某大橋橋墩防腐工程方案優(yōu)選

耿會濤， 趙西文， 李清富

1鄭州大學(xué)（450001）2河南德馨高速公路有限公司（476000）

1 研究背景

某大橋設(shè)計使用壽命為100年，大橋橋址處為海水環(huán)境，海水水質(zhì)是NaCl型。橋墩的水位變動區(qū)和浪濺區(qū)處在海水和空氣的交替變換環(huán)境下，Cl-的侵蝕是造成橋墩鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕的首要因素。當Cl-侵入混凝土中之后破壞了鋼筋表面穩(wěn)定的鈍化膜,造成鋼筋表面的pH值迅速降低并形成較大的電位差，在空氣和水的共同作用下，鋼筋表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，鋼筋便開始銹蝕。混凝土中鋼筋電化學(xué)腐蝕示意圖如圖1所示。鋼筋銹蝕造成混凝土結(jié)構(gòu)損傷，進而造成橋墩承載力降低，致使大橋的耐久性無法得到保證。為了使大橋能夠滿足設(shè)計使用壽命的要求，就必須對大橋橋墩的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行專門的設(shè)計,除采用高性能混凝土外，對鋼筋還應(yīng)采取專門的防銹措施。

圖1 混凝土中鋼筋電化學(xué)腐蝕示意圖

2 防腐工程方案優(yōu)選

目前，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施除采用高性能混凝土外,主要還有對鋼筋表面環(huán)氧涂層、使用鋼筋阻銹劑、對混凝土表面涂層、采用陰極防護以及采用不銹鋼筋等措施，這些措施有各自的特點和優(yōu)勢,因此需要在技術(shù)和經(jīng)濟上進行方案優(yōu)選。對環(huán)氧涂層鋼筋、使用鋼筋阻銹劑、混凝土表面涂層、外加電流陰極防護和采用不銹鋼筋五種方案進行比較。

2.1 技術(shù)上方案優(yōu)選

在技術(shù)層面上，采用高性能混凝土提高了混凝土的密實性、抗Cl-滲透性以及抗凍融循環(huán)破壞性等，從而提高了混凝土的耐久性；環(huán)氧涂層鋼筋可改善并提高鋼筋的防腐能力，防護期也較長，但對施工要求比較高，一旦施工時環(huán)氧涂層遭到部分破損，即使很微小也會迅速造成鋼筋的腐蝕；在混凝土中摻入鋼筋阻銹劑可以有效的抑制和延緩鋼筋銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)過程,從而延緩鋼筋的銹蝕，防護期一般為20～30年,遠達不到結(jié)構(gòu)的使用壽命；對混凝土表面涂層可阻斷Cl-的滲透路徑,延緩鋼筋銹蝕，但防護期較短，一般為10～20年，防腐效果不理想；采用陰極防護雖然是主動防護，防腐期也較長，但是對管理工作人員所具備的知識和經(jīng)驗要求較高，如果欠缺，很可能導(dǎo)致系統(tǒng)在運行維護過程中出現(xiàn)問題。

采用不銹鋼筋能從根本上解決了鋼筋容易銹蝕的難題，在結(jié)構(gòu)的使用期內(nèi)只需做簡單的維護即可，防腐期可超過100年，防腐效果理想。因此從實際保護效果來看，采用不銹鋼筋在主動控制和防護期限等方面具有其它措施不可替代的優(yōu)勢。

2.2 經(jīng)濟上方案優(yōu)選

1）前提和假定

在經(jīng)濟層面上，由于該大橋的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐工程對建設(shè)方非常重要,并且前期投資較大，所以需要根據(jù)大橋的設(shè)計使用年限，采用全壽命經(jīng)濟分析法進行詳細的評估，以達到大橋全壽命期的總投資經(jīng)濟合理。

經(jīng)濟比較的前提和假設(shè)如下：由于該大橋?qū)^(qū)域經(jīng)濟發(fā)展十分重要，故結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為100年；設(shè)備、材料、承包和勞動力按現(xiàn)行市場價格計算，貨幣采用人民幣計量；壽命期內(nèi)每年的通貨膨脹率為8.0%;不考慮壽命期內(nèi)價格的巨大波動和不可預(yù)測的風(fēng)險；壽命期內(nèi)的正常維護和維修所需費用折算為現(xiàn)值，折現(xiàn)率按銀行貸款率5.0%計。

2）費用說明

采用環(huán)氧涂層鋼筋方案的費用說明：該大橋橋墩按結(jié)構(gòu)計算所需鋼筋約為800噸，采用環(huán)氧涂層鋼筋之后,每噸鋼筋會比普通鋼筋增加2 600元，因此采用環(huán)氧涂層鋼筋方案防腐工程的初期費用約為210萬元?？紤]到環(huán)氧涂層鋼筋不可避免的會出現(xiàn)局部的點腐蝕現(xiàn)象，因此每隔10～15年對橋墩進行檢測和修補。預(yù)計環(huán)氧涂層鋼筋的防腐年限約為50年，50年之后對橋墩進行大型維修，采用混凝土修補和混凝土表面涂層等措施，以保證其良好的工作性能。

使用鋼筋阻銹劑方案的費用說明：由于鋼筋阻銹劑的種類和品牌很多，目前質(zhì)量較好的鋼筋阻銹劑每噸6 000元以上，按6 000元計，摻量2%～4%，因此使用鋼筋阻銹劑方案的防腐工程每立方米鋼筋混凝土比普通鋼筋混凝土增加500元，此方案初期費用約為170萬元。預(yù)計鋼筋阻銹劑的保護年限為25年，25年之后對橋墩鋼筋混凝土進行表面涂層,50年后對橋墩進行大型維修,采用混凝土修補和混凝土表面涂層等措施,以保證其良好的工作性能。

混凝土表面涂層方案費用說明：混凝土表面涂層的材料采用有機涂料，按每平方米150元計，對混凝土表面涂層方案防腐工程的初期費用約為40萬元。由于其保護年限較短，預(yù)計有機涂層的保護年限為15年，15年后對橋墩進行重新涂層防護，25年后對橋墩進行大型維修，采用混凝土修補和混凝土表面涂層等措施，以保證其良好的工作性能。

外加電流陰極防護方案費用說明：外加電流陰極防護技術(shù)由于要采用專門的系統(tǒng)和專業(yè)的操作人員，其前期費用較高，約為300萬元，設(shè)計使用年限可達到100年，其間每年的電費和維護費用約為6 000元。

采用不銹鋼筋方案費用說明：由于目前不銹鋼筋的產(chǎn)量有限，其價格較高，按每噸不銹鋼筋比普通鋼筋價格高約5 300元計，此方案防腐工程的初期費用約為420萬元，防腐期限超過100年，其間只需做簡單的維護即可，花費甚小。

圖2 壽命期內(nèi)鋼筋混凝土防腐工程的總投資比較

由圖2壽命期內(nèi)鋼筋混凝土防腐工程的總投資比較可知：防腐工程初期費用最高到最低依次是采用不銹鋼筋方案，陰極防護方案，環(huán)氧涂層鋼筋方案,使用阻銹劑方案和混凝土表面涂層方案；在壽命期的前25年和前45年，使用鋼筋阻銹劑和環(huán)氧涂層鋼筋方案的總費用基本相當，45年之后環(huán)氧涂層鋼筋方案的總費用超過了使用鋼筋阻銹劑方案的總費用，在第70年時，環(huán)氧涂層鋼筋方案、陰極防護方案和不銹鋼筋方案三種方案的總費用基本持平，但之后由于大修，環(huán)氧涂層鋼筋方案總費用大增，一年內(nèi)總費用就超過了不銹鋼筋方案和陰極防護方案100年的總費用；在壽命期的前35年，混凝土表面涂層方案總費用較低,但之后其增長很快，因為其維修周期短、面積大,55年之后混凝土表面涂層方案和使用鋼筋阻銹劑方案的總費用基本相當，在第65年時,混凝土表面涂層方案和使用鋼筋阻銹劑方案的總費用都超過了采用不銹鋼筋方案和陰極防護方案100年的總費用；陰極防護方案和采用不銹鋼筋方案的壽命期限都達到了100年，比其他三種方案延長了近30年的使用壽命,在壽命期的第75年，陰極防護方案的總費用超過了采用不銹鋼筋方案的總費用。

3）方案選擇

綜上可得，根據(jù)全壽命經(jīng)濟分析法，在經(jīng)濟上采用不銹鋼筋方案是最優(yōu)方案,陰極防護方案次之，環(huán)氧涂層方案第三,使用鋼筋阻銹劑方案第四，而混凝土表面涂層方案最差。

由于環(huán)氧涂層鋼筋方案、使用鋼筋阻銹劑方案和混凝土表面涂層方案都需要對橋墩進行維修和再涂層防護，因此這三種方案都存在著一定時期的非防護狀態(tài)，故而增加了橋墩鋼筋混凝土受腐蝕破壞的風(fēng)險；陰極防護方案雖然使橋墩鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)始終處于受防護狀態(tài)，但是需要專業(yè)的工作人員進行必要的日常維護；而采用不銹鋼筋則是主動保護，并且從根源上杜絕了鋼筋的銹蝕，且只需簡單的維護即可，故而該大橋橋墩鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐工程應(yīng)優(yōu)先考慮采用不銹鋼筋防腐方案。

3 展望

雖然目前不銹鋼筋的產(chǎn)量低、價格高，但是隨著對不銹鋼筋研究的深入，不銹鋼筋的產(chǎn)量定會快速增長，價格也會相應(yīng)的降低，不銹鋼筋的優(yōu)勢就會明顯凸現(xiàn)出來。因此，可以預(yù)見，在不遠的將來，不銹鋼筋將會在腐蝕嚴重地區(qū)的港口海岸工程、水利工程、橋梁工程等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。

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