海洋橋梁工程輕質(zhì)、高強、耐久性結(jié)構(gòu)材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

吳智深 ，劉加平 ，鄒德輝 ，汪昕 ，史健喆

（1. 東南大學(xué)，南京 211189；2. 武漢鋼鐵集團設(shè)計研究院，武漢 430080）

一、前言

海洋環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)，受嚴酷腐蝕環(huán)境和復(fù)雜荷載形式影響（如風(fēng)荷載、交通荷載的耦合作用等），其長期服役性能（耐久性問題、疲勞蠕變引起的性能退化等）不足，嚴重影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能和服役壽命。首先，鋼材在海水的腐蝕作用下力學(xué)性能降低，危害十分嚴重，我國2014年因鋼材腐蝕造成的經(jīng)濟損失高達1.9萬億人民幣，占當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值的3%。另外，海洋環(huán)境中水下或水位變動區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，直接與海水中的硫酸鹽、鎂鹽等腐蝕性介質(zhì)接觸。硫酸鹽腐蝕一方面由硫酸根離子和水化鋁酸鹽、氫氧化鈣作用生成膨脹產(chǎn)物引起；另一方面是硫酸鎂造成水泥石中水化硅酸鈣（CSH）凝膠分解，體系強度損失，黏結(jié)力下降。歐洲每年超過50%的建設(shè)預(yù)算花費在混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)和翻新工程[1]；在我國，每年投入路橋混凝土結(jié)構(gòu)的維修費用在100億元左右[2]。此外，橋梁拉索承受的高應(yīng)力會加速其腐蝕速率；建于1960年的委內(nèi)瑞拉Maracibo橋在風(fēng)雨的不斷侵蝕以及拉索劇烈振動的影響下，192根鋼索中有25根存在嚴重隱患，由于沒有及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，其中1根拉索于1979年2月突然發(fā)生斷裂，造成橋體的局部坍塌，直接經(jīng)濟損失達5000萬美元；此外，由于拉索的自重垂度影響，大跨鋼拉索斜拉橋的有效跨徑只能達到1300 m，更大跨徑下鋼拉索將不能滿足施工掛索和經(jīng)濟性能等要求。

針對海洋環(huán)境下大跨橋梁突出的長期服役性能問題和輕量化需求，基于輕質(zhì)、高強、耐久的材料調(diào)研結(jié)果，研究在橋梁關(guān)鍵區(qū)域的針對性應(yīng)用方法，突破海洋環(huán)境下大跨橋梁的耐久和跨越瓶頸，以實現(xiàn)高性能和長壽命的目標(biāo)，所涉及的相關(guān)技術(shù)主要包括傳統(tǒng)鋼材、混凝土的性能提升技術(shù)以及海洋橋梁用新型纖維增強復(fù)合材料（FRP）應(yīng)用技術(shù)。

二、海洋橋梁工程輕質(zhì)、高強、耐久性材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

（一）高性能鋼材現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1. 既有研究概述

國外海洋橋梁工程用鋼屈服強度為245～700 MPa不等[3]。國內(nèi)普通橋梁用鋼的發(fā)展從20世紀50年代至60年代起步，與國外相比發(fā)展速度緩慢。20世紀90年代上海南浦大橋、楊浦大橋、徐浦大橋等橋梁采用的都是進口或國產(chǎn)的StE355鋼。隨后，我國研制開發(fā)了橋梁鋼14MnNbq，先后用于蕪湖長江大橋、南京長江大橋、黃河長東二橋等長江、黃河上的近20座橋梁。2007年，WNQ570（Q420qE）橋梁鋼用于南京大勝關(guān)長江大橋；2016年，在建的滬通大橋首次應(yīng)用Q500qE高性能橋梁鋼（見圖1）。

（1）鋼材耐腐蝕表面處理技術(shù)

自18世紀將涂料用于鋼鐵橋梁的保護以來，鋼材表面處理技術(shù)已有200多年的歷史。在涂層材料方面，目前采用既具有隔離功能又具有電化學(xué)犧牲陽極保護功能的富鋅涂料和噴涂金屬涂層作為底涂層，即鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕可分為兩類，一類是以富鋅涂料為底涂，中間漆多為環(huán)氧云鐵涂料，面漆有醇酸樹脂漆、氯化橡膠漆和聚氨酯（含脂肪族）漆，以聚氨酯面漆居多；另一類是以噴涂金屬為底涂，面涂多采用氟碳涂料的長效防腐蝕體系。目前國外較為先進的表面穩(wěn)定化處理技術(shù)包括耐候性涂膜處理、氧化物涂膜處理、帶銹涂層處理、銹層穩(wěn)定化表面處理、鈦合金表面處理等。

圖1中國橋梁鋼的發(fā)展歷程

采用上述表面處理技術(shù)進行一次涂覆使用后，免維護時間長。然而，目前國內(nèi)該技術(shù)在鋼構(gòu)件中的應(yīng)用還處于空白，也未開發(fā)出較成熟的可廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定耐候鋼構(gòu)件表面銹層的處理技術(shù)。

（2）耐腐蝕鋼

耐腐蝕鋼是不銹鋼的一種。美國和日本的耐腐蝕鋼在橋梁中已有成熟的應(yīng)用，分別有約50%和20%的橋梁使用耐腐蝕鋼。此外，加拿大新建的鋼橋中有90%使用耐腐蝕鋼，韓國目前有十余座耐腐蝕鋼橋。目前國際主流的耐腐蝕鋼主要有Cu-P-Cr-Ni系的美國Corten鋼及日本的SMA鋼等[4]。國內(nèi)除仿制上述兩種產(chǎn)品外，還考慮Ni、Cr資源的稀有性及我國富含稀土資源，逐漸開發(fā)出Cu-P-RE系。1984年，我國制定了高耐候性結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準及焊接結(jié)構(gòu)用耐腐蝕鋼的相關(guān)標(biāo)準，并于2008年重新修訂。近年來，國內(nèi)橋梁建設(shè)中耐腐蝕橋梁鋼的應(yīng)用逐漸增加。國內(nèi)橋梁大量使用耐腐蝕鋼的工程主要有：咸陽渭河公路橋、沈陽后丁香大橋、大連16號路跨海橋、官廳水庫特大橋、川藏線拉林鐵路雅魯藏布江大橋、河北路橋工程。目前，國內(nèi)具備耐腐蝕性能的橋梁用鋼，如Q355NH、Q345qNH、Q420qNH、Q460qNH、Q420qE、Q500qE等鋼，已經(jīng)開展室內(nèi)加速腐蝕試驗研究，并在不同環(huán)境條件下進行了長期暴曬試驗。據(jù)相關(guān)資料顯示，上述鋼種的耐腐蝕性能是普通Q235鋼的2～8倍甚至更優(yōu)。

但是，所有上述鋼種存在兩個主要問題，一是缺乏裸露狀態(tài)的應(yīng)用業(yè)績，二是缺乏海洋環(huán)境下的應(yīng)用業(yè)績，國內(nèi)所有海洋環(huán)境下的橋梁工程，絕大部分采用涂裝方式使用。國外高性能耐海洋腐蝕用橋梁鋼已經(jīng)開始實橋應(yīng)用，選材規(guī)范已經(jīng)建立，涂裝使用、裸露使用和表面處理使用都有章可循，而國內(nèi)在這方面還有很大的差距。

（3）耐候鋼

耐候鋼是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼系列。日本開發(fā)出系列適應(yīng)惡劣海洋環(huán)境的耐候橋梁鋼，如355 MPa級和455 MPa級耐候橋梁鋼。截至目前，上述日本橋梁用鋼在海洋橋梁工程的應(yīng)用比較普遍，大幅降低了全壽命成本。其中S490A/B/C、SMA490AW/BW/CW、SMA490AP/BP/CP等鋼種已經(jīng)普遍應(yīng)用，且應(yīng)用技術(shù)及維護技術(shù)相當(dāng)成熟。

國內(nèi)鋼鐵企業(yè)也開始大力開展橋梁用耐候鋼的相關(guān)研究，以超低碳貝氏體為設(shè)計主線，并充分利用HTP、RPC、TMCP等多項組織細化、組織均勻等關(guān)鍵技術(shù)。通過控制碳含量在0.03%～0.07%，并優(yōu)化組合Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Nb等化學(xué)元素，提高鋼的韌性并降低冷裂紋敏感性和焊接熱影響區(qū)硬度，使該鋼種具有良好的焊接性能；通過控制鐵素體、貝氏體組織轉(zhuǎn)變，提高鋼的強度、塑性和韌性；通過均勻的鐵素體、貝氏體組織和Cu、Ni、Cr、Mo的合理配置，使鋼具有優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能。

雖然耐候鋼成本低、工藝簡單且能夠減緩腐蝕速度，但其形成致密銹層歷時長（4～15年），形成穩(wěn)定化銹層之前會出現(xiàn)銹液流掛與飛散，污染周圍環(huán)境，在沿海的海洋大氣環(huán)境中會出現(xiàn)層狀剝落，具有一定的局限性。此外，國產(chǎn)耐候鋼還存在耐候性不足、焊接性能差、低溫韌性不足、封閉部位防腐差、綜合成本高等問題。

（4）高Ni鋼

高Ni鋼具有良好的綜合性能，可耐各種酸腐蝕和應(yīng)力腐蝕。日本對高Ni鋼的研究處于世界前列，其產(chǎn)品中Ni含量超過了相關(guān)標(biāo)準JIS、GB/T 714和ASTM A709中的上限值，是典型的含Ni高等耐腐蝕鋼。日本通過不同Ni含量的高等耐腐蝕鋼在高含鹽環(huán)境（空氣中含鹽量高達1.3 mdd）下的大氣暴露試驗，驗證了高Ni鋼優(yōu)越的耐腐蝕性能。

與日本JIS標(biāo)準耐腐蝕鋼和普通鋼材相比，在相同的腐蝕條件下，高Ni鋼的板厚減薄量明顯小于普通耐腐蝕鋼，遠優(yōu)于普通鋼材，耐腐蝕性能優(yōu)良。但由于貴重合金元素含量高，因此高Ni鋼初期成本極高，且材料缺乏長期應(yīng)用數(shù)據(jù)。

（5）國內(nèi)外目前海洋橋梁工程用纜索用鋼

日本在線鹽浴工藝生產(chǎn)的SWRS87B-DLP盤條，組織均勻性性能較好，可滿足φ5.0 mm 2000 MPa（含扭轉(zhuǎn)）的要求。歐洲專注于高碳鋼生產(chǎn)的鋼廠主要有英國鋼鐵公司、德國撒斯特公司。韓國的橋梁纜索行業(yè)的發(fā)展時間不到10年，主要采用盤條離線鉛浴的傳統(tǒng)處理方式，解決了盤條的組織均勻性問題。

在國內(nèi)橋梁纜索用鋼主要采用鋅鋁鋼絲，其特點是強度高、松弛低、直線性好、纜索成型性很好，且纜索服役后的鋼絲蠕變較少。橋梁鍍鋅鋼絲企業(yè)不再采購日本鹽浴淬火（DLP）盤條，使國內(nèi)鋼廠得到更多的機會持續(xù)改善盤條品質(zhì)[5]。國內(nèi)鋅鋁合金鍍層鋼絲目前在橋梁應(yīng)用已有5座以上，例如2007年蘇通大橋采用了φ7.0 mm 1770 MPa級的橋索鋼絲。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的深入，特別是黃河、長江、珠江等流域城市群的建設(shè)及“一帶一路”倡議背景下海外基建市場的陸續(xù)啟動，預(yù)計鋅鋁合金鍍層技術(shù)的應(yīng)用前景將非常廣闊。

通過升高碳含量實現(xiàn)強度的提高，會造成盤條塑性明顯下降，高強度鋼絲扭轉(zhuǎn)、彎曲、纏繞性能遇到極大挑戰(zhàn)；橋索的纏繞彎曲扭轉(zhuǎn)特性、工藝性能和強度指標(biāo)尚有待進一步研究；此外，國外線材制品的技術(shù)保護使得相關(guān)技術(shù)的國產(chǎn)化需求迫在眉睫。

2. 發(fā)展趨勢

從前述的橋梁用鋼現(xiàn)狀來看，高性能鋼是未來發(fā)展的主要方向。研究和工程實踐表明，橋梁結(jié)構(gòu)用高性能鋼具有如下優(yōu)點：①減輕自重，易于處理和運輸，且減小在頂推施工中懸臂段的彎矩，降低施工和運輸成本；②可降低梁高，使結(jié)構(gòu)更美觀；③增加跨度，減少了橋墩數(shù)量或主梁數(shù)量；④減少了焊接中的制造成本，且因為板厚減小，焊接體積減小同時預(yù)熱要求降低；⑤提高的斷裂韌性減小了由脆斷引起的突然破壞的可能，增加了裂縫容忍能力，提高了結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和可靠性；⑥高性能鋼良好的耐腐蝕性使橋梁在長期的使用階段免于涂裝；⑦延長了橋梁使用壽命，減少了橋梁的全壽命周期成本。

橋梁防腐涂裝技術(shù)的未來發(fā)展趨勢將遵循高性能、長壽命、綠色環(huán)保的原則，向多元化方向發(fā)展以適應(yīng)不同腐蝕環(huán)境、不同防腐部位，并要考慮施工技術(shù)及維護方案，還要考慮材料成本控制和人文景觀的要求。

（二）高性能混凝土現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1. 既有研究概述

高性能混凝土耐久性、流動性和體積穩(wěn)定性是保證混凝土高性能的重要因素。

（1）表面防護技術(shù)

混凝土外防護技術(shù)根據(jù)作用機理的不同，可分為涂層技術(shù)、孔阻塞技術(shù)、孔壁憎水技術(shù)與孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。表面防護材料包括有機和無機材料，在有機防護材料中，聚脲彈性體涂料是繼高固體分涂料、水性涂料、光固化涂料、粉末涂料等傳統(tǒng)涂料之后，為適應(yīng)環(huán)境保護需求而研發(fā)的一種無溶劑、無污染的較為先進的涂料。這種高厚膜彈性涂料，不僅能實現(xiàn)一次噴涂厚涂層，且能快速固化，物理力學(xué)性能及耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)異。與有機涂料相比，無機防護材料具有原料來源廣泛、成本與能耗低、便于運輸儲存、耐老化性能好、綠色環(huán)保、抗高溫性能好、透氣性好等優(yōu)點。目前，表面防護技術(shù)主要存在老化、濕基面黏結(jié)差等瓶頸問題，未來有望通過納米改性有機涂層體系得以解決。

（2）高密實性混凝土

在混凝土結(jié)構(gòu)致密化方面，傳統(tǒng)方式主要采用強度等級C40以上的混凝土，同時在混凝土配合比設(shè)計中引入了粉煤灰等礦物摻合料，從而實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)致密化。另外，在耐腐蝕膠凝材料方面，主要采用抗硫酸鹽水泥，通過降低硅酸鹽水泥中C3A與Ca(OH)2的含量，有效降低混凝土材料中侵蝕性介質(zhì)所造成的腐蝕性反應(yīng)風(fēng)險，從而改善混凝土密實度。

最新研究發(fā)現(xiàn)，納米材料可顯著改善混凝土致密性和抗侵蝕。在孔隙填充作用的基礎(chǔ)上，各納米材料的自身特性也有助于優(yōu)化抗?jié)B與抗侵蝕性能；將納米材料與其他摻合料及外加劑進行合理的復(fù)配可進一步提升耐久性。

（3）高流動性混凝土

高流動性混凝土概念最早于1986年由日本Okamura教授提出，1995年后世界各國逐步開展相關(guān)研究。經(jīng)過20多年的發(fā)展，針對高流動性混凝土開發(fā)了高效減水劑（如氨基磺酸系減水劑等），可大幅降低混凝土材料流變方程中的屈服剪切應(yīng)力，實現(xiàn)高流動性。此外，通過一系列試驗優(yōu)化了高流動性混凝土的礦物摻合料類型（粉煤灰、礦渣粉等），并優(yōu)化了骨料粒徑與砂率。高流動性混凝土已在港珠澳大橋沉管隧道的最終接頭中應(yīng)用，成功解決了接頭主體結(jié)構(gòu)中混凝土振搗困難的問題。

（4）混凝土收縮抑制技術(shù)

海洋橋梁中使用的高強與超高性能混凝土材料的高膠材用量以及低水膠比導(dǎo)致其收縮變形大，水化溫升高，導(dǎo)致了體積穩(wěn)定性差，開裂風(fēng)險高。收縮抑制技術(shù)主要集中在兩個方面：一方面為降低混凝土溫降收縮；另一方面為減小干燥收縮和塑性收縮。在降低混凝土溫降措施方面可選用低、中熱水泥或大摻量粉煤灰等礦物摻合料配制混凝土；摻加具有減水、緩凝、引氣、膨脹作用的外加劑；選用級配良好的粗細集料等措施。在減小干燥收縮和塑性收縮方面，主要采取膨脹劑、養(yǎng)護劑等方法來補償混凝土收縮，減少混凝土微裂紋，優(yōu)化混凝土孔結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，改善水泥石與骨料過度層的界面結(jié)構(gòu)和性能[6]。在混凝土收縮抑制技術(shù)中應(yīng)重點突破分階段全過程調(diào)控混凝土水化放熱歷程，以及添加膨脹劑抑制收縮技術(shù)。

2. 發(fā)展趨勢

（1）海工混凝土微結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

基于混凝土微結(jié)構(gòu)與滲透性之間的關(guān)系，圍繞適用于海洋環(huán)境耐腐蝕高性能混凝土的關(guān)鍵耐久性設(shè)計指標(biāo)及微結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，應(yīng)用基于微結(jié)構(gòu)的混凝土配合比設(shè)計方法使用高性能混凝土減水劑，并輔以適宜的功能性混凝土外加劑，實現(xiàn)抗介質(zhì)滲透能力與耐腐蝕性能顯著高于普通混凝土的低介質(zhì)腐蝕混凝土制備技術(shù)。

（2）基于高耐候、低介質(zhì)滲透與長壽命化的外防護技術(shù)

針對海洋環(huán)境中大氣區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)具有高紫外線輻射的特點，采用無機防護材料技術(shù)在低收縮、高抗裂的大體（面）積混凝土表層實現(xiàn)孔阻塞技術(shù)；針對浪濺區(qū)干濕交替與海浪沖刷的難題，采用具有優(yōu)異耐磨與防腐特性的噴涂聚脲彈性體技術(shù)實現(xiàn)混凝土表面涂層技術(shù)的封閉與防護效應(yīng)。此外，針對暴露于浪濺區(qū)與潮汐區(qū)的鋼筋混凝土梁與柱，可考慮采用FRP包裹技術(shù)或鋼管復(fù)合樁技術(shù)，利用FRP耐蝕特性或鋼管保護層作用有效延緩混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕與混凝土破壞；針對水下區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕破壞的低概率特點，采用滲透性模板布技術(shù)優(yōu)化耐腐蝕高性能混凝土表層孔結(jié)構(gòu)，提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

（3）有機阻銹技術(shù)

針對海洋獨特的侵蝕環(huán)境，在海工高性能混凝土的基礎(chǔ)上使用遷移型阻銹劑，提升鋼筋表面的臨界氯離子濃度，并綜合考量筋材耐蝕性、力學(xué)性能、施工工藝性能和經(jīng)濟性等多方面因素。自修復(fù)阻銹劑作為新興的鋼筋阻銹技術(shù)，在應(yīng)用方面具有顯著的優(yōu)勢。

（4）超高性能混凝土

超高性能混凝土（UHPC）以超高的強度、韌性和耐久性為特征，成為實現(xiàn)水泥基材料性能跨越式發(fā)展的新體系。從工業(yè)固體廢棄物或低品位資源中高效獲取富含化學(xué)活性物質(zhì)的納米粒子，作為“生態(tài)納米材料”，制備超高強度、超高韌性、超高耐久的生態(tài)納米超高性能混凝土，滿足大跨徑橋梁、薄壁結(jié)構(gòu)、抗爆結(jié)構(gòu)和深水海洋平臺等重大或特種工程的迫切需求，創(chuàng)新輕型混凝土梁板體系，促進高強鋼筋規(guī)模化應(yīng)用和固體廢棄物的高效利用，具有重大的理論和現(xiàn)實意義[7]。

（三）纖維增強復(fù)合材料（FRP）現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1. 既有研究概述

FRP是由纖維和樹脂基體通過一定工藝固化后形成的具有特定形狀的結(jié)構(gòu)材料，其中纖維一般包括碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等，樹脂包括環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、不飽和聚酯樹脂等。形成的FRP制品按纖維種類分為碳纖維FRP（CFRP）、芳綸纖維FRP（AFRP）、玻璃纖維FRP（GFRP）、玄武巖纖維FRP（BFRP）、混雜纖維FRP（Hybrid FRP）[8]等。FRP普遍具有輕質(zhì)高強和耐腐蝕性能，不同的FRP具有不同的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，如CFRP具有高強度、高彈性模量特征；BFRP和GFRP具有較好的延伸率。FRP按制品形式包括片材（布、薄板等）、筋材（光面、肋紋、纏繞等）、索材（平行索、絞索）、型材（具有一定截面形狀的制品，如管材、工字型材等）、網(wǎng)格材（包括硬質(zhì)的網(wǎng)格和柔性的格柵）等，如圖2所示。其中，片材主要用于主梁、橋面板及橋墩加固；筋材可用于橋梁混凝土中的增強材料，也可用于結(jié)構(gòu)加固；索材可用于斜拉橋拉索和懸索橋主纜，還可用作預(yù)應(yīng)力加固；型材可直接作為橋面板結(jié)構(gòu)，也可以和混凝土形成組合結(jié)構(gòu)用于橋面板或橋墩柱；網(wǎng)格材可用于橋面結(jié)構(gòu)及橋墩加固，還可作為增強材料用于橋墩柱，對混凝土施加約束作用，提高力學(xué)性能和耐久性。

2. 發(fā)展趨勢

（1）高耐腐蝕低成本FRP

圖2土木工程用典型FRP制品

傳統(tǒng)FRP包括CFRP、AFRP和GFRP，其中CFRP質(zhì)量輕、強度高、長期性能和耐久性好，但價格昂貴，大規(guī)模運用于土木工程領(lǐng)域的成本過高；AFRP長期蠕變大，且價格高；GFRP成本較低，但強度和彈性模量較低，且耐堿性能較差。針對上述FRP的綜合性價比瓶頸，目前已開發(fā)多種新型FRP，其中新型BFRP以綜合性價比突出的優(yōu)勢，近年來得到推廣應(yīng)用[9～11]。

（2）可二次加工性FRP制品

傳統(tǒng)熱固性樹脂F(xiàn)RP制品無法根據(jù)現(xiàn)場施工的需要在施工現(xiàn)場進行二次加工，箍筋、異形筋等需預(yù)制；熱塑性FRP制品經(jīng)過加熱即可彎折，極大增加現(xiàn)場施工的便利性。目前研究與應(yīng)用較多的熱塑性FRP主要以聚丙烯、聚乙烯樹脂為基體材料，這兩種熱塑性FRP存在硬脆、強度偏低，纖維和樹脂的界面黏結(jié)性能較差等缺點。

三、高性能材料在海洋工程中的應(yīng)用技術(shù)研究

（一）高性能鋼材在海洋工程中的應(yīng)用

1. 海洋橋梁工程用高性能鋼板焊接工藝研究

在JIS3114的基礎(chǔ)上，日本開發(fā)出橋梁用高性能鋼SBHS500W和SBHS700W。SBHS700W高性能鋼是新日鐵1994年為明石海峽大橋設(shè)計的剛性大梁用材料。國內(nèi)海洋橋梁工程用高性能鋼板在焊接方面的工藝研究由于母材研究的匱乏尚處于起步階段。但是類似于Q420qE、Q500qE的力學(xué)性能高、具備一定耐腐蝕性能的橋梁鋼的焊接工藝研究已非常成熟，且經(jīng)過實際應(yīng)用檢驗[12]。一旦研制出高性能耐海洋腐蝕用鋼，焊接工藝研究工作必定快速跟上步伐。

2. 纜索用鋼盤條熱處理工藝

國外橋梁纜索用鍍鋅鋁合金鋼絲的生產(chǎn)對線材（盤條）有著較高的要求，一般為共析鋼或者過共析鋼成分的盤條。該高碳鋼需要通過適當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞将@得良好的綜合性能，以便于制作高強度、高性能纜索用鋼絲。淬火是高碳鋼絲生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序之一，盤條通過淬火得到符合生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品要求的組織結(jié)構(gòu)，如良好的拉拔性能和綜合力學(xué)性能等[13]。

3. 纜索用鋼盤條深加工工藝研究

（1）線材表面處理

為了降低拉拔時鋼絲與模壁間的摩擦系數(shù)，確保鋼絲表面質(zhì)量，鋼絲拉拔前應(yīng)對盤條進行表面處理（包括以清除盤條表面氧化皮為主的表面清凈處理）以及潤滑涂層處理。

（2）鋼絲拉拔

鋼絲的拉拔主要目的是為了獲得具有穩(wěn)定的形狀、尺寸和性能指標(biāo)，并符合產(chǎn)品技術(shù)要求的鋼絲。變形金屬在不發(fā)生脆斷的情況下所能承受的最大延伸率值，稱為該金屬的冷加工極限。橋梁纜索用鍍鋅鋁鋼絲的原材料為索氏體化程度很高的熱軋盤條，其冷加工極限高達90%以上，實際生產(chǎn)中采用多模連續(xù)拉拔，較低的部分壓縮率，避免了鋼絲變形過快而產(chǎn)生溫升異常現(xiàn)象，保證了鋼絲的高強韌性。

（3）鋼絲抗疲勞性能研究

由于單絲疲勞損壞在整體索股中的累積效應(yīng)，隨著主纜索股規(guī)格的增大，其抗疲勞性能降低。基于以上調(diào)查研究，對影響超高強度大規(guī)格索股疲勞性能的因素（如原材料的抗疲勞性能、錨固過渡區(qū)參數(shù)等）進行了系統(tǒng)的分析和研究，其中，針對索股的高應(yīng)力范圍要求，鋼絲的疲勞應(yīng)力上限為0.45倍抗拉強度對應(yīng)的應(yīng)力，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為200萬次。

（二）高性能混凝土耐久性提升技術(shù)在海洋工程中

的應(yīng)用

1. 混凝土的溫度調(diào)控、收縮抑制以及增韌技術(shù)（1）混凝土水化放熱歷程調(diào)控技術(shù)

為了抑制混凝土的溫度開裂，必須嚴格控制混凝土溫升，除了傳統(tǒng)降低水泥用量、放熱量、水冷等方式，也可通過化學(xué)外加劑（水化熱調(diào)控材料，TRI）控制混凝土結(jié)構(gòu)溫升，進而降低開裂風(fēng)險。

（2）分階段全過程混凝土收縮抑制技術(shù)

通過相轉(zhuǎn)移催化的方法合成具有親水/親油特性的兩親性聚合物（聚甲基丙烯酸十八酯），解決了小分子兩親性化合物間弱范德華力的缺陷，有效提升了單分子膜的排列密度和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了單分子膜抑制水分蒸發(fā)性能的有效提升。最終可降低混凝土塑性階段水分蒸發(fā)70%以上，降低塑性收縮50%以上，該技術(shù)已應(yīng)用于蘭新高速鐵路、成貴高速鐵路、泰州大橋、橫琴二橋等國家重大工程。

2. 干濕交變下侵蝕性介質(zhì)傳輸與混凝土腐蝕抑制技術(shù)

（1）侵蝕性離子傳輸抑制技術(shù)

新型混凝土侵蝕性介質(zhì)傳輸抑制技術(shù)利用與水泥水化產(chǎn)物可以形成鍵合作用的新型有機物，徹底解決了傳統(tǒng)材料溶出的問題。該類產(chǎn)品可以實現(xiàn)疏水長碳鏈與水泥水化產(chǎn)物的化學(xué)鍵合，且不影響混凝土的水化進程和強度發(fā)展等性能；同時利用“納米效應(yīng)”，進一步減少混凝土有害孔，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，增加混凝土致密性，以江蘇蘇博特新材料股份有限公司的侵蝕性離子傳輸抑制技術(shù)（TIA）為典型。摻入侵蝕介質(zhì)傳輸抑制劑，混凝土抗壓強度提升10 MPa，電通量、吸水率、氯離子擴散系數(shù)降低超過40%，效果較國外同類產(chǎn)品提升50%，該技術(shù)已應(yīng)用于虎門二橋項目。

（2）鹽結(jié)晶抑制技術(shù)

混凝土抗硫酸鹽腐蝕選擇性結(jié)晶抑制劑摻入混凝土中，可在5% Na2SO4腐蝕環(huán)境下，在不影響氫氧化鈣等正常水化結(jié)晶產(chǎn)物生成的前提下降低鈣礬石的生成量，減少混凝土試件的力學(xué)性能損失，抑制腐蝕膨脹的產(chǎn)生。

（3）海工混凝土結(jié)構(gòu)外防護涂層體系

在有機防護材料方面，針對高鹽濃度、水下環(huán)境的極端環(huán)境，近年來基于水性化與濕固化技術(shù)的防護材料已成為國際研究的熱點。研究表明，以吸水量、抗化學(xué)腐燭、氯離子的滲透為評價指標(biāo)，則環(huán)氧涂層和聚氨酯涂層的防護性能優(yōu)于其他涂層。隨著老化時間的延長，涂層表面光澤度不斷下降，涂層的耐腐蝕性能下降，聚合物化學(xué)鍵被破壞，造成涂層樹脂不斷降解引起老化。目前，有機硅是使用最廣泛的滲透性表面防護涂料。有機硅防水涂料是通過涂裝，在硅酸鹽基材表面和孔隙內(nèi)部形成硅氧烷憎水膜以達到防水效果。無機防護材料突出的耐老化性能與綠色水性化特征使得該材料逐步得到廣泛關(guān)注，無機類滲透性防護材料由于滲透性與反應(yīng)性的矛盾導(dǎo)致此類技術(shù)展現(xiàn)出的防護效果有待進一步提高。

3. 基于有機阻銹劑的結(jié)構(gòu)鋼筋長效防護與修復(fù)技術(shù)

（1）干濕交變下長效阻銹技術(shù)

利用現(xiàn)代有機合成技術(shù)，將多位點強吸附阻銹分子與Cl-傳輸抑制分子整合為一體，在結(jié)構(gòu)服役過程中緩慢釋放，從而巧妙規(guī)避對混凝土新拌性能的影響，真正實現(xiàn)高效阻銹分子在實體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，并對阻銹分子進行合理的濃度配置；釋放出的Cl-傳輸抑制組分通過與Ca2+的分子自組裝，在混凝土保護層中構(gòu)建離子屏障，確保鋼筋表面阻銹分子對Cl-的長期濃度優(yōu)勢。

（2）納米材料在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用

納米材料在促進水泥基材料的早期水化進程，提升其早期強度方面應(yīng)用前景廣闊，與鈣鹽、三乙醇胺等傳統(tǒng)早強劑相比，納米材料具有無有害離子（如氯離子、硫酸根等）引入，摻量敏感度低（三乙醇胺等過摻易緩凝）等優(yōu)點（見圖3）。

圖3納米材料提升水泥基材料早期強度的原理

（三）纖維增強復(fù)合材料在海洋工程中的應(yīng)用

1. FRP加固橋梁結(jié)構(gòu)

FRP在橋梁加固結(jié)構(gòu)中已有廣泛應(yīng)用。針對傳統(tǒng)外貼加固存在的膠層老化問題，提出了高滲透耐候界面劑對纖維界面及混凝土基層進行強化的關(guān)鍵技術(shù)；針對預(yù)應(yīng)力纖維布的端部應(yīng)力集中問題，提出了分層錨固和分步張拉錨固兩種有效解決方法；針對預(yù)應(yīng)力FRP板/筋的端部錨固問題，提出同源材料錨固技術(shù)以避免錨固區(qū)剛度突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中。體外預(yù)應(yīng)力FRP筋/板加固混凝土梁的力學(xué)性能試驗證明，結(jié)構(gòu)剛度、開裂及屈服荷載均得到了有效提升[14,15]。針對預(yù)應(yīng)力BFRP筋嵌入式加固結(jié)構(gòu)，開發(fā)了成套張拉錨固技術(shù)（見圖4）。此外，還開發(fā)了BFRP網(wǎng)格/筋加固技術(shù)，將BFRP網(wǎng)格用聚合物砂漿黏貼加固于橋面板或主梁的底部或腹板，或?qū)FRP筋布置在橋面中，可顯著提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪承載力，防止橋面開裂，該技術(shù)已在南京長江大橋的加固修復(fù)中得到成功應(yīng)用（見圖5）。

2. FRP耐腐蝕輕量化橋面體系

國內(nèi)外FRP-混凝土組合橋面板在結(jié)構(gòu)形式相對傳統(tǒng)混凝土或全FRP具有優(yōu)勢，但目前仍存在模殼變形大、模殼-混凝土連接性能不足等問題。東南大學(xué)吳智深教授團隊研究設(shè)計出一種新型自平衡預(yù)應(yīng)力BFRP模殼-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。該體系在FRP模殼制備過程中增加齒狀結(jié)構(gòu)，并對模殼表面進行黏砂處理，以增加模殼與混凝土的咬合力，有效提升FRP型材之間及FRP和混凝土間的黏結(jié)性能；通過FRP板條進行預(yù)應(yīng)力張拉形成模殼反拱，降低模殼在施工荷載下的變形。靜力及疲勞性能試驗結(jié)果表明，BFRP-混凝土組合橋面板靜力下的極限荷載高達644 kN [16]，在疲勞試驗取荷載水平0.511Fu（Fu為極限承載力）、疲勞上下限荷載比為0.274條件下，試件最終疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)為249萬次，組合橋面板端部混凝土與BFRP模殼未發(fā)生相對滑移[17]。

3. FRP筋-鋼筋混合配置混凝土結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在帶裂縫工作的情況下易產(chǎn)生銹脹裂縫，而一味地增加鋼筋保護層厚度則會造成裂縫寬度過大。因此提出FRP筋-鋼筋混合配置混凝土結(jié)構(gòu)，將FRP筋布置在鋼筋外側(cè)，利用FRP筋與混凝土之間的穩(wěn)定滑移性能限制裂縫開展（見圖7）[18]。另一方面，由于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)屈服后剛度接近于零，結(jié)構(gòu)屈服后損傷發(fā)展過快且難以控制，有些結(jié)構(gòu)在極端荷載下雖然不發(fā)生倒塌，卻由于變形過大而無法繼續(xù)使用。所提出的FRP筋-鋼筋混配方式可保證穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)二次剛度，且顯著控制殘余變形，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)災(zāi)后可修復(fù)[19]。

圖4混凝土梁嵌入式加固

圖5BFRP網(wǎng)格/筋加固南京長江大橋橋面及拱肋

圖6組合橋面板及預(yù)應(yīng)力模殼

4. 大跨海洋斜拉橋、懸索橋用FRP拉索結(jié)構(gòu)

基于FRP拉索基本性能的研究，通過綜合考慮不同F(xiàn)RP拉索的力學(xué)性能與經(jīng)濟性能，確定了多種拉索的合理適用跨度區(qū)間，提出了在同一橋梁不同跨度區(qū)域混合布置的FRP拉索斜拉橋體系，簡稱FRP混布拉索體系，以充分發(fā)揮不同材料FRP拉索的力學(xué)性能與經(jīng)濟性能，實現(xiàn)大跨斜拉橋拉索在力學(xué)性能與經(jīng)濟性能上的優(yōu)化設(shè)計。另外，開發(fā)了由混雜FRP拉索和橡膠黏彈性材料組成的自減震拉索，可根據(jù)振動幅度的大小使拉索振幅相應(yīng)地衰減（見圖8）[20]。

由于FRP的橫向力學(xué)性能遠低于縱向力學(xué)性能，大噸位FRP拉索錨固是其應(yīng)用于大跨橋梁結(jié)構(gòu)的瓶頸問題。為此，提出了變剛度型整體錨固系統(tǒng)，如圖9所示，通過在錨固區(qū)不同部位設(shè)置不同的材料，實現(xiàn)荷載傳遞材料徑向彈性模量的梯度變化，利用整體模壓或分段澆筑對FRP拉索進行整體固化，減小了荷載傳遞材料-拉索界面剪應(yīng)力（黏結(jié)應(yīng)力），避免荷載傳遞材料-拉索界面因抗剪強度不足導(dǎo)致拉索從錨具中滑脫[21,22]。系列研究已表明，通過一體化、變剛度的同源荷載傳遞介質(zhì)，可實現(xiàn)1000 t級大噸位FRP拉索的有效錨固，但仍需通過不斷完善拉索-錨固體系制備工藝技術(shù)，以保證其質(zhì)量的可靠性。

圖8混雜索及自減震拉索

圖9變剛度型整體錨固系統(tǒng)

四、結(jié)語

未來，在我國海洋大跨橋梁工程材料發(fā)展領(lǐng)域中，應(yīng)針對海洋橋梁工程服役環(huán)境特征，開展關(guān)鍵工程材料的腐蝕機理與性能提升研究；研發(fā)高性能橋梁鋼及超高強纜索用鋼，形成海洋橋梁工程材料標(biāo)準體系；建立鋼筋混凝土材料與結(jié)構(gòu)耐久性一體化設(shè)計方法，發(fā)展基于表層防護-基體耐蝕-鋼筋阻銹的耐久性提升成套技術(shù)，形成高耐久鋼筋混凝土相關(guān)產(chǎn)品和規(guī)范；研發(fā)海洋橋梁工程用高性能耐腐蝕FRP系列制品，著重發(fā)展纜索、橋面板和抗震橋墩等FRP結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)輕量化、損傷可控、壽命可控以及耐久性設(shè)計方法；積極推動輕質(zhì)、高強、高耐久材料在海洋橋梁工程中的大規(guī)模應(yīng)用。建議國家參考對節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)業(yè)的支持政策，大力扶持非金屬資源纖維產(chǎn)業(yè)，特別是具有綠色、環(huán)保等高性能玄武巖纖維材料，推動海洋橋梁的長壽命和可持續(xù)發(fā)展。

致謝

衷心感謝秦順全院士主持的中國工程院咨詢項目“海洋橋梁工程技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究”（2016-XZ-13）的支持及對本課題的多方面指導(dǎo)！