨劃傷和泥下腐蝕因素的長期侵蝕、性能衰退等。
此外，「對於整個港珠澳大橋來說，鋼結構防腐防鏽其實只是其中的一個環節。佔大橋2/3體積的混凝土結構防腐同樣決定著大橋120年能否屹立不倒。」景強補充道。
為了讓這座大橋「強筋健骨」，金屬所科研人員紮根實驗室挑燈夜戰，在施工一線摸爬滾打，拿出了一套聯合防護技術。
為大橋上「雙保險」
「我們完成了大橋基礎鋼管複合樁防護塗層工藝設計、陰極保護系統設計、原位腐蝕監測系統設計等，研製出用於大橋混凝土結構用的新一代高性能環氧塗層鋼筋，並參與大橋基礎的防腐塗裝施工，保障了港珠澳大橋基礎120年耐久性設計要求。」李京介紹。
針對港珠澳大橋特定的海泥環境，從論證時起，團隊就開展了相關塗層的研發工作，先後從塗層的抗滲透性、耐陰極剝離性等關鍵性能指標著手，研製新型塗料，解決塗層的耐久性問題。
目前，大多服役塗層耐久性都很短，一般在5年至15年的水平，主要是採用溶劑型塗料。科研人員通過調整塗層配方和改善塗裝工藝，降低了塗層的吸水率和溶出率，有效提高了塗層的抗滲透能力，增強了塗層與金屬的粘結強度。
以主要應用於鋼管樁外壁的SEBF塗層為例，其與基體的粘接強度達到了國內外同類產品的一倍以上，充分保證了打樁過程中塗層的完好性。該塗層在酸鹼鹽環境中的化學穩定性都非常出色，抗水防滲能力優異。
港珠澳大橋基礎橋墩使用的是海工混凝土。混凝土中鋼筋不受腐蝕，混凝土的強度也就有了保證。團隊開發出一種高性能塗層鋼筋技術，滿足了港珠澳大橋工程需求。
不過，120年耐久性設計要求僅僅依靠塗層防腐的防護手段是遠遠達不到的，必須加上陰極保護技術這個「雙保險」。
「以往我國跨海大橋的陰極保護重點是浸在海水中的鋼管樁，而港珠澳大橋的多數鋼管複合樁均位於混凝土承臺下的海泥中，如何實施陰極保護沒有先例可鑑。」團隊成員魏英華說。
金屬所科研人員針對該腐蝕環境和地構特點，重點研究了鋼管複合樁在灌入不同地質層後陰極保護面臨的難題，採取巧妙方法，選取極端邊界參數推算保護效果，有效解決了複雜環境中陰極保護設計問題。
可行可靠
這樣的技術路線是否真能起到切實的防護效果，並無先例可循，相關的理論基礎也需要重新確立。
為驗證設計的可行性，科研人員按照1：20的比例進行模擬實驗，並儘可能地模擬了港珠澳大橋鋼管複合樁穿越的地質環境。縮比模型實驗證明該設計計算方法是正確可行的，隨後在橋址實地進行1：1工程足尺結構試驗驗證，結果表明在海水中安裝高效犧牲鋁陽極能充分保護海泥中的鋼管樁。
在模擬實驗後，科研人員採取鋼管內壁安裝保護設施監測探頭的方法，將探頭伴隨打樁深入近百米的海泥下實施原位監測，有效解決了在海泥下安裝探測設備難的問題。採用這種方式安裝探測設備，在全球海洋工程界尚屬首次。
三年多的施工現場，留下了金屬所科研團隊的無數足跡，往日面龐白淨的科研人員個個都曬成了「科研黑」。伶仃洋上的炙烤和颱風從來沒有嚇倒這支土生土長的北方團隊，就連常年在當地施工的大橋建設方都對這支隊伍的頑強和拼搏精神嘖嘖稱讚。
深厚的積累是創新的源泉。金屬所材料耐久性防護工作不僅使港珠澳大橋120年壽命成為可能，更推動了我國海洋工程防護水平的發展，為我國重大海洋工程耐久性設計提供了寶貴經驗。
比如，「在港珠澳大橋用二代耐蝕塗層鋼筋基礎上，我們根據遠海工程建設的特殊需求，成功研發出新一代高性能耐蝕塗層鋼筋，並在遠海海防建築結構、護岸加固工程進行示範應用，結束了遠海島嶼工程混凝土結構鋼筋無塗層『裸用』階段。」李京說。
不畏艱苦、潛心研發，中科院金屬所科研人員始終堅持以國家需求為導向，在碧海藍天的浪漫裡留下了奉獻與擔當的身影。
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