基于大氣環境下銹蝕鋼筋力學性能試驗探討

【摘要】隨著現代建筑工程技術的發展，鋼筋混凝土構件成為了建筑工程中廣泛使用的結構，對于建筑工程的耐久性和使用壽命提高做出了重要貢獻。但是隨著鋼筋混凝土構件服役時間的增加，鋼筋出現銹蝕的現象也十分普遍。本文立足于鋼筋混凝土結構的銹蝕現場，對不同銹蝕程度的鋼筋進行除銹處理和力學性能試驗，根據試驗結果，得出鋼筋銹蝕的力學性能會隨著銹蝕率的增加而下降，從而為找到合理方法防控鋼筋混凝土的銹蝕，提高鋼筋混凝土結構的耐久性和可靠性奠定了堅實的基礎。

【關鍵詞】大氣環境；銹蝕鋼筋；鋼筋混凝土；力學性能試驗

鋼筋混凝土構件中鋼筋的銹蝕對于混凝土結構耐久性和可靠性具有嚴重威脅，據不完全統計，全世界每年因為鋼筋銹蝕而產生的維護和加固費用就高達1000億美元。隨著鋼筋銹蝕的不斷發展，混凝土結構的使用性能和安全性能均不斷下降。尤其是，鋼筋銹蝕后，由于鐵銹的存在，鋼筋的體積會出現膨脹現象，從而在混凝土結構內部產生內壓力，如果由于這個壓力所產生的拉應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土保護層就會出現開裂問題，對于混凝土結構的使用性能威脅極大。隨著鋼筋銹蝕的不斷發展，裂縫問題會越來越嚴重，鋼筋與混凝土之間的粘結性能和結構剛度會不斷退化，混凝土構件的承載力會不斷被削弱，對于建筑物的使用壽命構成嚴重威脅。

一、鋼筋銹蝕機理

在混凝土孔隙中普遍存在氫氧化鈣飽和溶液，pH值很高，堿度高，再加上混凝土中氧化鈉、氧化鉀的存在，實際的pH值還會有所增加。在這樣的高堿性環境下，鋼筋表面會發生氧化反應，形成一層水化氧化膜，并附著在鋼筋表面，也稱為“鈍化膜”，即使是在有水分和氧氣的環境中，鋼筋也不會被銹蝕。但是，鋼筋之所以還能夠發生銹蝕，主要是由兩個因素導致的，分別是混凝土中性化使鋼筋位置的pH值降低和游離氯離子的濃度增加并擴散到鋼筋表面，使鈍化膜失效。

在鈍化膜失效以后，混凝土中鋼筋的銹蝕是一個典型的電化學過程：陽極發生氧化反應：Fe-2e←→Fe2+；陰極發生還原反應：O2+2H20+4e←→4OH-。陰極和陽極所生成的物質發生反應，生成Fe（OH）2，如果氧氣充分，Fe（OH）2會進一步被氧化，生成Fe（OH）3，即4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3，脫水后形成紅銹（Fe2O3），如果氧氣不充分，則會生成黑銹（Fe3O4），即6Fe（OH）2+O2→2Fe3O4+6H2O[1]。在大氣環境下，鋼筋銹蝕的機理還可以用下圖1來形象表示。

二、大氣環境下銹蝕鋼筋力學性能試驗方法

1. 試驗取樣

本次試驗所選用的是某地一服役20年的休息長廊處的鋼筋混凝土構件，通過構件原位替換、現場取樣的方法，從中取出存在不同銹蝕程度的鋼筋作為試件。首先用弱酸對試件進行清洗，后用清水對其進行清洗，并用石灰水來進行中和，之后還要用清水進行洗滌，待清洗完畢后將試件做烘干處理，之后用天平進行質量測定，并測定鋼筋的長度，方可放入干燥器中備用。

2. 鋼筋銹蝕率的確定

關于鋼筋銹蝕率的測定，如果鋼筋銹蝕均勻，可以采用界面損失率和質量損失率來進行銹蝕程度的判斷；如果鋼筋銹蝕不均勻，尤其是在大氣環境條件下，鋼筋的銹蝕往往不是均勻呈現的，而是多表現為坑蝕，銹蝕的不均勻性和離散性隨著銹蝕量的增加而增加，質量損失率和截面損失率的差異也會增加。對于本次試驗，對于鋼筋銹蝕率的確定，以質量損失率為準。鋼筋質量損失率ρ的計算公式為

其中，Mo表示鋼筋初始質量，Mr表示銹蝕后質量。

3. 試驗方法

在試驗過程中，充分借助萬能試驗機的優勢，對鋼筋的主要力學性能進行測定，包括鋼筋的屈服強度、抗拉強度、伸長率等[2]。在試驗過程中，必須保證所有鋼筋試件的拉伸試驗所使用的加載速率相同，鋼筋的銹蝕率通過對比分析計算的方式獲得。

三、試驗結果分析

1. 鋼筋極限伸長率與銹蝕率的關系

通過試驗，不難看出，在鋼筋發生銹蝕后，伸長率明顯下降，如下圖2所示。在試驗過程中，伸長率均為鋼筋的極限伸長率，鋼筋發生銹蝕后，鋼筋的伸長率呈現快速下降趨勢，當銹蝕率低于4%-6%時，伸長率基本上已經超過規范最小允許值。當銹蝕率超過8%-10%時，伸長率也會低于規范最小允許值。對于I級鋼筋和 和II級鋼筋，其銹蝕率分別取下限值和上限值。當銹蝕率超過5%時，具有局部坑蝕的鋼筋，其伸長率和銹蝕率之間的關系可以表示為

2. 屈服強度與銹蝕率的關系

3. 鋼筋抗拉強度與銹蝕率的關系

詳見圖3，鋼筋銹蝕率增加，抗拉強度越來越低，但是又呈現出波動趨勢。之所以出現這樣的現象，主要還是跟鋼筋銹蝕的不均勻性有關系，由于存在坑蝕現象，應力集中，所以鋼筋的抗拉強度在波動中隨著銹蝕程度的加深而下降。根據試驗結果，抗拉強度與銹蝕率的關系可以用公式表示為

σts=k1x+k2，其中，σts為鋼筋銹蝕后的抗拉強度，x為鋼筋質量損失率，k1和k2為銹蝕影響系數，關于k1，I級鋼筋取-4.0，II級鋼筋取-5.6；關于k2，I級鋼筋取315，II級鋼筋取445。

4. 銹蝕鋼筋力學性能試驗的結論綜述

在大氣環境條件下，鋼筋混凝土結構中的鋼筋銹蝕主要以坑蝕為主，銹蝕產物也呈現出明顯的赤褐色，疏松多孔陪你過，體積膨脹率大[3]。在本次試驗過程中所用試件已出現嚴重銹蝕現象，對于混凝土間的可靠性和粘結度極為不利，嚴重影響著混凝土結構的安全度和可靠性。與此同時，由于鋼筋的不均勻銹蝕和局部坑蝕，鋼筋受力性能也受到嚴重損害，不利于建筑物的可持續發展。

其次，隨著鋼筋銹蝕程度不斷加深，銹蝕率不斷增加，鋼筋的延性會不斷下降，脆性會不斷增加。

第三，隨著鋼筋銹蝕程度的不斷加深，鋼筋的力學性能呈現出不斷下降的趨勢，在這一方面，II級鋼筋的下降趨勢明顯高于I級鋼筋。

結語：

綜上，在大氣環境下，鋼筋混凝土結構內部鋼筋的銹蝕受到多種因素的干擾，不能以一個力學性能試驗來解釋所有問題，其中，銹蝕后鋼筋粘結性能下降、鋼筋銹蝕物膨脹率的測定等問題仍然需要進一步研究。但是，隨著現階段科學技術的進步，建筑工程施工工藝的完善，鋼筋銹蝕問題應該全面重視起來，不斷提高鋼筋的抗銹蝕能力，提高鋼筋混凝土的穩定性，促進建筑工程實現可持續發展。

參考文獻：

[1]沈德建，吳勝興.大氣環境下嚴重銹蝕鋼筋混凝土梁力學性能試驗研究[J].橋梁建設，2007，（1）：28-31.

[2]李鳳蘭，侯維玲，侯朋兵，等.銹蝕鋼筋的力學性能試驗研究[J].華北水利水電學院學報，2013，34（4）：61-64.

[3]陳輝，張偉平，顧祥林，等.高應變率下銹蝕鋼筋力學性能試驗研究[J].建筑材料學報，2013，16（5）：869-875.