摘要：海洋环境因为海水盐性较高，通常会使跨海大桥的桥墩产生锈蚀从而影响到大桥的设计使用年限。根据海洋环境下混凝土结构的腐蚀损坏机理，通过对轻质高强且具有耐久性材料的深入调研，总结高性能混凝土、高性能钢及一些纤维增强复合材料的研究现状及发展趋势，介绍在桥梁关键区域的针对性应用技术，使海洋桥梁工程能够满足高性能、轻量化、使用寿命长的需求，突破海洋环境下跨海大桥的耐久和跨度瓶颈。。
关键词：海水环境；高性能混凝土；纤维增强复合材料
0 引言
跨海大桥结构海洋环境下，受海水盐离子腐蚀环境和风荷载、交通荷载的耦合作用等复杂荷载影响，疲劳蠕变引起大桥的性能退化，海水腐蚀导致的大桥耐久性能不足，严重影响桥梁结构的安全性能和设计使用寿命。海洋环境中的混凝土结构在水下或水位变动区直接与海水中的镁盐、硫酸盐等腐蚀性介质接触，硫酸镁容易造成水泥石中水化硅酸钙凝胶分解，使体系强度损失，黏结力下降；另一方面硫酸根离子和水化铝酸盐、氢氧化钙作用生成膨胀产物引起硫酸盐腐蚀。目前全球跨海大桥的设计使用年限都在100年以上，但在20年内多数都出现了大桥混凝土桥墩的腐蚀性现象，在我国，每年投入路桥混凝土结构的维修费用也接近100亿元。为了解决跨海大桥在海洋环境下长期服役中的性能问题，需要研究在桥梁关键区域的针对性应用方法，使大跨桥梁在海洋环境下实现高性能和使用寿命长的目标。目前所涉及的相关技术主要包括高性能钢、高性能混凝土的技术提升以及海洋环境中新型纤维增强复合材料（FRP）的技术应用[1]。
1 高性能混凝土现状及发展趋势
1.1 既有研究概述
高性能混凝土主要受耐久性、流动性和体积稳定性影响。
(1)表面防护技术
混凝土外防护技术主要是通过表面防护，增加混凝土保护层厚底和涂抹保护层与盐离子分离，从而防止腐蚀作用。表面防护可分为涂层技术、孔壁憎水技术与孔结构优化技术。混凝土表面防护材料主要分为两种，无机防护材料相对于有机防护材料具有原料来源广泛、成本与能耗低等优点，但是主要存在老化、湿基面黏结差等问题。有机材料中聚脲弹性体涂料是继高固体分涂料、水性涂料、粉末涂料等传统涂料之后而研发的一种无溶剂、无污染的较为先进的涂料。这种高厚膜弹性涂料适应环境保护需求，不仅能实现一次喷涂表层，且能快速固化，物理力学性能及耐化学腐蚀性能优异。
(2)高密实性混凝土
在混凝土结构密实性方面，传统方式主要采用高强度的混凝土，通过调整混凝土配合比、在混凝土中引入粉煤灰等矿物掺合料，提高混凝土结构的密实性。此外，在耐腐蚀胶凝材料方面，主要采用抗硫酸盐水泥、降低混凝土材料中侵蚀性介质所造成的腐蚀风险，从而改善混凝土密实度。研究发现，纳米材料可显著改善混凝土密实性和抗侵蚀性能，合理复配纳米材料与其他掺合料可进一步提升混凝土耐久性[2]。
(3)高流动性混凝土
高流动性混凝土通过氨基磺酸系等高效减水剂，可大幅降低混凝土材料在流变方程中的屈服剪切应力，实现高流动性。通过优化高流动性混凝土的矿物掺合料类型和骨料粒径与砂率，高流动性混凝土在港珠澳大桥沉管隧道的最终接头中成功应用，解决了接头主体结构中混凝土振捣困难的问题。
(4)混凝土收缩抑制技术
高性能混凝土材料由于高胶材用量以及低水胶比导致其收缩变形大，水化温升高，导致混凝土体积稳定性差，易开裂。为减小干燥收缩和塑性收缩，主要采取膨胀剂、养护剂等方法来补偿混凝土收缩，降低孔隙率，改善水泥与骨料过度层的界面结构和性能。：（1）重量轻，强度高。钢结构住宅改变了传统住宅以墙体承重的结构形式，仅靠钢框架体系承重，墙体起围护和空间分割作用。（2）抗震性能好结构住，宅建筑总质量小,地震力小,且延性好,因此钢结构住宅有良好的抗震性能[3]。（3）易于实现工业化生产[3]。钢结构住宅的构件一般可在工厂批量生产而成，且重量较轻，现场装配方便，可大幅度减少施工工期。
1.2 发展趋势
（1）基于高耐候、低介质渗透与长寿命化的外防护技术
针对海洋环境中大气区混凝土结构长期受到高紫外线辐射的问题，采用无机防护材料技术在低收缩、高抗裂的混凝土表层实现孔阻塞技术；针对水位变动区受海浪冲刷、干湿交替的问题，选用 FRP耐蚀特性保护层作用，有效延缓混凝土结构中钢筋锈蚀与混凝土破坏；针对水下区混凝土结构与空气隔绝、腐蚀破坏概率低的特点，采用渗透性模板布技术优化混凝土表层孔结构，提升混凝土结构的耐久性。
(2)有机阻锈技术
对海洋独特的侵蚀环境，在跨海大桥的桥墩上水位变动区使用迁移型阻锈剂，减轻钢筋锈蚀。综合考量筋材耐蚀性、力学性能和经济性等多方面因素，采用钢筋有机阻锈技术，对减轻跨海大桥桥墩腐蚀有显著优势。
(3)超高性能混凝土
超高性能混凝土以超高的强度、韧性和耐久性为特征，实现水泥材料性能的跨越式发展。通过制备超高强度、超高韧性、超高耐久的生态纳米超高性能混凝土，可以满足大跨径桥梁、深水海洋平台等重大特种工程的迫切需求，促进高强钢筋规模化应用具有重大的理论意义和现实意义。
2 高性能混凝土耐久性提升技术在海洋工程中的应用
2.1 混凝土的温度调控、收缩抑制技术
(1)混凝土水化放热历程调控技术
为了抑制混凝土的温度开裂，必须严格控制混凝土温度，除了传统降低水泥用量、水冷等方式，也可通过化学外加剂控制混凝土结构温升，降低混凝土开裂风险。
(2)分阶段全过程的混凝土收缩抑制技术
通过相互转移催化的方法合成具有亲水、亲油特性的两亲性聚合物，解决小分子两亲性化合物间弱范德华力的缺陷，能够有效提升单分子膜的排列密度和稳定性[4]。
2.2 干湿交变下侵蚀性介质传输与混凝土腐蚀抑制技术
(1)侵蚀性离子传输抑制技术
利用与水泥水化产物形成键合作用的新型有机物，新型混凝土侵蚀性介质传输抑制技术可有效解决传统材料溶出的问题。利用“纳米效应”，减少混凝土有害孔，增加混凝土致密性，以江苏苏博特新材料股份有限公司的侵蚀性离子传输抑制技术（TIA）为典型。掺入侵蚀介质传输抑制剂，混凝土抗压强度提升10 MPa，电通量、吸水率、氯离子扩散系数降低超过 40%，效果较国外同类产品提升50%，该技术已应用于虎门二桥项目。
(2)海工混凝土结构外防护涂层体系
以吸水量、抗化学腐烛、氯离子的渗透为评价指标，环氧涂层和聚氨酯涂层的防护性能优于其他涂层。随着老化时间的延长，涂层表面光泽度不断下降，涂层的耐腐蚀性能下降，聚合物化学键被破坏，造成涂层树脂不断降解引起老化。目前，通过涂装，在硅酸盐基材表面和孔隙内部形成硅氧烷憎水膜以达到防水效果，是使用最广泛的渗透性表面防护涂料。
3 结语
未来，我国海洋大跨桥梁工程仍会蓬勃发展。应针对海洋桥梁的服役环境特征，开展关键工程材料的腐蚀机理与性能提升研究；研发高性能钢和高性能混泥土，建立海洋桥梁工程材料标准体系。研发海洋桥梁工程用高性能耐腐蚀 FRP 系列制品，重点发展缆索、抗震桥墩等 FRP 结构。积极推动轻质高强、高耐久性材料在海洋桥梁工程中的大规模应用，推动跨海大桥在海洋环境中的耐久性使用和发展。
参考文献：
[1] Mangat P S, Grigoriadis K, Abgbakrl S. Microwave curing parameters of in-situ concrete repairs [J]. Construction and Building Materials, 2016 (112): 856–866.
[2] 郭小华,于英俊,王玲, 等.工业环境混凝土结构耐久性修复研究现状[J].工业建筑, 2019, 49(1): 156–162.
[3] 余红发.盐湖地区高性能混凝土耐久性、机理与使用寿命预测方法[D].南京:东南大学,2004.
[4] Hong K.,Hoot on R. D. Effects of cyclic chloride exposureon penetration of concrete cover [J].Cem. and Concr. Res,1999,29(9):1379-1386.
作者简介：
王庆江（1995-），男，汉族，山东省淄博市人，研究生在读，山东科技大学土木工程与建筑学院2019级结构工程专业，研究方向为结构方向
董朕(1996-)，男，汉族，山东省邹平市人，研究生在读，山东科技大学土木工程与建筑学院2019级建筑与土木工程专业，研究方向为结构方向
赵辉(1996-)，男，汉族，河南省濮阳市人，研究生在读，山东科技大学土木工程与建筑学院2019级建筑与土木工程专业，研究方向为结构方向