海洋橋梁工程輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久性結(jié)構(gòu)材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究
一、前言
海洋環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)，受嚴(yán)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(zhǎng)期服役性能（耐久性問(wèn)題、疲勞蠕變引起的性能退化等）不足，嚴(yán)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(yán)重，我國(guó) 2014 年因鋼材腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 1.9 萬(wàn)億人民幣，占當(dāng)年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的 3%。另外，海洋環(huán)境中水下或水位變動(dòng)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(qiáng)度損失，黏結(jié)力下降。歐洲每年超過(guò) 50% 的建設(shè)預(yù)算花費(fèi)在混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)和翻新工程 [1]；在我國(guó)，每年投入路橋混凝土結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用在 100 億元左右 [2]。此外，橋梁拉索承受的高應(yīng)力會(huì)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(dòng)的影響下，192 根鋼索中有 25 根存在嚴(yán)重隱患，由于沒有及時(shí)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(jì)損失達(dá) 5000 萬(wàn)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(dá)到 1300 m，更大跨徑下鋼拉索將不能滿足施工掛索和經(jīng)濟(jì)性能等要求。
針對(duì)海洋環(huán)境下大跨橋梁突出的長(zhǎng)期服役性能問(wèn)題和輕量化需求，基于輕質(zhì)、高強(qiáng)、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(duì)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(shí)現(xiàn)高性能和長(zhǎng)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(qiáng)復(fù)合材料（FRP）應(yīng)用技術(shù)。
二、 海洋橋梁工程輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久性材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
（一）高性能鋼材現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1. 既有研究概述
國(guó)外海洋橋梁工程用鋼屈服強(qiáng)度為 245~700 MPa不等[3]。國(guó)內(nèi)普通橋梁用鋼的發(fā)展從20世紀(jì)50年代至 60 年代起步，與國(guó)外相比發(fā)展速度緩慢。20 世紀(jì) 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(jìn)口或國(guó)產(chǎn)的 StE355 鋼。隨后，我國(guó)研制開發(fā)了橋梁鋼 14MnNbq，先后用于蕪湖長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江大橋、黃河長(zhǎng)東二橋等長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)將涂料用于鋼鐵橋梁的保護(hù)以來(lái)，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(yáng)極保護(hù)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(zhǎng)效防腐蝕體系。目前國(guó)外較為先進(jìn)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。
采用上述表面處理技術(shù)進(jìn)行一次涂覆使用后，免維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)。然而，目前國(guó)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(guó)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(guó)目前有十余座耐腐蝕鋼橋。目前國(guó)際主流的耐腐蝕鋼主要有 Cu-P-Cr-Ni 系的美國(guó) Corten 鋼及日本的 SMA 鋼等 [4]。國(guó)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(guó)富含稀土資源，逐漸開發(fā)出 Cu-P-RE系。1984 年，我國(guó)制定了高耐候性結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)及焊接結(jié)構(gòu)用耐腐蝕鋼的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并于 2008 年重新修訂。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)中耐腐蝕橋梁鋼的應(yīng)用逐漸增加。國(guó)內(nèi)橋梁大量使用耐腐蝕鋼的工程主要有：咸陽(yáng)渭河公路橋、沈陽(yáng)后丁香大橋、大連16 號(hào)路跨海橋、官?gòu)d水庫(kù)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(guó)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(yàn)研究，并在不同環(huán)境條件下進(jìn)行了長(zhǎng)期暴曬試驗(yàn)。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(gè)主要問(wèn)題，一是缺乏裸露狀態(tài)的應(yīng)用業(yè)績(jī)，二是缺乏海洋環(huán)境下的應(yīng)用業(yè)績(jī)，國(guó)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(guó)外高性能耐海洋腐蝕用橋梁鋼已經(jīng)開始實(shí)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(guó)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(jí)和 455 MPa 級(jí)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(hù)技術(shù)相當(dāng)成熟。
國(guó)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(jì)主線，并充分利用 HTP、RPC、TMCP 等多項(xiàng)組織細(xì)化、組織均勻等關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)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(guò)控制鐵素體、貝氏體組織轉(zhuǎn)變，提高鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性；通過(guò)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(jiǎn)單且能夠減緩腐蝕速度，但其形成致密銹層歷時(shí)長(zhǎng)（4~15 年），形成穩(wěn)定化銹層之前會(huì)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(huì)出現(xiàn)層狀剝落，具有一定的局限性。此外，國(guó)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(wèn)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(duì)高 Ni 鋼的研究處于世界前列，其產(chǎn)品中 Ni 含量超過(guò)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 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(guò)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(dá) 1.3 mdd）下的大氣暴露試驗(yàn)，驗(yàn)證了高 Ni 鋼優(yōu)越的耐腐蝕性能。
與日本 JIS 標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(zhǎng)期應(yīng)用數(shù)據(jù)。
（5）國(guó)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 ?5.0 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(guó)鋼鐵公司、德國(guó)撒斯特公司。韓國(guó)的橋梁纜索行業(yè)的發(fā)展時(shí)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(wèn)題。
在國(guó)內(nèi)橋梁纜索用鋼主要采用鋅鋁鋼絲，其特點(diǎn)是強(qiáng)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(gòu)日本鹽浴淬火（DLP）盤條，使國(guó)內(nèi)鋼廠得到更多的機(jī)會(huì)持續(xù)改善盤條品質(zhì) [5]。國(guó)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 ?7.0 mm 1770 MPa 級(jí)的橋索鋼絲。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的深入，特別是黃河、長(zhǎng)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(chǎng)的陸續(xù)啟動(dòng)，預(yù)計(jì)鋅鋁合金鍍層技術(shù)的應(yīng)用前景將非常廣闊。
通過(guò)升高碳含量實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的提高，會(huì)造成盤條塑性明顯下降，高強(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)尚有待進(jìn)一步研究；此外，國(guó)外線材制品的技術(shù)保護(hù)使得相關(guān)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化需求迫在眉睫。
2. 發(fā)展趨勢(shì)
從前述的橋梁用鋼現(xiàn)狀來(lái)看，高性能鋼是未來(lái)發(fā)展的主要方向。研究和工程實(shí)踐表明，橋梁結(jié)構(gòu)用高性能鋼具有如下優(yōu)點(diǎn)：①減輕自重，易于處理和運(yùn)輸，且減小在頂推施工中懸臂段的彎矩，降低施工和運(yùn)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?yàn)榘搴駵p小，焊接體積減小同時(shí)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(zhǎng)期的使用階段免于涂裝；⑦延長(zhǎng)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)將遵循高性能、長(zhǎng)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(hù)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(shì)
1. 既有研究概述
高性能混凝土耐久性、流動(dòng)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(hù)技術(shù)
混凝土外防護(hù)技術(shù)根據(jù)作用機(jī)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(hù)材料包括有機(jī)和無(wú)機(jī)材料，在有機(jī)防護(hù)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(hù)需求而研發(fā)的一種無(wú)溶劑、無(wú)污染的較為先進(jìn)的涂料。這種高厚膜彈性涂料，不僅能實(shí)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(jī)涂料相比，無(wú)機(jī)防護(hù)材料具有原料來(lái)源廣泛、成本與能耗低、便于運(yùn)輸儲(chǔ)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(diǎn)。目前，表面防護(hù)技術(shù)主要存在老化、濕基面黏結(jié)差等瓶頸問(wèn)題，未來(lái)有望通過(guò)納米改性有機(jī)涂層體系得以解決。
（2）高密實(shí)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(qiáng)度等級(jí) C40 以上的混凝土，同時(shí)在混凝土配合比設(shè)計(jì)中引入了粉煤灰等礦物摻合料，從而實(shí)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(guò)降低硅酸鹽水泥中 C 3 A 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(xiǎn)，從而改善混凝土密實(shí)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(jìn)行合理的復(fù)配可進(jìn)一步提升耐久性。
（3）高流動(dòng)性混凝土
高流動(dòng)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(guó)逐步開展相關(guān)研究。經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展，針對(duì)高流動(dòng)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(shí)現(xiàn)高流動(dòng)性。此外，通過(guò)一系列試驗(yàn)優(yōu)化了高流動(dòng)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(dòng)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(wèn)題。
（4）混凝土收縮抑制技術(shù)
海洋橋梁中使用的高強(qiáng)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(xiǎn)高。收縮抑制技術(shù)主要集中在兩個(gè)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(jí)配良好的粗細(xì)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(hù)劑等方法來(lái)補(bǔ)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(guò)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(diǎn)突破分階段全過(guò)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(shì)
（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(jì)指標(biāo)及微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用基于微結(jié)構(gòu)的混凝土配合比設(shè)計(jì)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(shí)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(zhǎng)壽命化的外防護(hù)技術(shù)
針對(duì)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(diǎn)，采用無(wú)機(jī)防護(hù)材料技術(shù)在低收縮、高抗裂的大體（面）積混凝土表層實(shí)現(xiàn)孔阻塞技術(shù)；針對(duì)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(shí)現(xiàn)混凝土表面涂層技術(shù)的封閉與防護(hù)效應(yīng)。此外，針對(duì)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(hù)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(duì)水下區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕破壞的低概率特點(diǎn)，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(jī)阻銹技術(shù)
針對(duì)海洋獨(dú)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(jì)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(shì)。
（4）超高性能混凝土
超高性能混凝土（UHPC）以超高的強(qiáng)度、韌性和耐久性為特征，成為實(shí)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(qiáng)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(tái)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(jìn)高強(qiáng)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(shí)意義 [7]。
（三）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1. 既有研究概述
FRP 是由纖維和樹脂基體通過(guò)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)材料用于橋墩柱，對(duì)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(shì)
（1）高耐腐蝕低成本 FRP
傳統(tǒng) FRP 包括 CFRP、AFRP 和 GFRP，其中CFRP 質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、長(zhǎng)期性能和耐久性好，但價(jià)格昂貴，大規(guī)模運(yùn)用于土木工程領(lǐng)域的成本過(guò)高；AFRP 長(zhǎng)期蠕變大，且價(jià)格高；GFRP 成本較低，但強(qiáng)度和彈性模量較低，且耐堿性能較差。針對(duì)上述 FRP 的綜合性價(jià)比瓶頸，目前已開發(fā)多種新型 FRP，其中新型 BFRP 以綜合性價(jià)比突出的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)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 FRP 制品無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行二次加工，箍筋、異形筋等需預(yù)制；熱塑性 FRP 制品經(jīng)過(guò)加熱即可彎折，極大增加現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)度偏低，纖維和樹脂的界面黏結(jié)性能較差等缺點(diǎn)。
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(jì)的剛性大梁用材料。國(guó)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(guò)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn) [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(guó)外橋梁纜索用鍍鋅鋁合金鋼絲的生產(chǎn)對(duì)線材（盤條）有著較高的要求，一般為共析鋼或者過(guò)共析鋼成分的盤條。該高碳鋼需要通過(guò)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(qiáng)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(guò)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(shí)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(duì)盤條進(jìn)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(rùn)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(dá) 90% 以上，實(shí)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(guò)快而產(chǎn)生溫升異常現(xiàn)象，保證了鋼絲的高強(qiáng)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(duì)影響超高強(qiáng)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(guò)渡區(qū)參數(shù)等）進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究，其中，針對(duì)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(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為200 萬(wàn)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(yán)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(guò)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(jìn)而降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。
（2）分階段全過(guò)程混凝土收縮抑制技術(shù)
通過(guò)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(shí)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(guó)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(jī)物，徹底解決了傳統(tǒng)材料溶出的問(wèn)題。該類產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)疏水長(zhǎng)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(jìn)程和強(qiáng)度發(fā)展等性能；同時(shí)利用“納米效應(yīng)”，進(jìn)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(qiáng)度提升10 MPa，電通量、吸水率、氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低超過(guò) 40%，效果較國(guó)外同類產(chǎn)品提升 50%，該技術(shù)已應(yīng)用于虎門二橋項(xiàng)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% Na 2 SO 4 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(hù)涂層體系
在有機(jī)防護(hù)材料方面，針對(duì)高鹽濃度、水下環(huán)境的極端環(huán)境，近年來(lái)基于水性化與濕固化技術(shù)的防護(hù)材料已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。研究表明，以吸水量、抗化學(xué)腐燭、氯離子的滲透為評(píng)價(jià)指標(biāo)，則環(huán)氧涂層和聚氨酯涂層的防護(hù)性能優(yōu)于其他涂層。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，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(jī)硅是使用最廣泛的滲透性表面防護(hù)涂料。有機(jī)硅防水涂料是通過(guò)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(dá)到防水效果。無(wú)機(jī)防護(hù)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(wú)機(jī)類滲透性防護(hù)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(hù)效果有待進(jìn)一步提高。
3. 基于有機(jī)阻銹劑的結(jié)構(gòu)鋼筋長(zhǎng)效防護(hù)與修復(fù)技術(shù)
（1）干濕交變下長(zhǎng)效阻銹技術(shù)
利用現(xiàn)代有機(jī)合成技術(shù)，將多位點(diǎn)強(qiáng)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(guò)程中緩慢釋放，從而巧妙規(guī)避對(duì)混凝土新拌性能的影響，真正實(shí)現(xiàn)高效阻銹分子在實(shí)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，并對(duì)阻銹分子進(jìn)行合理的濃度配置；釋放出的Cl – 傳輸抑制組分通過(guò)與 Ca 2+ 的分子自組裝，在混凝土保護(hù)層中構(gòu)建離子屏障，確保鋼筋表面阻銹分子對(duì) Cl – 的長(zhǎng)期濃度優(yōu)勢(shì)。
（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(jìn)水泥基材料的早期水化進(jìn)程，提升其早期強(qiáng)度方面應(yīng)用前景廣闊，與鈣鹽、三乙醇胺等傳統(tǒng)早強(qiáng)劑相比，納米材料具有無(wú)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(guò)摻易緩凝）等優(yōu)點(diǎn)（見圖 3）。
（三）纖維增強(qiáng)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(duì)傳統(tǒng)外貼加固存在的膠層老化問(wèn)題，提出了高滲透耐候界面劑對(duì)纖維界面及混凝土基層進(jìn)行強(qiáng)化的關(guān)鍵技術(shù)；針對(duì)預(yù)應(yīng)力纖維布的端部應(yīng)力集中問(wèn)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(duì)預(yù)應(yīng)力 FRP 板 / 筋的端部錨固問(wèn)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(yàn)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(duì)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)?BFRP 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(zhǎng)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(guó)內(nèi)外 FRP– 混凝土組合橋面板在結(jié)構(gòu)形式相對(duì)傳統(tǒng)混凝土或全 FRP 具有優(yōu)勢(shì)，但目前仍存在模殼變形大、模殼 – 混凝土連接性能不足等問(wèn)題。東南大學(xué)吳智深教授團(tuán)隊(duì)研究設(shè)計(jì)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(guò)程中增加齒狀結(jié)構(gòu)，并對(duì)模殼表面進(jìn)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(guò) FRP 板條進(jìn)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(yàn)結(jié)果表明，BFRP– 混凝土組合橋面板靜力下的極限荷載高達(dá) 644 kN [16]，在疲勞試驗(yàn)取荷載水平 0.511F u （F u 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(wàn)次，組合橋面板端部混凝土與BFRP 模殼未發(fā)生相對(duì)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(hù)層厚度則會(huì)造成裂縫寬度過(guò)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(guò)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(guò)大而無(wú)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)災(zāi)后可修復(fù) [19]。
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(guò)綜合考慮不同 FRP 拉索的力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)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(jì)性能，實(shí)現(xiàn)大跨斜拉橋拉索在力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性能上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(dòng)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(yuǎn)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(wèn)題。為此，提出了變剛度型整體錨固系統(tǒng)，如圖 9 所示，通過(guò)在錨固區(qū)不同部位設(shè)置不同的材料，實(shí)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(duì) FRP 拉索進(jìn)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(qiáng)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(guò)一體化、變剛度的同源荷載傳遞介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn) 1000 t 級(jí)大噸位 FRP 拉索的有效錨固，但仍需通過(guò)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。
四、結(jié)語(yǔ)
未來(lái)，在我國(guó)海洋大跨橋梁工程材料發(fā)展領(lǐng)域中，應(yīng)針對(duì)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(jī)理與性能提升研究；研發(fā)高性能橋梁鋼及超高強(qiáng)纜索用鋼，形成海洋橋梁工程材料標(biāo)準(zhǔn)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(jì)方法，發(fā)展基于表層防護(hù) – 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(jì)方法；積極推動(dòng)輕質(zhì)、高強(qiáng)、高耐久材料在海洋橋梁工程中的大規(guī)模應(yīng)用。建議國(guó)家參考對(duì)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(dòng)海洋橋梁的長(zhǎng)壽命和可持續(xù)發(fā)展。