1.2　海洋工程建设和建筑材料的类型

海洋环境是一种严酷复杂的腐蚀环境。在这种环境中，海水本身是一种强的腐蚀介质，同时波、浪、潮、流又对海洋工程建筑产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对海洋装备的腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。目前我国每年因海洋环境腐蚀所造成的经济损失可达到 8000 多亿元人民币。因此，海洋重大工程在设计和使用过程中都必须考虑海洋环境的腐蚀问题，海洋防腐新技术、新材料的开发尤为重要。

1.2.1　海洋建筑工程的分类

按照工程属性，海洋建筑工程基本可分为岛礁建筑、港口工程、海上平台、防波堤、滨海电站、海岸堤坝、海洋隧道、桥梁建筑、海上油气田陆地终端及处理设施建造、海底线路管道和设备安装等。

（1）岛礁建筑

《全国生态岛礁工程“十三五”规划》明确将全国海岛分为渤海区、北黄海区、南黄海区、东海大陆架区、台湾海峡西岸区、南海北部大陆架区、海南岛区和三沙区8个分区，确立了生态保育类、权益维护类、生态景观类、宜居宜游类和科技支撑类五类工程。海南岛区和三沙区是我国岛礁建设的重点，该区域岛礁海水高盐、气候湿热，早晩温差大，以及盐雾和风浪的强腐蚀环境，这些对岛礁工程建筑物的服役耐久性提出了更高的要求。在岛礁建设过程中主要涉及的建筑类型包括岛礁房屋、灯塔、机场及附属设施等。

（2）港口工程

港口位于海岸、海湾或泻湖内，也有离开海岸建在深水海面上的。位于开敞海面岸边或天然掩护不足的海湾内的港口，通常须修建相当规模的防波堤，如大连港、青岛港、连云港、基隆港、意大利的热那亚港等。供巨型油轮或矿石船靠泊的单点或多点系泊码头和岛式码头属于无掩护的外海海港，如利比亚的卜拉加港、黎巴嫩的西顿港等。泻湖被天然沙嘴完全或部分隔开，开挖运河或拓宽、浚深航道后，可在泻湖岸边建港，如广西北海港。也有完全靠天然掩护的大型海港，如东京港、香港港、澳大利亚的悉尼港等。港口沉箱见图1-3。

港口水工建筑物一般包括防波堤、码头、修船和造船水工建筑物。进出港船舶的导航设施（航标、灯塔等）和港区护岸也属于港口水工建筑物的范围。港口水工建筑物除应满足一般的强度、刚度、稳定性（包括抗地震的稳定性）和沉陷方面的要求外，还需要满足波浪、水流、泥砂、冰凌等动力因素对港口水工建筑物的作用及环境水（主要是海水）对建筑物的腐蚀作用，并采取相应的防冲、防淤、防渗、抗磨、防腐等措施。

（3）桥梁建筑

桥梁建筑指的是横跨海峡、海湾等海上的桥梁，此类桥梁一般跨度较大、使用环境复杂，例如：全长50km的港珠澳大桥（设计使用寿命120年）、全长42.5km的胶州湾跨海大桥等。

某些跨海大桥甚至是桥梁、隧道、岛礁相互结合，因此，跨海大桥是桥梁技术的集大成者。例如，港珠澳大桥工程量最大、技术难度最高的是长约29.6km的桥-岛-隧集群的主体工程；海底隧道采用两孔一管廊截面形式，是迄今为止世界上埋深最深、规模最大、单节管道最长的海底公路沉管；沉管全部采用工厂法预制，完成后拖运至施工地点进行安装。在港珠澳大桥设计中，防撞问题也是工程研究重点。大桥设计有3个通航孔，每个可防3万吨冲击力。在海底隧道两端各建一个人工岛，在两个人工岛周围排放了石头形成斜坡，如果有船太靠近就会搁浅。另外还建有防撞墩，它们可防30万吨撞击。根据沿海海域台风的特点，防台风也是大桥工程考虑的因素，港珠澳大桥能抗击51m/s的风速，这相当于最大风力16级。另外，港珠澳大桥建成后可抗8级地震。

（4）海上平台

海上平台，高出海面且具有水平台面的一种桁架构筑物，供进行生产作业或其他活动用。按其位置是否固定，分为固定式海上平台和浮式海上平台。

固定式海上平台的特点是在整个使用寿命期内位置固定不变，其形式有桩式、绷绳式和重力式等。桩式平台由承台（上部甲板）和桩基构成，按桩的材质又分为木桩平台、钢桩平台和钢筋混凝土桩平台。桩式平台已广泛应用于建造海上码头、灯塔、雷达台、水文气象观测站等。绷绳式平台亦称系索塔平台，是将一个预制的钢质塔身安放在海底基础块上，四周用钢索锚定拉紧而成。由于这种构建平台的方式非常稳定，不易受洋流影响，且其承重的钢制塔身是预制的，施工不太受环境影响，因此适用于水深较大的海域。重力式平台是靠平台自身重量稳坐在海底坚实土层之上。这种平台的底部是一个或多个钢筋混凝土沉箱组成的基座，基座上有钢立柱或钢筋混凝土立柱支撑上部甲板。由于整个结构比较大，一般先在岸边开挖的泥坞中建造基座，再拖往有掩护的深水区接高，然后浮运至现场，加载下沉。目前这种平台一般是作为海底储油罐或用于钻采海底石油。其主要特点是抵御风暴及波浪袭击的能力强，结构耐久和维护费用低，但需开挖岸边坞坑，并要有近岸深水施工水域，结构高度因此受到限制。

浮式海上平台是一种大型浮体，有的可以迁移，有的不可迁移。可迁移的浮式平台，又称活动平台，它是为适应勘探、施工、维修等海上作业必须经常更换地点的需要而发展起来的。现有的浮式海上平台分坐底式、自升式、半潜式和船用式4种。2014年10月，英国媒体报道，中国正在研制浮动船坞以支持在南沙群岛的填海工程。报道分析，中国的海上浮动平台最大标准面积超过5艘大型航母的甲板面积，或者超过15个标准足球场的面积。超大型海上平台还可以根据需求拼接组装无限放大，相当于多个船体并联形成浮岛式的平台，并配置动力，可以以18km/h的速度进行移动，在这块陆地上可以进行旅游开发、码头仓储、能源发电、海水利用以及作为海洋保障基地。

（5）防波堤

防波堤是位于港口水域外围，用以抵御风浪、保证港内有平稳水面的水工建筑物。突出水面伸向水域与岸相连的称为突堤。立于水中与岸不相连的称为岛堤。堤头外或两堤头间的水面称为港口口门。口门数和口门宽度应满足船舶在港内停泊、进行装卸作业时水面稳静及进出港航行安全、方便的要求。有时，防波堤也兼用于防止泥砂和浮冰侵入港内。防波堤内侧常兼作码头。防波堤的堤线布置形式有单突堤式、双突堤式、岛堤式和混合式。为使水流归顺，减少泥砂侵入港内，堤轴线常布置成环抱状。防波堤按其断面形状及对波浪的影响可分为：斜坡式、直立式、混合式、透空式、浮式，以及配有喷气消波设备和喷水消波设备等的多种类型。

1.2.2　海洋建筑工程材料的分类

传统建筑材料，如波特兰水泥、钢筋、建筑涂料等，在海洋环境下的耐久性极差，严重降低了岛礁工程结构的使用寿命。新型海洋建筑工程材料主要包括高耐候钢材、混凝土以及其他功能材料等。

高耐候钢材是我国海洋工程建筑材料的主要类型之一，主要用于海上平台建设、灯塔及附属设施建设等。海洋环境对钢材的腐蚀主要是局部腐蚀，即从构件表面开始，在很小区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等。此外，还有低频腐蚀疲劳、应力腐蚀及微生物腐蚀等。研究结果表明，金属构件在海洋飞溅区（指风浪、潮汐等激起的海浪、飞沫溅散到的区域）的全面腐蚀速率最高。因此，高耐候海洋工程建筑钢材的类型有大线能量焊接用钢、耐腐蚀游船用钢、止裂船板、低温用钢等。

海工混凝土是海洋建筑工程中用量最大的建筑材料之一，广泛用于大型深水码头和海洋平台、商港、渔港、军港、入海河口整治、挡潮闸、工业引水、跨海桥梁、海岸防护、潮汐发电站等。

常规条件下，水泥混凝土的高碱度为钢筋表面形成钝化膜提供了有利条件，使得混凝土结构中的钢筋不易生锈，因而就总体而言钢筋混凝土是一种耐久性较好的结构材料。但是，对于海工混凝土结构，由于海洋环境中氯离子极强的穿透力和去钝化作用而使钢筋钝化膜容易遭到破坏并使其产生锈蚀，钢筋一旦发生锈蚀，其体积将逐渐膨胀直至达到原钢筋体积的一倍，这将对保护层混凝土产生很大拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时混凝土保护层将开裂、起层、剥落甚至使结构失效（图1-4）。当混凝土结构有了上述可见劣化特征时钢筋已经严重锈蚀，而且因氯离子引起的钢筋锈蚀多为点蚀，部分钢筋截面的减少很容易在钢筋混凝土结构内部引起应力集中，这不仅使结构使用寿命大大降低，而且维修成本也大幅度提高。因此客观上要求海洋环境工程用混凝土必须具有较好的耐久性和较高的使用寿命。

海工混凝土由于经常地或周期性地与海水接触，受到海水或海洋大气（含有氯离子）的物理化学作用，或受波浪、潮汐的冲击、磨损等作用，而遭受损害，缩短使用寿命，故海工混凝土除拌和物的和易性和强度应满足设计、施工要求外，尚应具有所需的抗渗性、抗冻性、抗蚀性、防止钢筋锈蚀和抵抗冰凌撞击的性能。可见，海工混凝土的最主要特征是高耐海水、盐雾等环境侵蚀，其主要手段包括专用胶凝材料、集料、掺合料、外加剂以及拌和水等多方面的优化。由于海上作业受海象和气象的限制，故多在岸上预制构件，然后吊运、载运或浮运至现场安装，需在现场灌筑混凝土的多属于整体性要求较高的部位，或体积过大、难以吊运的结构。因此，需用起重船、驳船、拖轮及混凝土拌和泵送船等工程船舶。

海洋工程建筑功能材料主要包括海洋工程建筑修复材料、海洋工程建筑防护涂料以及海洋工程建筑用保温隔热材料等。海洋工程建筑修复材料按材料性能可分为无机类修复材料、有机类修复材料以及聚合物改性修复材料三种。无机类修复材料如普通硅酸盐修补砂浆和特种水泥修补砂浆，在相容性上是最接近基层混凝土的。有机类修复材料主要是聚合物树脂，具有耐化学腐蚀、粘接强度高、流动性好等优点。聚合物改性修复材料既弥补了无机类材料力学性能和耐久性能的不足，也结合了有机聚合物的优点。海洋工程建筑防护涂料包括环氧树脂、聚氨酯、聚脲、聚丙烯树脂等数十个品种，相关材料应满足ISO 20340—2009《色漆和清漆——海上平台及有关构筑物防护漆系统的性能要求》、NORSOK STANDARD M501—2004《（海上平台）表面处理和防护涂层》等数十个标准的要求。海洋工程建筑用保温隔热材料、电磁屏蔽材料等除应满足常规的保温隔热性能、电磁屏蔽等要求外，还应满足抗风压、抗盐雾侵蚀等能力要求，目前国内外尚未见到相关的标准和规范。