海洋橋梁工程輕質、高強、耐久性結構材料現狀及發展趨勢研究
一、前言
海洋環境下的橋梁結構，受嚴酷腐蝕環境和復雜荷載形式影響（如風荷載、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，嚴重影響橋梁結構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性能降低，危害十分嚴重，我國 2014 年因鋼材腐蝕造成的經濟損失高達 1.9 萬億人民幣，占當年國內生產總值的 3%。另外，海洋環境中水下或水位變動區的混凝土結構，直接與海水中的硫酸鹽、鎂鹽等腐蝕性介質接觸。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，黏結力下降。歐洲每年超過 50% 的建設預算花費在混凝土結構修復和翻新工程 [1]；在我國，每年投入路橋混凝土結構的維修費用在 100 億元左右 [2]。此外，橋梁拉索承受的高應力會加速其腐蝕速率；建于1960 年的委內瑞拉 Maracibo 橋在風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，由于沒有及時發現并采取相應的措施，其中 1 根拉索于 1979 年 2 月突然發生斷裂，造成橋體的局部坍塌，直接經濟損失達 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濟性能等要求。
針對海洋環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、高強、耐久的材料調研結果，研究在橋梁關鍵區域的針對性應用方法，突破海洋環境下大跨橋梁的耐久和跨越瓶頸，以實現高性能和長壽命的目標，所涉及的相關技術主要包括傳統鋼材、混凝土的性能提升技術以及海洋橋梁用新型纖維增強復合材料（FRP）應用技術。
二、 海洋橋梁工程輕質、高強、耐久性材料現狀及發展趨勢
（一）高性能鋼材現狀及發展趨勢
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]。國內普通橋梁用鋼的發展從20世紀50年代至 60 年代起步，與國外相比發展速度緩慢。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的 StE355 鋼。隨后，我國研制開發了橋梁鋼 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長江大橋；2016 年，在建的滬通大橋首次應用 Q500qE 高性能橋梁鋼（見圖 1）。
（1）鋼材耐腐蝕表面處理技術
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，即鋼結構防腐蝕可分為兩類，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定化處理技術包括耐候性涂膜處理、氧化物涂膜處理、帶銹涂層處理、銹層穩定化表面處理、鈦合金表面處理等。
采用上述表面處理技術進行一次涂覆使用后，免維護時間長。然而，目前國內該技術在鋼構件中的應用還處于空白，也未開發出較成熟的可廣泛應用于穩定耐候鋼構件表面銹層的處理技術。
（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]。國內除仿制上述兩種產品外，還考慮 Ni、Cr 資源的稀有性及我國富含稀土資源，逐漸開發出 Cu-P-RE系。1984 年，我國制定了高耐候性結構鋼標準及焊接結構用耐腐蝕鋼的相關標準，并于 2008 年重新修訂。近年來，國內橋梁建設中耐腐蝕橋梁鋼的應用逐漸增加。國內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，國內具備耐腐蝕性能的橋梁用鋼，如 Q355NH、Q345qNH、Q420qNH、Q460qNH、Q420qE、Q500qE 等鋼，已經開展室內加速腐蝕試驗研究，并在不同環境條件下進行了長期暴曬試驗。據相關資料顯示，上述鋼種的耐腐蝕性能是普通 Q235 鋼的 2~8 倍甚至更優。但是，所有上述鋼種存在兩個主要問題，一是缺乏裸露狀態的應用業績，二是缺乏海洋環境下的應用業績，國內所有海洋環境下的橋梁工程，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開始實橋應用，選材規范已經建立，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。日本開發出系列適應惡劣海洋環境的耐候橋梁鋼，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 等鋼種已經普遍應用，且應用技術及維護技術相當成熟。
國內鋼鐵企業也開始大力開展橋梁用耐候鋼的相關研究，以超低碳貝氏體為設計主線，并充分利用 HTP、RPC、TMCP 等多項組織細化、組織均勻等關鍵技術。通過控制碳含量在 0.03%~0.07%，并優化組合 Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Nb 等化學元素，提高鋼的韌性并降低冷裂紋敏感性和焊接熱影響區硬度，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），形成穩定化銹層之前會出現銹液流掛與飛散，污染周圍環境，在沿海的海洋大氣環境中會出現層狀剝落，具有一定的局限性。此外，國產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力腐蝕。日本對高 Ni 鋼的研究處于世界前列，其產品中 Ni 含量超過了相關標準 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 鋼優越的耐腐蝕性能。
與日本 JIS 標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，遠優于普通鋼材，耐腐蝕性能優良。但由于貴重合金元素含量高，因此高 Ni 鋼初期成本極高，且材料缺乏長期應用數據。
（5）國內外目前海洋橋梁工程用纜索用鋼
日本在線鹽浴工藝生產的 SWRS87B-DLP 盤條，組織均勻性性能較好，可滿足 ?5.0 mm 2000 MPa（含扭轉）的要求。歐洲專注于高碳鋼生產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的發展時間不到 10 年，主要采用盤條離線鉛浴的傳統處理方式，解決了盤條的組織均勻性問題。
在國內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。橋梁鍍鋅鋼絲企業不再采購日本鹽浴淬火（DLP）盤條，使國內鋼廠得到更多的機會持續改善盤條品質 [5]。國內鋅鋁合金鍍層鋼絲目前在橋梁應用已有 5 座以上，例如2007 年蘇通大橋采用了 ?7.0 mm 1770 MPa 級的橋索鋼絲。隨著城鎮化建設的深入，特別是黃河、長江、珠江等流域城市群的建設及“一帶一路”倡議背景下海外基建市場的陸續啟動，預計鋅鋁合金鍍層技術的應用前景將非常廣闊。
通過升高碳含量實現強度的提高，會造成盤條塑性明顯下降，高強度鋼絲扭轉、彎曲、纏繞性能遇到極大挑戰；橋索的纏繞彎曲扭轉特性、工藝性能和強度指標尚有待進一步研究；此外，國外線材制品的技術保護使得相關技術的國產化需求迫在眉睫。
2. 發展趨勢
從前述的橋梁用鋼現狀來看，高性能鋼是未來發展的主要方向。研究和工程實踐表明，橋梁結構用高性能鋼具有如下優點：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，使結構更美觀；③增加跨度，減少了橋墩數量或主梁數量；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，提高了結構的安全系數和可靠性；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。
橋梁防腐涂裝技術的未來發展趨勢將遵循高性能、長壽命、綠色環保的原則，向多元化方向發展以適應不同腐蝕環境、不同防腐部位，并要考慮施工技術及維護方案，還要考慮材料成本控制和人文景觀的要求。
（二）高性能混凝土現狀及發展趨勢
1. 既有研究概述
高性能混凝土耐久性、流動性和體積穩定性是保證混凝土高性能的重要因素。
（1）表面防護技術
混凝土外防護技術根據作用機理的不同，可分為涂層技術、孔阻塞技術、孔壁憎水技術與孔結構優化技術。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、粉末涂料等傳統涂料之后，為適應環境保護需求而研發的一種無溶劑、無污染的較為先進的涂料。這種高厚膜彈性涂料，不僅能實現一次噴涂厚涂層，且能快速固化，物理力學性能及耐化學腐蝕性能優異。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、綠色環保、抗高溫性能好、透氣性好等優點。目前，表面防護技術主要存在老化、濕基面黏結差等瓶頸問題，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
在混凝土結構致密化方面，傳統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計中引入了粉煤灰等礦物摻合料，從而實現混凝土結構致密化。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 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所造成的腐蝕性反應風險，從而改善混凝土密實度。
最新研究發現，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上，各納米材料的自身特性也有助于優化抗滲與抗侵蝕性能；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研究。經過 20 多年的發展，針對高流動性混凝土開發了高效減水劑（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力，實現高流動性。此外，通過一系列試驗優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用，成功解決了接頭主體結構中混凝土振搗困難的問題。
（4）混凝土收縮抑制技術
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致其收縮變形大，水化溫升高，導致了體積穩定性差，開裂風險高。收縮抑制技術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、養護劑等方法來補償混凝土收縮，減少混凝土微裂紋，優化混凝土孔結構，降低孔隙率，改善水泥石與骨料過度層的界面結構和性能 [6]。在混凝土收縮抑制技術中應重點突破分階段全過程調控混凝土水化放熱歷程，以及添加膨脹劑抑制收縮技術。
2. 發展趨勢
（1）海工混凝土微結構優化技術
基于混凝土微結構與滲透性之間的關系，圍繞適用于海洋環境耐腐蝕高性能混凝土的關鍵耐久性設計指標及微結構設計參數，應用基于微結構的混凝土配合比設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，實現抗介質滲透能力與耐腐蝕性能顯著高于普通混凝土的低介質腐蝕混凝土制備技術。
（2）基于高耐候、低介質滲透與長壽命化的外防護技術
針對海洋環境中大氣區混凝土結構具有高紫外線輻射的特點，采用無機防護材料技術在低收縮、高抗裂的大體（面）積混凝土表層實現孔阻塞技術；針對浪濺區干濕交替與海浪沖刷的難題，采用具有優異耐磨與防腐特性的噴涂聚脲彈性體技術實現混凝土表面涂層技術的封閉與防護效應。此外，針對暴露于浪濺區與潮汐區的鋼筋混凝土梁與柱，可考慮采用 FRP 包裹技術或鋼管復合樁技術，利用 FRP耐蝕特性或鋼管保護層作用有效延緩混凝土結構中鋼筋銹蝕與混凝土破壞；針對水下區混凝土結構發生腐蝕破壞的低概率特點，采用滲透性模板布技術優化耐腐蝕高性能混凝土表層孔結構，提升混凝土結構的耐久性。
（3）有機阻銹技術
針對海洋獨特的侵蝕環境，在海工高性能混凝土的基礎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、力學性能、施工工藝性能和經濟性等多方面因素。自修復阻銹劑作為新興的鋼筋阻銹技術，在應用方面具有顯著的優勢。
（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，成為實現水泥基材料性能跨越式發展的新體系。從工業固體廢棄物或低品位資源中高效獲取富含化學活性物質的納米粒子，作為“生態納米材料”，制備超高強度、超高韌性、超高耐久的生態納米超高性能混凝土，滿足大跨徑橋梁、薄壁結構、抗爆結構和深水海洋平臺等重大或特種工程的迫切需求，創新輕型混凝土梁板體系，促進高強鋼筋規模化應用和固體廢棄物的高效利用，具有重大的理論和現實意義 [7]。
（三）纖維增強復合材料（FRP）現狀及發展趨勢
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構材料，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 普遍具有輕質高強和耐腐蝕性能，不同的 FRP 具有不同的力學、物理和化學性能，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）、網格材（包括硬質的網格和柔性的格柵）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，也可用于結構加固；索材可用于斜拉橋拉索和懸索橋主纜，還可用作預應力加固；型材可直接作為橋面板結構，也可以和混凝土形成組合結構用于橋面板或橋墩柱；網格材可用于橋面結構及橋墩加固，還可作為增強材料用于橋墩柱，對混凝土施加約束作用，提高力學性能和耐久性。
2. 發展趨勢
（1）高耐腐蝕低成本 FRP
傳統 FRP 包括 CFRP、AFRP 和 GFRP，其中CFRP 質量輕、強度高、長期性能和耐久性好，但價格昂貴，大規模運用于土木工程領域的成本過高；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，目前已開發多種新型 FRP，其中新型 BFRP 以綜合性價比突出的優勢，近年來得到推廣應用 [9~11]。
（2）可二次加工性 FRP 制品
傳統熱固性樹脂 FRP 制品無法根據現場施工的需要在施工現場進行二次加工，箍筋、異形筋等需預制；熱塑性 FRP 制品經過加熱即可彎折，極大增加現場施工的便利性。目前研究與應用較多的熱塑性 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性能較差等缺點。
三、高性能材料在海洋工程中的應用技術研究
（一）高性能鋼材在海洋工程中的應用
1. 海洋橋梁工程用高性能鋼板焊接工藝研究在 JIS3114 的基礎上，日本開發出橋梁用高性能鋼 SBHS500W 和 SBHS700W。SBHS700W 高性能鋼是新日鐵 1994 年為明石海峽大橋設計的剛性大梁用材料。國內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，且經過實際應用檢驗 [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的熱處理方式獲得良好的綜合性能，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中的關鍵工序之一，盤條通過淬火得到符合生產工藝及產品要求的組織結構，如良好的拉拔性能和綜合力學性能等 [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，確保鋼絲表面質量，鋼絲拉拔前應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定的形狀、尺寸和性能指標，并符合產品技術要求的鋼絲。變形金屬在不發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，實際生產中采用多模連續拉拔，較低的部分壓縮率，避免了鋼絲變形過快而產生溫升異常現象，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，隨著主纜索股規格的增大，其抗疲勞性能降低。基于以上調查研究，對影響超高強度大規格索股疲勞性能的因素（如原材料的抗疲勞性能、錨固過渡區參數等）進行了系統的分析和研究，其中，針對索股的高應力范圍要求，鋼絲的疲勞應力上限為 0.45 倍抗拉強度對應的應力，應力循環次數為200 萬次。
（二）高性能混凝土耐久性提升技術在海洋工程中的應用
1. 混凝土的溫度調控、收縮抑制以及增韌技術
（1）混凝土水化放熱歷程調控技術
為了抑制混凝土的溫度開裂，必須嚴格控制混凝土溫升，除了傳統降低水泥用量、放熱量、水冷等方式，也可通過化學外加劑（水化熱調控材料，TRI）控制混凝土結構溫升，進而降低開裂風險。
（2）分階段全過程混凝土收縮抑制技術
通過相轉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定性，實現了單分子膜抑制水分蒸發性能的有效提升。最終可降低混凝土塑性階段水分蒸發 70% 以上，降低塑性收縮 50% 以上，該技術已應用于蘭新高速鐵路、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傳輸與混凝土腐蝕抑制技術
（1）侵蝕性離子傳輸抑制技術
新型混凝土侵蝕性介質傳輸抑制技術利用與水泥水化產物可以形成鍵合作用的新型有機物，徹底解決了傳統材料溶出的問題。該類產品可以實現疏水長碳鏈與水泥水化產物的化學鍵合，且不影響混凝土的水化進程和強度發展等性能；同時利用“納米效應”，進一步減少混凝土有害孔，優化孔結構，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（TIA）為典型。摻入侵蝕介質傳輸抑制劑，混凝土抗壓強度提升10 MPa，電通量、吸水率、氯離子擴散系數降低超過 40%，效果較國外同類產品提升 50%，該技術已應用于虎門二橋項目。
（2）鹽結晶抑制技術
混凝土抗硫酸鹽腐蝕選擇性結晶抑制劑摻入混凝土中，可在 5% Na 2 SO 4 腐蝕環境下，在不影響氫氧化鈣等正常水化結晶產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性能損失，抑制腐蝕膨脹的產生。
（3）海工混凝土結構外防護涂層體系
在有機防護材料方面，針對高鹽濃度、水下環境的極端環境，近年來基于水性化與濕固化技術的防護材料已成為國際研究的熱點。研究表明，以吸水量、抗化學腐燭、氯離子的滲透為評價指標，則環氧涂層和聚氨酯涂層的防護性能優于其他涂層。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注，無機類滲透性防護材料由于滲透性與反應性的矛盾導致此類技術展現出的防護效果有待進一步提高。
3. 基于有機阻銹劑的結構鋼筋長效防護與修復技術
（1）干濕交變下長效阻銹技術
利用現代有機合成技術，將多位點強吸附阻銹分子與 Cl – 傳輸抑制分子整合為一體，在結構服役過程中緩慢釋放，從而巧妙規避對混凝土新拌性能的影響，真正實現高效阻銹分子在實體結構中的應用，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 Ca 2+ 的分子自組裝，在混凝土保護層中構建離子屏障，確保鋼筋表面阻銹分子對 Cl – 的長期濃度優勢。
（2）納米材料在水泥基復合材料中的應用
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用前景廣闊，與鈣鹽、三乙醇胺等傳統早強劑相比，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）等優點（見圖 3）。
（三）纖維增強復合材料在海洋工程中的應用
1. FRP 加固橋梁結構
FRP 在橋梁加固結構中已有廣泛應用。針對傳統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鍵技術；針對預應力纖維布的端部應力集中問題，提出了分層錨固和分步張拉錨固兩種有效解決方法；針對預應力 FRP 板 / 筋的端部錨固問題，提出同源材料錨固技術以避免錨固區剛度突變導致的應力集中。體外預應力 FRP 筋 / 板加固混凝土梁的力學性能試驗證明，結構剛度、開裂及屈服荷載均得到了有效提升 [14,15]。針對預應力 BFRP筋嵌入式加固結構，開發了成套張拉錨固技術（見圖4）。此外，還開發了BFRP網格/筋加固技術，將 BFRP 網格用聚合物砂漿黏貼加固于橋面板或主梁的底部或腹板，或將 BFRP 筋布置在橋面中，可顯著提高結構的抗彎、抗剪承載力，防止橋面開裂，該技術已在南京長江大橋的加固修復中得到成功應用（見圖 5）。
2. FRP 耐腐蝕輕量化橋面體系
國內外 FRP– 混凝土組合橋面板在結構形式相對傳統混凝土或全 FRP 具有優勢，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。東南大學吳智深教授團隊研究設計出一種新型自平衡預應力 BFRP 模殼 – 混凝土組合橋面板結構，如圖 6 所示。該體系在 FRP 模殼制備過程中增加齒狀結構，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和混凝土間的黏結性能；通過 FRP 板條進行預應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 0.511F 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次數為 249 萬次，組合橋面板端部混凝土與BFRP 模殼未發生相對滑移 [17]。
3. FRP 筋 – 鋼筋混合配置混凝土結構
傳統鋼筋混凝土結構在帶裂縫工作的情況下易產生銹脹裂縫，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構，將 FRP 筋布置在鋼筋外側，利用 FRP 筋與混凝土之間的穩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構屈服后剛度接近于零，結構屈服后損傷發展過快且難以控制，有些結構在極端荷載下雖然不發生倒塌，卻由于變形過大而無法繼續使用。所提出的 FRP 筋 – 鋼筋混配方式可保證穩定的結構二次剛度，且顯著控制殘余變形，實現結構災后可修復 [19]。
4. 大跨海洋斜拉橋、懸索橋用 FRP 拉索結構
基于 FRP 拉索基本性能的研究，通過綜合考慮不同 FRP 拉索的力學性能與經濟性能，確定了多種拉索的合理適用跨度區間，提出了在同一橋梁不同跨度區域混合布置的 FRP 拉索斜拉橋體系，簡稱FRP 混布拉索體系，以充分發揮不同材料 FRP 拉索的力學性能與經濟性能，實現大跨斜拉橋拉索在力學性能與經濟性能上的優化設計。另外，開發了由混雜 FRP 拉索和橡膠黏彈性材料組成的自減震拉索，可根據振動幅度的大小使拉索振幅相應地衰減（見圖 8）[20]。
由于 FRP 的橫向力學性能遠低于縱向力學性能，大噸位 FRP 拉索錨固是其應用于大跨橋梁結構的瓶頸問題。為此，提出了變剛度型整體錨固系統，如圖 9 所示，通過在錨固區不同部位設置不同的材料，實現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 – 拉索界面剪應力（黏結應力），避免荷載傳遞材料 – 拉索界面因抗剪強度不足導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，可實現 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，以保證其質量的可靠性。
四、結語
未來，在我國海洋大跨橋梁工程材料發展領域中，應針對海洋橋梁工程服役環境特征，開展關鍵工程材料的腐蝕機理與性能提升研究；研發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準體系；建立鋼筋混凝土材料與結構耐久性一體化設計方法，發展基于表層防護 – 基體耐蝕 – 鋼筋阻銹的耐久性提升成套技術，形成高耐久鋼筋混凝土相關產品和規范；研發海洋橋梁工程用高性能耐腐蝕 FRP 系列制品，著重發展纜索、橋面板和抗震橋墩等 FRP 結構，建立結構輕量化、損傷可控、壽命可控以及耐久性設計方法；積極推動輕質、高強、高耐久材料在海洋橋梁工程中的大規模應用。建議國家參考對節能、環保產業的支持政策，大力扶持非金屬資源纖維產業，特別是具有綠色、環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發展。