寒冷地區(qū)混凝土橋梁鋼筋銹蝕預(yù)測方法

郭 騫

(遼寧大通公路工程有限公司)

1 一般大氣環(huán)境下混凝土橋梁鋼筋銹蝕損傷的機(jī)理

1.1 鋼筋銹蝕機(jī)理

混凝土具有高堿性中會生成一層致密的Fe3O4-γFe2O3膜，這層膜牢牢地吸附于鋼筋表面上，使鋼筋由活態(tài)轉(zhuǎn)化為鈍態(tài)，故被稱為鈍化膜。在一般大氣環(huán)境下，混凝土碳化會促使鈍化膜破壞。在一般大氣環(huán)境中，碳化是使鋼筋發(fā)生銹蝕的先決條件。鋼筋表面的鈍化膜一旦遭到破壞并同時滿足以下三個條件時，鋼筋就開始發(fā)生銹蝕。

(1)在鋼筋表面存在電位差，不同電位的區(qū)段之間形成陽極—陰極。

(2)陽極區(qū)段的鋼筋表面處于活化狀態(tài)，金屬被溶解，以離子形態(tài)轉(zhuǎn)入溶液。

(3)存在水分和溶解氧，在陰極發(fā)生陰極反應(yīng)。

混凝土碳化破壞了鋼筋表面的鈍化膜后，在有水和氧的條件下就會發(fā)生腐蝕電池反應(yīng)，陽極產(chǎn)生的Fe2+和陰極產(chǎn)生的OH-結(jié)合生成Fe(OH)2。Fe(OH)2與水中的氧作用生成Fe(OH)3。隨著時間的推移，部分Fe(OH)3進(jìn)一步氧化，生成mFe2O3·nH2O(即紅銹)，部分氧化不完全的變成Fe3O4(即黑銹)。

1.2 鋼筋銹蝕對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響

鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)的影響主要有三個方面。(1)使鋼筋的截面面積減小。(2)使鋼筋的力學(xué)性能發(fā)生退化。(3)可能破壞混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)性能，這些都將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)承載能力的降低。

1.2.1 銹蝕對鋼筋力學(xué)性能的影響

(1)當(dāng)鋼筋截面損失率小于1%時，鋼筋的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)基本不變。

(2)均勻銹蝕的鋼筋，當(dāng)銹蝕的程度不大時，鋼筋仍有明顯屈服點(diǎn)，隨著銹蝕量的增大，鋼筋的屈服臺階逐漸縮短，延性降低。

(3)銹蝕嚴(yán)重的鋼筋幾乎沒有明顯的屈服點(diǎn)，極限抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度非常接近。

(4)隨著銹蝕量的增大，鋼筋的極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度降低。

以上結(jié)論表明，鋼筋銹蝕后，不僅鋼筋的強(qiáng)度有所降低，其延性也下降，可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)從有預(yù)兆的塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闊o預(yù)兆的脆性破壞。

1.2.2 銹蝕對混凝土力學(xué)性能的影響

混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕后，使鋼筋外圍混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度后，在鋼筋與混凝土界面處將出現(xiàn)內(nèi)部徑向裂縫，隨著徑向裂縫向表面發(fā)展，直到混凝土保護(hù)層開裂產(chǎn)生順筋裂縫。當(dāng)裂縫達(dá)到一定寬度，混凝土開始剝落。無論是順筋開裂還是剝落，都使混凝土截面減損，影響了構(gòu)件的承載能力。

2 寒冷地區(qū)混凝土橋梁鋼筋銹蝕規(guī)律

2.1 鋼筋開始銹蝕時間的確定

鋼筋開始銹蝕的時間取決于混凝土碳化速度、周圍環(huán)境條件及混凝土自身特性。對于室內(nèi)或室外干燥環(huán)境，即使混凝土保護(hù)層完全碳化，鋼筋也不易銹蝕;當(dāng)環(huán)境潮濕或干濕交替，鋼筋銹蝕明顯加快。以遼寧地區(qū)為例，混凝土橋梁鋼筋銹蝕一般發(fā)生在邊梁的外側(cè)面上，或滲水特別嚴(yán)重的內(nèi)梁上。鑒于這樣的情況，可認(rèn)為當(dāng)邊梁的混凝土保護(hù)層完全碳化后鋼筋就開始銹蝕。

2.2 混凝土銹脹開裂時鋼筋截面銹蝕率的確定

目前，很多研究均給出了銹蝕率計(jì)算的公式。文獻(xiàn)給出確定銹蝕開裂時鋼筋銹蝕率的計(jì)算公式，即

式中:ηcr為銹蝕開裂時鋼筋的截面損失率，%;k1為鋼筋種類修正系數(shù)，對螺紋鋼筋取k1=1.23，對光圓鋼筋取k1=1.0;k2為鋼筋位置修正系數(shù)，對邊中位置取k2=1.33;c為混凝土保護(hù)層厚度，mm;R為鋼筋半徑，mm;fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa。

文獻(xiàn)認(rèn)為混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕后其鐵銹層的厚度δ為

式中:d為鋼筋初始直徑，mm;n為鋼筋銹蝕后的膨脹率，可取為3;ηs為鋼筋的重量損失率。

2.3 混凝土銹脹開裂前鋼筋銹蝕量的預(yù)測

文獻(xiàn)結(jié)合快速銹蝕試驗(yàn)和大量工程檢測結(jié)果，擬合出混凝土保護(hù)層銹脹開裂前鋼筋銹蝕深度的模型，即

式中:δe為銹脹開裂前的鋼筋銹蝕深度，mm;λe為銹脹開裂前的鋼筋銹蝕速度，mm/a;t為結(jié)構(gòu)使用年限，a;t0為鋼筋開始銹蝕時間，a;kcr為鋼筋位置修正系數(shù)，角部鋼筋kcr=1.6，中部鋼筋kcr=1.0;kce為小環(huán)境條件修正系數(shù)，潮濕室外環(huán)境kce=4.0，干燥室外環(huán)境kce=3.0;T為環(huán)境溫度，℃;RH為環(huán)境濕度，%;c為混凝土保護(hù)層厚度，mm;fcu為混凝土立方體強(qiáng)度，MPa。

以遼寧地區(qū)環(huán)境為例，T=5～10℃，RH=60% ～65%，屬于比較干燥的地區(qū)，所以式(2-4)可以進(jìn)一步簡化為

若假設(shè)鋼筋銹蝕前的直徑為d，銹蝕后的剩余直徑為d*，則保護(hù)層銹脹開裂前銹蝕鋼筋截面損失率為

若令ηcr=η，可求出混凝土保護(hù)層銹脹開裂的時間

2.4 混凝土銹脹開裂后鋼筋銹蝕量的預(yù)測

在結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)中，可直接對試件進(jìn)行破型，測量鋼筋的銹蝕深度，計(jì)算截面損失率。但在檢測中，不可能進(jìn)行破壞取樣進(jìn)行銹蝕評估。而順筋裂縫的寬度在實(shí)際工程中能夠比較容易地獲得，因此，如何通過耐久性宏觀調(diào)查結(jié)果進(jìn)行鋼筋銹蝕量估計(jì)，是對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性分析與可靠性評價的關(guān)鍵問題。

文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果表明:混凝土保護(hù)層開裂后，其銹蝕程度主要取決于順筋裂縫寬度和鋼筋直徑。位于角部的螺紋鋼筋的預(yù)測公式為

式中:ηs為鋼筋銹蝕重量損失率，%;c為保護(hù)層厚度，mm;d為鋼筋直徑，mm;fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa;w為順筋裂縫寬度，mm。

由文獻(xiàn)，銹蝕鋼筋截面損失率η與重量損失率ηs之間的關(guān)系為

大量試驗(yàn)和實(shí)際工程調(diào)查結(jié)果表明，混凝土保護(hù)層銹脹開裂后，鋼筋銹蝕速度明顯加快。根據(jù)文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)，根據(jù)保護(hù)層厚度與鋼筋直徑之比c/d分析了鋼筋開裂前后銹蝕速度影響，其結(jié)果如表1及圖1所示。

表1 c/d對鋼筋開裂后與開裂前銹蝕速度之比的影響

圖1 c/d對鋼筋開裂后與開裂前銹蝕速度之比的影響

因此，在預(yù)測銹蝕開裂后鋼筋的銹蝕速度時，可在式(5)的基礎(chǔ)上引入影響系數(shù)α

式中:λ裂后為保護(hù)層銹脹開裂后鋼筋的銹蝕速度，mm/a;λe為保護(hù)層銹脹開裂前鋼筋的銹蝕速度，mm/a;α為保護(hù)層銹脹開裂前后c/d對鋼筋銹蝕速度的影響系數(shù)

所以，混凝土銹脹開裂后總的銹蝕率為

4 工程實(shí)例

為了驗(yàn)證以上各式，根據(jù)橋梁實(shí)測數(shù)據(jù)，找出產(chǎn)生順筋裂縫的7根梁，主筋為角部螺紋鋼筋，其基本數(shù)據(jù)見表2所示。由上述各式(1)～ (12)計(jì)算了 ηcr、t0、tcr、λe和 α 等值，結(jié)果列入表3。

表2 橋梁實(shí)測基本數(shù)

表3 鋼筋銹蝕計(jì)算結(jié)果

由表3計(jì)算可知，η測/η計(jì)的平均值為1.099。說明本方法基本預(yù)測鋼筋銹蝕率與實(shí)際銹蝕率誤差不超過10%。計(jì)算結(jié)果對掌握混凝土橋梁銹蝕規(guī)律，初步判斷鋼筋銹蝕趨勢有直接的指導(dǎo)作用。

5 結(jié)束語

在現(xiàn)有混凝土銹蝕規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了適合寒冷地區(qū)的混凝土橋梁銹蝕規(guī)律計(jì)算方法。通過既有橋梁檢測和試驗(yàn)得到了驗(yàn)證，證明該方法準(zhǔn)確、簡單、可靠，具有很好的應(yīng)用前景。

［1］黃士元，楊全兵.我國寒冷地區(qū)混凝土路橋結(jié)構(gòu)的耐久性問題［C］.土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性(論文集).北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［3］張平生，盧梅，李曉燕.銹損鋼筋的力學(xué)性能［J］.工業(yè)建筑，1995，(9):41-44.

［4］惠云玲，林志伸，李榮.銹蝕鋼筋性能試驗(yàn)研究分析［J］.工業(yè)建筑，1997，(6):10-13.