跨海大橋鋼樁的海洋腐蝕與防護(hù)
1. 概述
海洋是生命的搖籃﹑風(fēng)雨的故鄉(xiāng)﹑氣候的調(diào)節(jié)器﹑交通的要道﹑資源的屏障。海洋不僅僅是巨大的資源寶庫，而且是人類生存與發(fā)展不可缺少的空間環(huán)境，是解決人口劇增﹑資源短缺﹑環(huán)境惡化三大難題的希望所在。近年來，為緩解交通壓力，海洋變成了交通要道，一座座跨海大橋矗然而立，中國有著世界最長的跨海大橋--杭州灣大橋，這不僅方便了交通，而且給經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來巨大效應(yīng)，從資料顯示，我國已建和在建的跨海大橋數(shù)量不少，它所帶來的經(jīng)濟(jì)收益將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建橋本身。例如，作為國內(nèi)第一座跨海大橋，上海東海大橋使上海人的活動半徑向大海延伸了30多公里，這是歷史性的突破。同時，上海南匯、奉賢等區(qū)也將會成為上海制造業(yè)的新高地。再如全世界最長、工程量最大的杭州灣跨海大橋建設(shè)，完善了長江三角洲區(qū)域公路布局及國道主干線，緩解了滬、杭、甬高速公路流量的壓力，有利于杭州灣地區(qū)城市主動接軌上海，擴(kuò)大開放，推動長江三角洲地區(qū)的合作與交流，提高浙江省對內(nèi)對外開放水平，增強(qiáng)綜合實(shí)力和國際競爭力。由于鋼材的強(qiáng)度高，韌性好，容易加工，質(zhì)量也容易保證。這些優(yōu)點(diǎn)推動了鋼鐵在海洋港灣設(shè)施上的大量應(yīng)用。作為跨海大橋的支架，海洋環(huán)境下，腐蝕是其致命的弱點(diǎn)。鋼鐵材料在海洋中的耐蝕性能較差，其疲勞性能顯著下降，大大降低了鋼構(gòu)造物的使用壽命，直接影響大橋的使用安全。由于跨海大橋是建在環(huán)境相當(dāng)惡劣的海洋環(huán)境中，因此，海洋大氣嚴(yán)重的鹽霧腐蝕是跨海橋梁設(shè)計(jì)和建造過程中必須重視的課題。
2. 海洋腐蝕環(huán)境
海洋腐蝕環(huán)境包括海洋大氣腐蝕環(huán)境和海水腐蝕環(huán)境，鋼材在海洋環(huán)境中的具體位置不同其腐蝕機(jī)理和腐蝕類型也各不相同。包括海洋大氣腐蝕、海水腐蝕、潮差區(qū)腐蝕、飛濺區(qū)腐蝕、全浸區(qū)腐蝕等，為了研究不同區(qū)域的腐蝕必須從腐蝕介質(zhì)入手。
2.1 海水腐蝕環(huán)境
海水是一種復(fù)雜的多組分水溶液，海水中各種元素都以一定的物理化學(xué)形態(tài)存在。海水是一種含鹽量相當(dāng)大的腐蝕性介質(zhì)，表層海水含鹽量一般在3.20％-3.75％之間，隨水深的增加，海水含鹽量略有增加。鹽分中主要為氯化物，占總鹽量的88.7％。由于海水總鹽度高，所以具有很高的電導(dǎo)率，海水中pH值通常為8.1-8.2，且隨海水深度變化而變化。若植物非常茂盛，CO2減少，溶解氧濃度上升，pH值可接近10；在有厭氧性細(xì)菌繁殖的情況下，溶解氧量低，而且含有H2S，此時pH值常低于7。海水中的氧含量是海水腐蝕的主要影響因素之一，正常情況下，表面海水氧濃度隨水溫大體在5~10mg/L范圍內(nèi)變化。海水溫度一般在-2℃-35℃之間，熱帶淺水區(qū)可能更高。海水中氯離子含量約占總離子數(shù)的55％，海水腐蝕的特點(diǎn)與氯離子密切相關(guān)。氯離子可增加腐蝕活性，破壞金屬表面的鈍化膜。
2.2 海洋大氣腐蝕環(huán)境
大氣腐蝕一般被分成鄉(xiāng)村大氣腐蝕，工業(yè)大氣腐蝕和海洋大氣腐蝕。 鄉(xiāng)村地區(qū)的大氣比較純凈；工業(yè)地區(qū)的大氣中則含有SO2，H2S, NH2和NO2等。大氣中鹽霧含量較高，對金屬有很強(qiáng)的腐蝕作用。與浸于海水中的鋼鐵腐蝕不同 ,海洋環(huán)境對金屬腐蝕的研究同其它環(huán)境中的大氣腐蝕一樣是由于潮濕的氣體在物體表面形成一個薄水膜而引起的。這種腐蝕大多發(fā)生在海上的船只、海上平臺以及沿岸碼頭設(shè)施上。我國許多海濱城市受海洋大氣的影響，腐蝕現(xiàn)象是非常嚴(yán)重的。除了在強(qiáng)風(fēng)暴的天氣中，在距離海岸近的大氣中的金屬材料，特別是在距海岸200m以內(nèi)的大氣區(qū)域中，強(qiáng)烈的受到海洋大氣的影響，。離海岸24m處鋼的腐蝕比240m處大12倍，海洋環(huán)境中金屬材料腐蝕速率明顯變化發(fā)生在距海岸線 15 km到 25 km之間。因此，海洋環(huán)境對金屬影響范圍一般界定為20km左右。海洋大氣中相對濕度較大，同時由于海水飛沫中含有氯化鈉粒子，所以對于海洋鋼結(jié)構(gòu)來說，空氣的相對濕度都高于它的臨界值。因此，海洋環(huán)境中的鋼鐵表面很容易形成有腐蝕性的水膜。薄水膜對鋼鐵的作用而發(fā)生大氣腐蝕的過程，符合電解質(zhì)中電化學(xué)腐蝕的規(guī)律。這個過程的特點(diǎn)是氧特別容易到達(dá)鋼鐵表面，鋼鐵腐蝕速度受到氧極化過程控制?？諝庵兴s質(zhì)對大氣腐蝕影響很大，海洋大氣中富含大量的海鹽粒子，這些鹽粒子雜質(zhì)溶于鋼鐵表面的水膜中，使這層水膜變?yōu)楦g性很強(qiáng)的電解質(zhì)，加速了腐蝕的進(jìn)行，與干凈大氣的冷凝水膜比，被海霧周期飽和的空氣能使鋼的腐蝕速度增加幾倍。
3. 海洋環(huán)境對金屬的影響因素
3.1 鹽度
鹽度是指100克海水中溶解的固體鹽類物質(zhì)的總克數(shù)。一般在相通的海洋中總鹽度和各種鹽的相對比例并無明顯改變，在公海的表層海水中，其鹽度范圍為3.20％～3.75％，這對一般金屬的腐蝕無明顯的差異。但海水的鹽度波動卻直接影響到海水的比電導(dǎo)率，比電導(dǎo)率又是影響金屬腐蝕速度的一個重要因素，同時因海水中含有大量的氯離子，破壞金屬的鈍化，所以很多金屬在海洋環(huán)境中遭到嚴(yán)重腐蝕。
3.2 含氧量
海洋環(huán)境對金屬腐蝕是以陰極氧去極化控制為主的腐蝕過程。海水中的含氧量是影響海洋環(huán)境對金屬腐蝕性的重要因素。氧在海水中的溶解度主要取決于海水的鹽度和溫度，隨海水鹽度增加或溫度升高，氧的溶解度降低。如果完全除去海水中的氧，金屬是不會腐蝕的。對碳鋼、低合金鋼和鑄鐵等，含氧量增加，則陰極過程加速，使金屬腐蝕速度增加。但對依靠表面鈍化膜提高耐蝕性的金屬，如鋁和不銹鋼等，含氧量增加有利于鈍化膜的形成和修補(bǔ)，使鈍化膜的穩(wěn)定性提高，點(diǎn)蝕和縫隙腐濁的傾向減小。
3.3 CO2、碳酸鹽的影響
海水中的CO2主要以碳酸鹽和碳酸氫鹽的形式存在，并以碳酸氫鹽為主。CO2氣體在海水中的溶解度隨溫度、鹽度的升高而降低，隨大氣中CO2氣體分壓的升高而升高。海水中的碳酸鹽對金屬腐蝕過程有重要影響，碳酸鹽通過pH值的增大，在金屬表面沉積形成不溶的保護(hù)層，從而對腐蝕過程起抑制作用。
3.4 溫度的影響
海洋環(huán)境中溫度隨著時間、空間上的差異會在一個比較大的范圍變化。表層海水溫度還隨季節(jié)而呈周期性變化。溫度對海水腐蝕的影響是復(fù)雜的。溫度升高，會加速金屬的腐蝕。另一方面，海水溫度升高，海水中氧的溶解度降低，同時促進(jìn)保護(hù)性碳酸鹽的生成，這又會減緩鋼在海水中的腐蝕。但在正常海水含氧量下，溫度是影響腐蝕的主要因素。這是因?yàn)楹趿孔銐蚋邥r，控制陰極反應(yīng)速度的是氧的擴(kuò)散速度，而不是含氧量。對于在海洋環(huán)境中對金屬鈍化的研究，溫度升高，鈍化膜穩(wěn)定性下降，點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕的敏感性增加。
3.5 海水流速的影響
海水腐蝕是借助氧去極化而進(jìn)行的陰極控制過程，并且主要受氧的擴(kuò)散速度的控制。另一方面，在海環(huán)境中水海對金屬表面有沖蝕作用，當(dāng)流速超過某一臨界流速時，金屬表面的腐蝕產(chǎn)物膜被沖刷掉，金屬表面同時受到磨損，這種腐蝕與磨損聯(lián)合作用，使鋼的腐蝕速度急劇增加。對于在海水中能鈍化的金屬，如不銹鋼、鋁合金、鈦合金等，海水流速增加會促進(jìn)其鈍化，可提高耐蝕性。
3.6 海生物對海洋環(huán)境中金屬腐蝕研究的影響
海生物在大多數(shù)情況下是加大腐蝕的，尤其是局部腐蝕。海水中葉綠素植物可使海水中含氧量增加，海生物放出的CO2使周圍海水酸性加大，海生物死亡、腐爛可產(chǎn)生酸性物質(zhì)和H2S，這些都可使腐蝕加速。此外，有些海生物會破壞金屬表面的油漆或鍍層，有些微生物本身對金屬就有腐蝕作用。
3.7 光照條件
例如銅鐵在光照下會促進(jìn)銅及鐵金屬表面的光敏腐蝕反應(yīng)及真菌類生物的生物活性，這就為濕氣和塵埃在金屬表面貯存并腐蝕提供更大的可能性。在熱帶地區(qū)金屬受到日光的強(qiáng)烈照射，另外，海洋環(huán)境中的材料背陽面比朝陽面腐蝕更快。這是因?yàn)榕c朝向太陽的一面相比，背向太陽面的金屬材料盡管避開太陽光直射、溫度較低，但其表面塵埃和空氣中的海鹽及污染物未被及時沖洗掉，濕潤程度更高使腐蝕更為嚴(yán)重。
4. 海洋腐蝕破壞的主要形式
（1）全面腐蝕
全面腐蝕可視為均勻腐蝕，它是一種常見的腐蝕形態(tài)，其特征是與腐蝕環(huán)境接觸的整個金屬表面上幾乎以相同的速度進(jìn)行的腐蝕。所謂均勻腐蝕活比較均勻腐蝕，都是相對于局部腐蝕而言的，而且這種腐蝕形態(tài)只有少數(shù)的碳鋼﹑低合金鋼在全浸腐蝕條件下出現(xiàn)。從腐蝕電化學(xué)觀點(diǎn)來看，如果在腐蝕過程中金屬表面“處處”可以進(jìn)行金屬的陽極溶解反應(yīng)和去極化劑的陰極還原反應(yīng)，且其概率大致相同，其間腐蝕電池的局部陰極和局部陽極的位置瞬間可變，分布不定，金屬表面各部分的陽極溶解速度大致一樣，其結(jié)果則呈現(xiàn)為均勻性腐蝕。
（2）局部腐蝕
鋼鐵材料在海洋環(huán)境中的局部腐蝕，特別是小孔腐蝕，是影響鋼鐵材料強(qiáng)度及使用壽命的一個重要因素。介質(zhì)中的金屬材料絕大部分表面不發(fā)生腐蝕或腐蝕很輕微，但表面上個別的點(diǎn)或微小區(qū)域出現(xiàn)蝕孔或麻點(diǎn)，并不斷縱深發(fā)展，形成小孔狀腐蝕坑的現(xiàn)象。在氯離子的溶液中，只要腐蝕電位達(dá)到或超過點(diǎn)蝕電位，就能產(chǎn)生點(diǎn)蝕。微生物腐蝕的一個重要特征是導(dǎo)致小孔腐蝕的發(fā)生。
（3）電偶腐蝕
由于電位電位不同，造成同一介質(zhì)中一種金屬接觸處的局部腐蝕，就是電偶腐蝕，亦稱接觸腐蝕或雙金屬腐蝕。兩種金屬構(gòu)成宏電池，使電位較負(fù)的金屬溶解速度增加，電位較正的金屬溶解速度減小。海洋環(huán)境中，海水電阻率很小，是強(qiáng)電解質(zhì)溶液，當(dāng)兩種不同金屬如碳鋼和不銹鋼，不銹鋼和鈦金屬等共同使用時，要特別注意避免電偶腐蝕。
（4）應(yīng)力腐蝕
鋼鐵在應(yīng)力和特定環(huán)境的聯(lián)合作用下，將出現(xiàn)低于材料強(qiáng)度極限的脆性開裂現(xiàn)象，致使其失去功能，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕開裂。在應(yīng)力腐蝕開裂中存在因氫的滲入而脆化的現(xiàn)象，也存在裂紋尖端處溶液高度酸化的問題。
（5）腐蝕疲勞
波浪載荷下的腐蝕疲勞破環(huán)是鋼樁式結(jié)構(gòu)的主要破壞形式之一。另外，由于海水腐蝕與疲勞載荷共同作用的結(jié)果，疲勞載荷加速度腐蝕破壞的過程，而海水腐蝕進(jìn)一步加速鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，從而使其壽命縮短。
5. 鋼樁的腐蝕與防護(hù)
5.1 腐蝕裕量法
設(shè)計(jì)時預(yù)加腐蝕富裕量對泥面以上區(qū)段或整個鋼樁加大其壁厚。以提高使用年限。此方法國內(nèi)鋼樁碼頭基本上采用。以增加其安全系數(shù)。但這是一種消極方法，解決不了因局部腐蝕所帶來的危害。另外，設(shè)計(jì)時若按其局部腐蝕速度推算所需預(yù)加的腐蝕裕量。則顯得極不經(jīng)濟(jì)；若按其平均腐蝕速度推算所需預(yù)加的腐蝕裕量，則顯得不安全。
5.2 耐海水低合金鋼
自1967年美國鋼鐵公司發(fā)明了Mariner鋼（海洋鋼）后，日、德、法等國先后研制并生產(chǎn)了十幾種耐海水鋼，我國亦曾研制過10CrCuSiV 和10MnPNb鋼等，但應(yīng)用并不十分廣泛 耐海水鋼在大氣區(qū)、浪濺區(qū)具有比普碳鋼明顯的耐蝕性，優(yōu)良的耐海水鋼較普碳鋼于上述區(qū)域的耐蝕性可提高2～3倍；在海水全浸區(qū)雖亦有作用，但無上述區(qū)域那么明顯。當(dāng)然耐海水鋼也有其局限性，某些耐海水鋼的焊接性能差，焊縫處易遭腐蝕破壞，且價格高昂。
5.3 涂層保護(hù)
涂層主要指油漆涂料、環(huán)氧玻璃鋼護(hù)套和其它有機(jī)或無機(jī)覆蓋層。這對防止鋼樁大氣區(qū)和浪濺區(qū)的腐蝕是一較為有效的方法（視不同的環(huán)境條件采用適宜的涂層），但對鋼樁水下區(qū)段防腐效果不佳。因其壽命有限，且目前國內(nèi)尚無成功應(yīng)用于海水中的先例，再者涂層僅能一次性施工，不利于長期維修和監(jiān)測。即使在易監(jiān)控涂層施工質(zhì)量的時
機(jī)-- 鋼樁在吊運(yùn)打樁前就實(shí)施擦層保護(hù)。亦會目吊運(yùn)、打樁等施工過程造成其局部破港口建設(shè)損或剝落，使得打樁后于海水介質(zhì)中板易誘發(fā)大陰極、小陽極形式的局部腐蝕。且其腐蝕速度很快。易于引起局部腐蝕穿孔而再誘發(fā)該處的全面羰蝕。使得原有的涂層失去保護(hù)作用。
5.4 陰極保護(hù)
從50年代初至60年代末。世界各國相繼將陰極保護(hù)技術(shù)廣泛而又成功地應(yīng)用于鋼樁水下區(qū)段的保護(hù)上。陰極保護(hù)是一有效的防腐方案，能防止因各種鋼表面狀態(tài)不均所引起的局部腐蝕和通常的全面腐蝕。尚可提高鋼樁于海水中的疲勞強(qiáng)度極限。無論鋼樁表面狀況的迥異，對新建或已建工程的鋼樁都很適用。還可用直接檢測鋼表面陰極極化電位的方法控制其保護(hù)效果。若設(shè)計(jì)、管理得當(dāng)，則其保護(hù)效果可達(dá)90 以上。鋼樁陰極保護(hù)前后其腐蝕速度對比見下圖：
5.5 涂料加陰極保護(hù)
涂料同陰報謀護(hù)匹配，可互相補(bǔ)充。使保護(hù)效果更佳。固有涂料的鋼表面，所需保護(hù)電流密度小，保護(hù)電位易趨于均勻，可減少陰極保護(hù)措施于始建時一時跟不上所帶來的腐蝕。但若是外加電流陰極保護(hù)，則存有因儀器一時失控或其它原因所引起的局部過保護(hù)，導(dǎo)致鋼表面析H：十而使涂層鼓泡的現(xiàn)象。該鼓泡涂層會在海浪的沖刷下破損而使鋼表面外露，形成一小陽極點(diǎn)（即銹點(diǎn)）
6. 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的防腐蝕措施
鋼橋的防腐蝕應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)、管理等方面入手，忽略了任何一方面都將造成對鋼結(jié)構(gòu)橋梁腐蝕的隱患。
6.1 鋼橋的加固補(bǔ)強(qiáng)及表面處理
鋼橋的加固補(bǔ)強(qiáng)。 為保證鋼結(jié)構(gòu)的完整及承載能力， 在施工前， 已委托專業(yè)設(shè)計(jì)單位在認(rèn)真全面檢查的基礎(chǔ)上進(jìn)行鋼橋加固補(bǔ)強(qiáng)工程設(shè)計(jì)，提出針對已腐蝕損害的鋼橋進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)施工方案， 經(jīng)專家審查后進(jìn)行施工。
鋼構(gòu)件表面處理。 為保證涂層的附著力和使用壽命，涂裝前應(yīng)將鋼橋表面的舊涂膜、氧化皮和銹跡除凈。對鋼橋表面采用機(jī)械噴射除銹，達(dá)到Sa2. 5級（非常徹底的噴射或拋射除銹等級） 。表面粗糙度達(dá)到40- 80Lm。如受施工條件限制， 局部可采用手工除銹， 達(dá)到St3 級（手工除銹等級）標(biāo)準(zhǔn)。鋼構(gòu)件表面應(yīng)有明顯的金屬光澤，經(jīng)處理后的鋼橋表面應(yīng)無灰塵、油污，并盡快噴涂，以防再生銹。
6.2 復(fù)涂施工工藝
復(fù)涂施工工藝為采用局部除銹加涂面漆的一種適用于舊鋼結(jié)構(gòu)的涂裝施工工藝，采用局部除銹加涂面漆，可延長底漆的使用年限，減少除銹，節(jié)省資金。
6.3 橋面系防水改造
鋼梁的腐蝕主要原因是因橋面系滲漏水造成，橋面系滲漏水是鋼梁防腐蝕的關(guān)鍵技術(shù)， 應(yīng)采取徹底維修， 進(jìn)行防水改造。
6.4 涂裝配套的選擇
防腐涂裝的選用，是與鋼粱所處的自然環(huán)境、使用年限、結(jié)構(gòu)類型、施工方法等有著密切關(guān)系。應(yīng)選擇科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)、適用的涂裝配套體系，最大限度地發(fā)揮涂膜性能，提高防腐蝕能力。
6.5 重防腐蝕涂裝方案
重防腐涂裝系統(tǒng)在國外已有成功使用的例子，在我國已開始在大型橋梁上使用重防腐涂裝系統(tǒng)來進(jìn)行防腐保護(hù)。為增強(qiáng)面漆抗周圍腐蝕介質(zhì)的性能和耐堿性，采用以富鋅涂料為防銹底漆的、氟碳面漆等合成樹脂涂料的涂裝系統(tǒng)，具有長達(dá)20- 30年的耐候有效期，在施工中，我們采用如下2個重防腐涂裝方案組合配套。
（ 1）環(huán)氧富鋅底漆十環(huán)氧云鐵中間層+ 氟碳面漆。
（ 2）熱噴鋅（鋁）層+ 環(huán)氧封閉漆+ 環(huán)氧云鐵涂層+氟碳面漆。
環(huán)氧富鋅漆在使用前鋼鐵表面處理要達(dá)到Sa2級，噴鋅（鋁）層， 則必須在熱噴前對鋼鐵表面進(jìn)行Sa3級的除銹，鋼鐵表面須具有均勻一致的金屬光澤，達(dá)到一塵不染的純亮程序，這對我們實(shí)際操作上雖有一定的難度，但熱噴鋅（鋁）層的防腐蝕效果非常好的。重防腐涂裝（ 1）、（ 2）是復(fù)合涂裝體系， 由高性能的底漆、中涂和面漆構(gòu)成。一般采用250- 500um的涂層厚度，是用厚漿型防腐蝕涂料形成的一種新產(chǎn)品，具有耐腐蝕性能強(qiáng)、涂膜厚、防腐蝕有效期長的特點(diǎn)。重防腐蝕涂層采用厚漿型的環(huán)氧富鋅涂料或噴金屬打底，給予陰極保護(hù)；涂采用云鐵漆；采用耐水、耐化學(xué)性、耐候性優(yōu)良的高固體分涂料進(jìn)行配套效果顯著。具有良好的防蝕和對鋼鐵的附著性能；間涂層對底漆和面漆的涂層問有附著結(jié)合力，較好的屏蔽作用，有效阻止水、氧及腐蝕介質(zhì)的滲入；有長達(dá)20- 30年的耐腐蝕有效期，長效、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的防腐涂裝體系。