某大桥桥墩防腐工程方案优选

2012-09-28耿会涛赵西文李清富

河南建材 2012年1期

耿会涛，赵西文，李清富

1郑州大学（450001）2河南德馨高速公路有限公司（476000）

1 研究背景

某大桥设计使用寿命为100年，大桥桥址处为海水环境，海水水质是NaCl型。桥墩的水位变动区和浪溅区处在海水和空气的交替变换环境下，Cl-的侵蚀是造成桥墩钢筋混凝土中钢筋锈蚀的首要因素。当Cl-侵入混凝土中之后破坏了钢筋表面稳定的钝化膜,造成钢筋表面的pH值迅速降低并形成较大的电位差，在空气和水的共同作用下，钢筋表面发生电化学反应，钢筋便开始锈蚀。混凝土中钢筋电化学腐蚀示意图如图1所示。钢筋锈蚀造成混凝土结构损伤，进而造成桥墩承载力降低，致使大桥的耐久性无法得到保证。为了使大桥能够满足设计使用寿命的要求，就必须对大桥桥墩的钢筋混凝土结构进行专门的设计,除采用高性能混凝土外，对钢筋还应采取专门的防锈措施。

图1 混凝土中钢筋电化学腐蚀示意图

2 防腐工程方案优选

目前，提高钢筋混凝土结构耐久性的措施除采用高性能混凝土外,主要还有对钢筋表面环氧涂层、使用钢筋阻锈剂、对混凝土表面涂层、采用阴极防护以及采用不锈钢筋等措施，这些措施有各自的特点和优势,因此需要在技术和经济上进行方案优选。对环氧涂层钢筋、使用钢筋阻锈剂、混凝土表面涂层、外加电流阴极防护和采用不锈钢筋五种方案进行比较。

2.1 技术上方案优选

在技术层面上，采用高性能混凝土提高了混凝土的密实性、抗Cl-渗透性以及抗冻融循环破坏性等，从而提高了混凝土的耐久性；环氧涂层钢筋可改善并提高钢筋的防腐能力，防护期也较长，但对施工要求比较高，一旦施工时环氧涂层遭到部分破损，即使很微小也会迅速造成钢筋的腐蚀；在混凝土中掺入钢筋阻锈剂可以有效的抑制和延缓钢筋锈蚀的电化学反应过程,从而延缓钢筋的锈蚀，防护期一般为20～30年,远达不到结构的使用寿命；对混凝土表面涂层可阻断Cl-的渗透路径,延缓钢筋锈蚀，但防护期较短，一般为10～20年，防腐效果不理想；采用阴极防护虽然是主动防护，防腐期也较长，但是对管理工作人员所具备的知识和经验要求较高，如果欠缺，很可能导致系统在运行维护过程中出现问题。

采用不锈钢筋能从根本上解决了钢筋容易锈蚀的难题，在结构的使用期内只需做简单的维护即可，防腐期可超过100年，防腐效果理想。因此从实际保护效果来看，采用不锈钢筋在主动控制和防护期限等方面具有其它措施不可替代的优势。

2.2 经济上方案优选

1）前提和假定

在经济层面上，由于该大桥的钢筋混凝土结构防腐工程对建设方非常重要,并且前期投资较大，所以需要根据大桥的设计使用年限，采用全寿命经济分析法进行详细的评估，以达到大桥全寿命期的总投资经济合理。

经济比较的前提和假设如下：由于该大桥对区域经济发展十分重要，故结构的设计使用年限为100年；设备、材料、承包和劳动力按现行市场价格计算，货币采用人民币计量；寿命期内每年的通货膨胀率为8.0%;不考虑寿命期内价格的巨大波动和不可预测的风险；寿命期内的正常维护和维修所需费用折算为现值，折现率按银行贷款率5.0%计。

2）费用说明

采用环氧涂层钢筋方案的费用说明：该大桥桥墩按结构计算所需钢筋约为800吨，采用环氧涂层钢筋之后,每吨钢筋会比普通钢筋增加2 600元，因此采用环氧涂层钢筋方案防腐工程的初期费用约为210万元。考虑到环氧涂层钢筋不可避免的会出现局部的点腐蚀现象，因此每隔10～15年对桥墩进行检测和修补。预计环氧涂层钢筋的防腐年限约为50年，50年之后对桥墩进行大型维修，采用混凝土修补和混凝土表面涂层等措施，以保证其良好的工作性能。

使用钢筋阻锈剂方案的费用说明：由于钢筋阻锈剂的种类和品牌很多，目前质量较好的钢筋阻锈剂每吨6 000元以上，按6 000元计，掺量2%～4%，因此使用钢筋阻锈剂方案的防腐工程每立方米钢筋混凝土比普通钢筋混凝土增加500元，此方案初期费用约为170万元。预计钢筋阻锈剂的保护年限为25年，25年之后对桥墩钢筋混凝土进行表面涂层,50年后对桥墩进行大型维修,采用混凝土修补和混凝土表面涂层等措施,以保证其良好的工作性能。

混凝土表面涂层方案费用说明：混凝土表面涂层的材料采用有机涂料，按每平方米150元计，对混凝土表面涂层方案防腐工程的初期费用约为40万元。由于其保护年限较短，预计有机涂层的保护年限为15年，15年后对桥墩进行重新涂层防护，25年后对桥墩进行大型维修，采用混凝土修补和混凝土表面涂层等措施，以保证其良好的工作性能。

外加电流阴极防护方案费用说明：外加电流阴极防护技术由于要采用专门的系统和专业的操作人员，其前期费用较高，约为300万元，设计使用年限可达到100年，其间每年的电费和维护费用约为6 000元。

采用不锈钢筋方案费用说明：由于目前不锈钢筋的产量有限，其价格较高，按每吨不锈钢筋比普通钢筋价格高约5 300元计，此方案防腐工程的初期费用约为420万元，防腐期限超过100年，其间只需做简单的维护即可，花费甚小。

图2 寿命期内钢筋混凝土防腐工程的总投资比较

由图2寿命期内钢筋混凝土防腐工程的总投资比较可知：防腐工程初期费用最高到最低依次是采用不锈钢筋方案，阴极防护方案，环氧涂层钢筋方案,使用阻锈剂方案和混凝土表面涂层方案；在寿命期的前25年和前45年，使用钢筋阻锈剂和环氧涂层钢筋方案的总费用基本相当，45年之后环氧涂层钢筋方案的总费用超过了使用钢筋阻锈剂方案的总费用，在第70年时，环氧涂层钢筋方案、阴极防护方案和不锈钢筋方案三种方案的总费用基本持平，但之后由于大修，环氧涂层钢筋方案总费用大增，一年内总费用就超过了不锈钢筋方案和阴极防护方案100年的总费用；在寿命期的前35年，混凝土表面涂层方案总费用较低,但之后其增长很快，因为其维修周期短、面积大,55年之后混凝土表面涂层方案和使用钢筋阻锈剂方案的总费用基本相当，在第65年时,混凝土表面涂层方案和使用钢筋阻锈剂方案的总费用都超过了采用不锈钢筋方案和阴极防护方案100年的总费用；阴极防护方案和采用不锈钢筋方案的寿命期限都达到了100年，比其他三种方案延长了近30年的使用寿命,在寿命期的第75年，阴极防护方案的总费用超过了采用不锈钢筋方案的总费用。

3）方案选择

综上可得，根据全寿命经济分析法，在经济上采用不锈钢筋方案是最优方案,阴极防护方案次之，环氧涂层方案第三,使用钢筋阻锈剂方案第四，而混凝土表面涂层方案最差。

由于环氧涂层钢筋方案、使用钢筋阻锈剂方案和混凝土表面涂层方案都需要对桥墩进行维修和再涂层防护，因此这三种方案都存在着一定时期的非防护状态，故而增加了桥墩钢筋混凝土受腐蚀破坏的风险；阴极防护方案虽然使桥墩钢筋混凝土结构始终处于受防护状态，但是需要专业的工作人员进行必要的日常维护；而采用不锈钢筋则是主动保护，并且从根源上杜绝了钢筋的锈蚀，且只需简单的维护即可，故而该大桥桥墩钢筋混凝土结构防腐工程应优先考虑采用不锈钢筋防腐方案。