2.1.3.1公路桥梁结构耐久性设计技术

    对于工程结构防腐问题，材料是基础，设计是灵魂。必须依据使役环境条件要求，设计选材才能确保工程结构的设计使用寿命。在材料抗腐蚀能力的基础上，建立材料老化/腐蚀与使役环境关系的理论模型，提出耐久性临界状态及判定准则。在满足结构件安全性设计的前提下，引入耐久性极限状态的设计理论方法，真正满足工程结构设计使用寿命设计的要求。此外，考虑到腐蚀环境严重程度和工程结构运营维护需求，还需进行辅助防腐蚀设计和运营养护期的维护设计。

    目前，日本《混凝土结构物耐久性设计准则》和国际结构混凝土联合会《fibModelCode2010》已建立了这种耐久性设计体系，其他国家标准仍然沿用条文规定法，我国基础设施行业耐久性技术标准也是如此。条文规定法操作性强，防护措施可提供一定保护作用，但是对于指导工程结构设计使用寿命设计缺乏指导依据，无法保障设计使用年的实现。

    2.1.3.2混凝土桥梁腐蚀防护技术

    1.高性能混凝土技术

    提高水泥耐腐蚀性和混凝土密实性是提高混凝土耐久性根本，主要技术包括：提高混凝土的密实性，减少混凝土中的粗大毛细孔、空隙、裂纹数量，采用高性能混凝土、密实性混凝土等。增加混凝土保护层的厚度，最大限度地防止混凝土裂纹的产生。在混凝土中掺加提高钢筋防腐性能的阻锈剂。

    2.钢筋防腐技术

    依据混凝土钢筋发生腐蚀的电化学原理，可通过防止侵蚀介质接触钢筋表面、防止发生钢筋为阳极的电化学反应两个方面保护混凝土内部钢筋免受腐蚀。主要的方法是对钢筋进行镀锌、粉末涂层等，形成特种钢筋，提高钢材自身的防腐性能，例如，环氧涂层钢筋、镀锌钢筋（热浸锌）、镀铝钢筋、不锈钢钢筋、不锈钢包覆钢筋等。FRP/GFRP抗拉强度达到1500MPa，弹性模量可达到40～60GPa（AISI）。

    不锈钢是指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢筋。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素，基本合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。

    美国俄勒冈州HaynesInletSlough桥梁处于海洋环境，在2004年拆除重建工程中，使用了400吨双相不锈钢钢筋（2205型）制作主要承重构件，120年设计寿命是旧桥寿命的2.5倍。新桥总造价1250万美元，不锈钢占总造价的13%，但在整个服务期内不需大修。相比普通钢筋混凝土桥梁延长使用寿命50年，相当于再造一座价值2500万美元的普通钢筋混凝土新桥。

    3.涂料防护技术

    防腐涂装对混凝土桥梁主要起防腐保护作用，但对混凝土裂纹不具备修补功能。对于具有表面裂缝的混凝土表面防腐涂料涂装，需首先采用表面处理法、灌浆法等措施对裂缝进行处理，然后再进行涂料涂装。

    在混凝土桥梁表面进行防腐蚀涂料的封闭或者隔离，是一种经济有效的防腐蚀措施，可以有效地阻止氯离子、水和氧气等腐蚀介质的进入，减缓对钢筋腐蚀速度，同时也可降低反复热胀冷缩对钢筋混凝土的损坏。但是，目前我国公路混凝土桥梁采用涂料防护仅限于沿海特大型桥梁建设，或沿海/恶劣环境混凝土桥梁修复中局部使用，尚未在全国内进行大范围和大面积应用。

    4.阴极保护技术

    阴极保护对混凝土裂纹也不具备修补功能，因此，对于具有表面裂缝的混凝土桥梁，需要先采用表面处理法、灌浆法等措施对裂缝进行处理，然后再进行阴极保护。

    牺牲阳极法的电位差产生的保护电流较小，在大面积及高电阻环境下电流不易通过，不适宜桥梁钢筋混凝土的维修防护，但可以用于海水等导电性好的介质中进行混凝土结构的保护。外加电流法防护包括阳极系统设计、检测系统及供电系统，表2-9为常见的几种阳极材料。

    2.1.3.3钢结构桥梁腐蚀防护技术

    1.涂料保护技术

    防腐涂料涂装是钢桥防腐蚀的最方便有效的方法之一。涂料对桥梁用钢材的保护作用主要有三方面：屏蔽作用；缓蚀作用；阴极保护作用。国内外防腐涂装体系及保护效果列于表2-10。

    日本Akashi Kaikyo大桥引入了全寿命周期成本理念，设计了无极富锌汽（打底层）+环氧树脂（下涂层）+氟树脂涂层（面层）的涂装组合体系，日本钢结构桥养护体系规定了完整的漆膜维护制度，在现场调查和检测基础上，绘制漆膜劣化曲线，提出了以面层和中涂层涂料发生劣化作为涂装维护时机，实现了长效防腐的作用成效，确保了钢结构桥梁设计寿命。氟树脂涂料是日本研发高性能的防腐涂料，能够显著提高抵抗环境侵蚀作用，极大延长重新涂装周期。图2-43显示了18年Akashi Kaikyo海峡大桥主桥梁钢桁架涂装状况，涂装体系完整、漆膜颜色和光泽无变化。

    2. 阴极保护技术

    阴极保护是使钢铁成为阴极并极化，以减少或防止腐蚀。它分为牺牲阳极保护和外加电流保护。常见的牺牲阳极材料有锌合金、铝合金，外加电流保护是由直流电源通过辅助阳极对被保护体施加保护电流，使被保护体成为阴极而获得极化，从而免受腐蚀的一种保护技术。

    3. 高性能钢材

    既具有高强度性能，又在韧性、可焊性、冷加工和抗腐蚀等方面也具有优越性能的钢，在国际上被统称为高性能钢（HighPerformanceSteel，HPS）。国外已开发出诸多系列的桥梁用高性能钢产品，如美国FHWA、海军和AISI联合研发的的HPS485W/690W、日本的BHS500/700、欧洲的S460M/690M等。到目前为止，美国47州修建了500座高性能钢结构桥梁（见图2-45）。

    高性能钢材是通过提高钢材自身抵抗环境腐蚀能力的技术。通过在普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素，制成具有强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、抗疲劳高性能的耐候钢，抵抗环境腐蚀能力为普碳钢的2～8倍，涂装性为普碳钢的1.5～10倍。耐候钢主要用于铁道、车辆、桥梁、塔架等长期暴露在大气中使用的钢结构，以及用于制造石油井架、海港建筑、采油平台及化工石油设备中含硫化氢腐蚀介质的容器等结构件。高性能耐候钢在北美、欧洲和日本钢桥建设中得到广泛使用，我国公路桥梁中尚未使用。同济大学在学校中法中心的建设中采用了耐候钢作为外墙材料，使用情况及效果见图2-46。

    2.1.3.4公路桥梁防腐技术标准现状

    “九五”以来，我国土木工程结构耐久性技术及标准编制工作得到了长足发展，相继颁布了一系列国家、行业、地方和企业技术标准，对基础设施建设发展发挥了重大作用。技术标准主要分为两类：（1）工程建设类标准，服务于工程建设和养护，指导工程设计、施工和养护工程的技术标准；（2）产品、设备标准，服务于工程建设所需的材料技术性能和设备技术要求，指导材料和设备的制造和工程应用。

    近30年来，我国公路桥梁重大工程建设得到了快速发展，伴随厦门海沧大桥、东海大桥、杭州湾跨海大桥、苏通大桥、厦门翔安跨海隧道、青岛海湾大桥、深圳-香港西部通道、港珠澳大桥等跨海工程建设，制定了一系列公路桥梁耐久性设计防护企业标准，有力地促进了我国公路桥梁耐久性设计和腐蚀防护技术的发展。

    2.1.3.5公路桥梁腐蚀防护研发投入状况

    我国对混凝土耐久性的研究在20世纪50年代已经开始，属于国家自然环境腐蚀整体研究计划的一部分，50年代末全国建立了包括混凝土材料在内的“全国大气、海水、土壤腐蚀试验网站”。混凝土材料腐蚀的研究主要针对南方沿海地区的氯离子锈蚀问题、北方地区的混凝土冻融问题和西北地区的盐渍土地区的硫酸盐腐蚀问题。1978年后，混凝土材料的腐蚀研究重新启动，但是，对混凝土耐久性的系统性研究始于20世纪90年代，与我国大型基础设施建设发展同步。

    针对我国混凝土基础设施建设规模巨大，工程建设质量关系到国民经济的健康稳定发展，上世纪90年代国家“九五”规划对混凝土耐久性问题的研究进行了较大的科研投入，确立了一批重点科研项目：“九五”国家重点科技攻关项目“混凝土耐久性关键技术研究及工程应用”，“九五”国家基础性研究重大项目（攀登计划B）“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”和“九五”重点科技攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”等。经过20多年对耐久性的集中研究，我国工程界已经对混凝土的劣化机理与规律有了基本的认识和积累：对氯离子锈蚀问题已经有可供工程设计使用的定量化数学模型；对混凝土碳化锈蚀提出了定量的模型测算方法；对冻融环境中混凝土的破坏过程提出了定量的设计方法；对冻融环境中混凝土的破坏过程提出了定量的设计方法。从“十五”到“十二五”，交通运输部通过西部交通建设科技项目支持了一批公路桥梁耐久性研究项目（见表2-14）。