搜索热:3D打印 ??-
扫一扫 加微信
首页 > 新闻资讯 > 行业动态 > 消息正文
首页 > 新闻资讯 > 行业动态 > 消息正文
新材料铸就“世界之最”!港珠澳大桥背后这些材料元素不可不知
发布:Iron_MAN10   时间:2019/11/22 9:10:13   阅读:195 
分享到新浪微博 分享到腾讯微博 分享到人人网 分享到 Google Reader 分享到百度搜藏分享到Twitter

港珠澳大桥是连接香港、珠海和澳门的超大型跨海通道,是粤港澳3地首次合作共建的超大型跨海交通工程,主体工程由海上桥梁、海底隧道及连接两者的人工岛3部分组成。桥隧全长55 km,其中主桥29.6 km、香港口岸至珠澳口岸41.6 km。港珠澳大桥经过6年的筹备,于2009年12月15日正式开工建设,历时近9年后成功贯通,总投资额达1269亿元。港珠澳大桥的建设创造了多项世界纪录:世界上最长的跨海大桥、世界上最长的海底沉管隧道、世界上最大断面的公路隧道、世界上最大的沉管预制工厂、世界上最大的八向震锤、世界上最大的起重船、世界上最大橡胶隔震支座。这些世界之最的成就,离不开中国智造,离不开新材料。

01金属材料

港珠澳大桥作为世界上最大的钢结构桥梁,仅主梁钢板用量就达到了42万t,相当于10座鸟巢,或者60座埃菲尔铁塔的质量。

1.多钢种荟萃

在港珠澳大桥的建设中,我国众多钢企都贡献了自己的力量。据相关资料统计,韶关钢铁集团有限公司(简称“韶钢”)从2012年年底至2016年年底,为港珠澳大桥项目供应建筑钢材17.86万t,所提供的螺纹钢、盘螺、高线占港珠澳大桥需求量的70%,另外,钢箱梁、桥墩所用的环氧涂层螺纹钢母材也全部由韶钢供应,部分低合金高强度结构钢板、桥梁钢结构用板由韶钢提供。

河北钢铁集团(简称“河钢”)提供含钒高强抗震螺纹钢筋及精品板材产品约24万t,其中13.5万t高强抗震螺纹钢筋用于海底隧道巨型沉管建设。河北钢铁集团舞阳钢铁有限责任公司(简称“河钢舞钢”)提供桥梁用优质平台钢订单共4万余t,包括D36(Z35)、Q355NHD、Q345D等高端钢种,均用于大桥钢箱梁等承重关键部位的建造,此外还包括6mm超薄钢板和4100mm超宽钢板等特殊规格钢材。河北钢铁集团邯郸钢铁集团有限责任公司(简称“河钢邯钢”)提供200t SGH440高强热镀锌板用于服务区钢结构板房建设。河北钢铁集团承德钢铁集团有限公司(简称“河钢承钢”)累计供应多种规格含钒高强抗震钢筋14.68万t,90%用于海底隧道建设,占该工程钢筋用量的40%以上。河北钢铁集团唐山钢铁股份有限公司(简称“河钢唐钢”)提供1.9万t不同规格的钢结构产品。

湖南华菱湘潭钢铁有限公司(简称“华菱湘钢”)供应桥梁钢板4万多t。湖南华菱涟源钢铁有限公司(简称“华菱涟钢”)提供低合金桥梁钢3000t,用于桥梁护栏矩形管;提供低合金结构钢2万余t,用于钢管桩。

鞍钢集团有限公司(简称“鞍钢”)提供近17万t桥梁钢,用于大桥主体。武汉钢铁(集团)公司(简称“武钢”)供应11.6万t的管桩钢及5.4万t“U肋”钢。广西柳州钢铁(集团)公司(简称“柳钢”)提供5.23万余t的柳钢产品用于建设港珠澳大桥,主要包括管线钢和建筑材。其中使用到柳钢热轧卷和中厚板分别有Q235B、S275JO、S355JO、Gr.B、以及HRB300E和HRB400E抗震螺纹钢等。太原钢铁(集团)有限公司(简称“太钢”)双相不锈钢钢筋被应用于大桥的承台、塔座及墩身等多个部位,其用量超过了8200t。马钢集团(简称“马钢”)提供4000多tH型钢,用于桥梁工程、土建工程及组合梁施。洛阳双瑞特种装备有限公司提供低合金耐蚀铸钢,用于特种减隔震耐蚀桥梁支座。此外,还有多家国内钢企为港珠澳大桥提供钢铁支持。

2.耐候钢:首次在国内跨海桥工程中使用

港珠澳大桥处于高温高湿的海洋气候环境中,必然要求金属材料具备苛刻的防腐蚀性能,而耐候钢可以用稳定的锈层来防止腐蚀,满足港珠澳大桥 120 年设计寿命的要求。针对耐候钢焊接冶金质量难以控制、焊缝的腐蚀性能难以保障等问题,燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室和国家冷轧板带工程技术研究中心先进钢铁材料研究团队王青峰课题组与中铁山桥集团有限公司合作,在将耐候钢应用于港珠澳大桥索塔锚固箱的焊接制造。课题组优化了焊接材料、焊接工艺,使焊接冶金质量、接头力学性能和耐腐蚀性能都达到了设计要求,保证了关键构件120年不腐蚀的卓越性能。这也是耐候钢首次在国内跨海桥工程中得到使用。

3.特种铝材

港珠澳大桥所使用的铝材,并非普通的建筑铝材。据广东凤铝铝业有限公司(以下简称“凤铝”)研究院铝合金新产品研发部万里博士表示,“港珠澳大桥横跨伶仃洋,台风频繁且强度大,海洋环境盐分重,海风吹过,建筑物容易腐蚀,普通的建筑型材寿命会大受影响。比如幕墙产品,如果使用普通铝材,时间长了有可能会褪色。”对此,凤铝研发团队开展了专门的加速模拟腐蚀试验和抗风压测试,产品使用的氟碳涂料,具备特殊的耐热、耐低温和耐腐蚀性,甚至具有荷叶一样的“自洁”功能,产品检验标准严于国标GB/T5237.5及美国标准AAMA2605等。据悉,包括大桥人工岛、中国旅检大楼、安检大楼、进出口岸工程、澳门边检大楼停车场等标志性建筑在内,广泛采用了凤铝的建材幕墙、门窗产品;凤铝工业铝材也因其可靠的性能表现而应用在桥体连接板等部件上。凤铝在港珠澳大桥中所提供的铝材达到了整个工程铝材用量的60%以上。

02化工材料

1.橡胶隔震支座

港珠澳大桥采用的长、宽均为1.77m的橡胶隔震支座,为目前世界上最大橡胶隔震支座,由中国南车股份有限公司旗下的株洲时代新材料科技股份有限公司(以下简称“南车时代新材”)研制并提供。该产品可以有效抵御台风、地震、海啸等灾害或人为事故对大桥的冲击。

据介绍,橡胶隔震支座广泛应用于房屋、公路、桥梁等建筑物上。其中最为关键的技术就是位于桥梁支座中间的橡胶技术,被誉为桥梁支座的“心脏”。橡胶的阻尼越大,消耗能量的能力越强,一般可降低地震烈度0.5~2度。高阻尼橡胶隔震支座在试验中可吸收、消耗40%以上的振动能量。

针对港珠澳大桥跨度大、地势复杂的特殊工况,南车时代新材采用独特的橡胶配方工艺和检测技术,研制出长1.77m、宽1.77m的世界最大尺寸高阻尼橡胶隔震支座。该支座承载力约3 000t,可为港珠澳大桥抵抗16级台风、8级地震及30万t巨轮撞击安装“定海神针”。

2.高性能环氧涂层

港珠澳大桥的防腐涂料体系,参考了国内外诸多大型桥梁,其中由中国科学院金属研究所(以下简称“中科院金属所”)自主研发的新型涂层和阴极保护联合防护技术,在该工程中发挥了重要作用。

中科院金属所耐久性防护与工程化课题组负责人李京研究员表示,他们研制出新一代高性能环氧涂层钢筋,并参与大桥基础的防腐涂装施工,保障了港珠澳大桥120年耐久性设计要求,打破了国内大桥的“百年惯例”。

李京介绍,对特定的海泥环境,他们先后从涂层的抗渗透性、耐阴极剥离性等着手研制新型涂料,解决涂层的耐久性问题。耐久性工作实际上是建桥的前提条件,此前原有的跨海大桥耐久性设计方案已不能满足港珠澳大桥耐久性需求,这为国内外海洋工程防护提出了新的挑战。

港珠澳大桥的大部分钢管复合桩位于泥下区,其涂层破坏方式主要来源于打桩过程中的机械损伤、泥砂碎石的磨划伤和泥下腐蚀因素的长期侵蚀、降解等。中科院金属所科研人员把研究防护涂层体系重点瞄准在解决打桩过程中的耐划伤性、耐磨损性和长期服役过程中抗海水渗透性、耐阴极剥离性和长期湿态附着力、耐微生物等方面。

因为港珠澳大桥设计寿命更长,需要在已有钢管桩涂层技术的基础上研发出性能更加优越的涂层以满足要求。针对港珠澳大桥特定的海泥环境,中科院金属所科研人员在大桥论证时起开展了相关涂层的研发工作,先后从涂层的抗渗透性、耐阴极剥离性等关键性能指标着手解决涂层的耐久性问题,最终保证了涂层的120年耐久性设计要求。

3.桥面铺装用胶

由于港珠澳大桥特殊的地理环境,海水侵蚀、雾气厚重,大桥桥面铺装用胶有着十分苛刻的技术规范,不仅要求具备超高强度、超高韧性,而且还必须通过适应海洋性气候的耐盐雾实验,设计寿命高达120年,在同类工程中尚无采用国内产品的先例。建设团队需要一种具备对天然橡胶与金属具有很强粘接力的基础性能之外,还具备耐海水盐雾耐候性能的胶水,以解决最后10余米合拢工程快速粘接的问题。当时,项目所具有的胶水都无法满足要求,连进口的MS胶都无法达到理想的施工效果。

由湖北回天新材料股份有限公司控股企业上海回天新材料有限公司提供研发支持和产品服务。该公司针对港珠澳大桥环氧树脂防水层工程技术特点,和较高的指标要求,在港珠澳大桥上多次通过理化检验和测试施工试验,成功解决了桥梁粘接材料与复杂环境下施工工艺的难题。经过现场的性能测试后获得港珠澳大桥项目部专家的高度认可,在与多家国际胶粘剂巨头和20余家国外品牌的竞争中脱颖而出,独家中标。

4.聚羧酸减水剂产品

在港珠澳大桥的沉管隧道、人工岛等工程中,江苏苏博特新材料有限公司(以下简称“苏博特”)的聚羧酸减水剂产品为混凝土的耐久性和施工性能的稳定提供保障。

苏博特以缪昌文院士领航的技术支持与服务团队,为港珠澳大桥建设默默奉献了7年,期间开展了数十次专项研讨,百余次性能比对和检测实验,力求让混凝土更耐久。

据介绍,苏博特在根据工程实际情况设计定制化产品的同时,还配合港珠澳大桥施工单位全程提供技术服务与支持,重点解决了混凝土材料施工性能调控、抗裂性能优化、外观质量优化等方面的关键难题。

5.高密度板和中密度板

港珠澳大桥2座人工岛的建筑造型设计汲取了海洋生物“蚝贝”(又称“牡蛎”)元素,形似蚝贝,寓意珠海横琴岛盛产蚝贝。人工岛处于大海中央,面临着高风压、高盐雾、高湿度、强紫外线等极端自然条件的多重挑战,除主体框架梁柱采用清水混凝土之外,外墙和室内墙面装饰均采用了通体一色的高密度纤维水泥板——埃特尼特高密度外墙板。

之所以选择这种材料,一方面,从外观质感上考虑,设计团队希望这2座人工岛的墙面装饰在色调和质感上与建筑主体本身的清水混凝土保持和谐统一。埃特尼特高密度外墙板纹理自然,质感朴素,有一种与生俱来的清雅气质,赋予建筑一种大气沉稳、庄严宏伟而又不失亲和力的外观韵味。另一方面,从材料性能考虑,埃特尼特高密度外墙板的主要原料成分是水泥、植物纤维及其他矿物质,经过高温蒸压养护处理后,理化性能稳定,具有优异的耐腐蚀、抗紫外线、防火、防潮功能,能适应海上人工岛建筑所面临的各种极端气候。

埃特尼特高密度外墙板是通过铆钉穿透式固定在龙骨骨架上,整个外墙系统具有优异的抗风压、抗震性能。前不久,港珠澳大桥经历了“山竹”17级超级台风的考验,2座人工岛建筑外墙均完好无损。

室内墙面装饰同样采用埃特尼特高密度外墙板,与外墙保持一致的朴素清雅风格,将室外景观与室内景观自然过渡,浑然一体。近处细看,埃特尼特高密度外墙板表面纹理细腻,呈现出淡淡的哑光光泽,大面积的整齐铺设让视野无限延伸,自然融入蔚蓝的大海。

人工岛建筑的室内隔墙也大量采用了中密度的纤维水泥板——埃特中密度板(不燃A级材料),作为墙体基材,与埃特尼特高密度外墙板组合应用,形成复合一体化墙体,满足室内空间对防潮、防火、隔音的高要求。

6.隧道专用防火板

在整个港珠澳大桥的工程的建造中,海底隧道一直是最受关注的部分。这是世界最长的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道,也是我国第一条外海沉管隧道,全长6.7km,海底部分约5 664m,由33节巨型沉管和1个合龙段最终接头组成,最大安装水深超过40m。

为保障安全,海底隧道的设计要求防火时长达到4h以上,采用了由广州埃特尼特工厂生产的保全隧道专用防火板PROMATECT H (25mm厚)作为防火吊顶,以及PROMINA(9mm厚)作为护壁衬板,为海底隧道增添一道防火屏障。

03复合材料

1.超高分子量聚乙烯纤维

吊起港珠澳大桥的高性能绳索,是由中石化南京化工研究院有限公司和中国纺织科学研究院,耗时十多年研发成功的超高分子量聚乙烯纤维制成的。2006年,这项技术转让给仪征化纤进行工业化装置建设。

这种超高分子量聚乙烯纤维,粗细仅有头发的1/10,但做成缆绳后,比钢索强度还高,承重力能达到35kg。超高分子量聚乙烯纤维,商品名为“力纶”。与碳纤维、芳纶并称为3大高性能纤维,是目前世界上强质比最高的纤维,在国防军工和民用工业上都有广泛的应用,是强国强军的战略物资。港珠澳大桥所用的吊带,一条就由十几万根这样的丝线组成。

2.新型高分子塑料模板

在建造人工岛环岛跃浪沟时,由广州路亿公路工程有限公司研发的新型高分子塑料模板就发挥了相当大的作用。该塑料模板采用热塑长纤维增强的高分子复合材料制成,1m3塑模重量约10kg,仅为钢模的1/7,同时还具有耐磨损、防腐蚀、强度高等特点。

塑料模板采用统一的组合构件,可以灵活快速模板化组装,施工人员只需简单培训即可快速掌握操作,同时施工时不存在模板出现残钉、尖刺等问题,可大幅度降低施工安全隐患。

3.复合材料柔性消能护舷

港珠澳大桥的桥墩防撞技术成为大桥设计的重中之重。江苏宏远科技工程有限公司根据港珠澳大桥桥墩型式,采用固定式复合材料柔性消能护舷。该护舷由复合材料迎撞面,增强联接板,消能柱,闭孔耗能芯材组成,耗能闭孔泡沫材料等通过真空导入,一体成型,呈“7”字型,成为了港珠澳大桥的“防护服”,有效减轻船只撞桥带来的破坏力,提高航运安全性。

04材料构件与材料技术

1.“半刚性”沉管结构

港珠澳大桥经过了伶仃洋海域中最繁忙的主航道,如果建造桥梁会影响香港机场飞机的起飞,因此只能建造隧道。港珠澳大桥海底隧道长达5.664km,由33节巨型的沉管组成,标准管节长度180m,重约8万t,差不多相当于一艘航母。这个沉管是目前世界上体积最大、质量最高的海底隧道建筑单元。

沉管隧道分为刚性和柔性2种结构,然而,这2种机构都无法适应海底隧道的建造需求。为了攻克这个难题,国内最前沿的企业和专家进行了长时间的研究,最终研发出第3种结构体系的沉管——半刚性沉管,一种界于刚性和柔性之间的结构。这座长达5 000多m的海底隧道,完全做到了滴水不漏,新材料功不可没。

2.桥梁减隔震技术

港珠澳大桥采用预制承台及墩身节段的拼装工艺,桥梁减隔震技术(OVM)预应力大直径高强螺纹钢筋锚固技术是节段拼装应用的关键技术。即是将桥梁梁体分为若干节段,在工厂预制后运至桥位进行组拼,通过施加预应力将节段整体拼装成桥的施工工艺。OVM是在桥梁上部结构和下部结构或基础之间设置减隔震装置,常用的有减隔震支座、阻尼器等,以增大原结构体系周期和(或)阻尼,降低结构的地震反应或减小输入到上部结构的能量,达到预期的抗震设防要求。

港珠澳大桥在设计之初,根据特殊的工况需求,要求桥梁能够抵抗16级以上台风,为目前对抗风要求最严苛的国内桥梁工程。经过多番调试,最后决定采用中国欧维姆公司全资子公司——柳州东方工程橡胶制品有限公司自主研发、生产的铅芯隔震橡胶支座和高阻尼隔震橡胶支座2种类型的支座。

3.高韧薄层沥青罩面技术

在港珠澳大桥主体安装中,钢箱梁桥面铺装代表桥梁建设“面子”工程,它提供车辆行驶的舒适安全。华南理工大学张肖宁教授表示,“我们摒弃了价格高昂的进口环氧沥青材料桥面铺装技术,选择了英国浇注式沥青铺装方案。但该方案施工效率低,按照此方案,需要5年左右的时间才能完成铺装工程。”为此,研发团队创新性地提出GMA施工方案,将施工效率提高10倍,半年内完成工程。并建成国内外首个能够满足力学相似的桥梁截断足尺模型。

在“超级工程”港珠澳大桥的设计与建设过程中,始终贯穿着科技创新的理念。我国国内开发生产的一系列新材料新构件,不仅打破了国外技能壁垒,满足了大桥建造的特别需求,还为我国交通建设行业的自主创新、技术进步起到了极好的引领作用。


来源:新材料产业
 
相关信息
   标题 相关频次
无相关信息...