受腐蚀钢筋混凝土结构性能的研究

简介： 钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的首要因素。国内外对受腐蚀钢筋混凝土结构的性能已经做了一些研究。本文简介了这方面研究的现状，并对需要重点加强研究的方面提出了建议。
关键字：混凝土腐蚀 钢筋 

1 引言
　　钢筋混凝土结构是目前应用较广的结构形式之一。随着建筑物的老化和环境污染的加重，钢筋混凝土结构耐久性问题越来越引起国内外广大研究者的关注。在第二届国际混凝土耐久性会议上，Mehta教授指出："当今世界混凝土破坏原因，按递减顺序是：钢筋腐蚀、冻害、物理化学作用"。他明确地将"钢筋腐蚀"排在影响混凝土耐久性因素的首位。而来自海洋环境的氯盐和用于化冰雪的除冰盐，又是造成钢筋腐蚀的主要原因。美国1984年报道，仅就桥梁而言，57.5万座钢筋混凝土桥，一半以上出现钢筋腐蚀破坏，40%承载力不足和必须修复与加固处理，当年的修复费为54亿美元；1988年报道，钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费，一年要2500亿美元，其中桥梁修复费为1550亿美元（是这些桥初建费用的4倍）。加拿大早期大量使用除冰盐，使钢筋混凝土桥梁等破坏严重。欧洲、澳大利亚、海湾国家等，都有以氯盐为主的钢筋腐蚀破坏问题，其中英国修复费为每年50亿英镑。韩国曾发生一系列建筑物破坏、倒塌事件，其中很多也与"盐害"有关。在我国已经发现许多海港码头的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出现顺筋锈胀开裂、剥落。北京、天津的许多立交桥，因为冷天撒盐化冰雪也日益暴露出严重的钢筋腐蚀问题，不得不斥巨资修复。

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2 钢筋的的腐蚀机理
　　钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。
　　混凝土孔隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙溶液形式存在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾，PH值约为12.5。在这样强碱性的环境中，钢筋表面形成钝化膜，它是厚度为20-60?的水化氧化物（nFe2O3·mH2O），阻止钢筋进一步腐蚀。因此，施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构，即使处在海洋环境中，钢筋基本上也能不发生腐蚀。但是，当由于各种原因，钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态时，钢筋就容易腐蚀。
　　呈活化态的钢筋表面所进行的腐蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶解态氧还原的阴极反应，相互以等速度进行。其反应式如下：
　　阳极反应
　　Fe - 2e → Fe2+
　　阴极反应
　　O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
　　腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化亚铁，该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe(OH)3，并进一步生成nFe2O3·mH2O（红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的四倍，黑锈体积可大到原来的二倍。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂，进而使保护层成片脱落，而裂缝及保护层的剥落又进一步导致更剧烈的腐蚀。

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3 受腐蚀钢筋混凝土结构性能研究的现状
3.1 研究方法

　　目前，对受腐蚀钢筋混凝土结构的研究方法主要是试验研究和有限元分析。试验研究中，腐蚀试件的模拟一是通过试验室试验，包括快速腐蚀试验（电化学腐蚀、加氯盐腐蚀等）和盐雾试验；二是长期自然暴露试验；三是替换构件法。有限元分析中，大多采用钢筋混凝土非线性有限元方法对受腐蚀钢筋混凝土构件进行非线性模拟。
　　电化学快速腐蚀试验通常是将试件浸入一定浓度的NaCl溶液中，用外部电源通以恒电流，混凝土中的钢筋做阳极，不锈钢做阴极，通过控制电流密度的大小和通电时间来控制钢筋的腐蚀量。在混凝土中掺加氯盐的快速腐蚀试验一般是在浇注混凝土试件时，在混凝土拌合物中加入一定比例的氯盐（如CaCl2），然后在自然条件下放置，或是施加一定大小的电流进行加速腐蚀。盐雾室中的腐蚀试验是用来模拟氯化物在混凝土试件中的渗透，一般将试件放置在一个密闭的盐雾室中，盐雾室上部的四个角部各有一个喷雾口，盐雾室中还可以进行干湿交替、温度变化等。长期自然暴露试验是将钢筋混凝土试件放置在各种自然侵蚀环境，如大气环境、海洋环境、化工环境中，试验的周期较长，但能够较真实地反映实际情况。替换构件法是对长期处于腐蚀环境下的、实际工程中的钢筋混凝土构件从工作现场拆下来，进行各种力学性能试验。  字串3
　　自然腐蚀的复杂条件需要在试验室用简单但具有代表性的方法模拟，如何在试验室更好地模拟真实的腐蚀环境对构件的作用，在较短的时间里达到结构在一定时期后的腐蚀状态，对试验结果的可靠性非常重要。 

3.2 受腐蚀钢筋混凝土构件的抗弯性能

　　钢筋腐蚀通常会改变正常配筋混凝土梁的破坏类型，完好梁一般为弯曲破坏，而受腐蚀梁很多情况下为剪切破坏[4]。受腐蚀梁在钢筋屈服前，受力裂缝不明显，裂缝高度很低，一旦出现高度较高的明显的受力裂缝，这时钢筋已经屈服，构件即将破坏。有试验表明[11]，钢筋腐蚀后，当压区腐蚀纵向裂缝宽度大于2mm时，在钢筋刚刚屈服的上部混凝土会出现被压碎的现象，破坏形态处于超筋梁和适筋梁的界限破坏状态。而当受拉钢筋腐蚀量大到一定程度时，构件会由适筋梁变为少筋梁。不管是出现超筋梁的破坏还是少筋梁的破坏，结构的破坏形态都是从有预兆的塑性破坏变为无预兆的脆性破坏。 
　　随着纵筋腐蚀量的增加，钢筋混凝土梁的强度和刚度都在下降。钢筋腐蚀还增加了钢筋混凝土梁在使用荷载下的挠度和裂缝宽度。受腐蚀梁的抗弯强度下降主要有以下原因：钢筋腐蚀引起钢筋截面积减小；钢筋腐蚀引起钢筋名义屈服强度（由屈服荷载除以公称面积得到）减小；钢筋腐蚀引起钢筋和混凝土的粘结力下降，使得破坏区段内混凝土和钢筋的平均应变大于正常构件，不能充分地进行应力应变重分布，而导致钢筋与混凝土协同工作系数降低。只考虑腐蚀后钢筋截面积减小的计算弯曲强度与相应梁的试验弯曲强度差别较大，说明钢筋和混凝土的粘结强度降低是受腐蚀梁抗弯强度降低的主要影响因素。由于粘结力降低使得构件强度降低系数处于正常构件和无粘结构件之间。 字串1
　　对受腐蚀的压弯构件[11][14]，大偏压构件的横向受力裂缝到达纵向腐蚀裂缝位置后不象正常构件那样有规律地向上发展，裂缝分布很不均匀，裂缝间距大于正常构件，受力裂缝也相应增大。随着钢筋腐蚀量增加，开裂荷载与极限荷载的比值略有增加，屈服荷载与极限荷载的比值比较接近，即受拉钢筋达到屈服后受压混凝土很快达到极限压应变，构件破坏。说明受腐蚀构件的延性明显降低，脆性明显增加。小偏压受腐蚀构件的承载力和刚度均有较大的降低，在同级荷载作用下的钢筋和混凝土的应变和侧向挠度均明显大于正常构件，拉区混凝土裂缝发展不明显，脆性也明显增加。
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