鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕損傷綜述

張鑫

【摘? 要】鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全性的重要因素。論文分析混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕機理，總結(jié)了鋼筋銹蝕對混凝土梁力學(xué)性能以及承載力的影響，論述了箍筋銹蝕對混凝土梁的影響。

【Abstract】Rebar corrosion is an important factor affecting the safety of reinforced concrete structures. This paper analyzes the mechanism of rebar corrosion in concrete structures， summarizes the effect of rebar corrosion on the mechanical properties and bearing capacity of concrete beams and discusses the effect of stirrup corrosion on concrete beams.

【關(guān)鍵詞】鋼筋銹蝕;鋼筋混凝土;力學(xué)性能

【Keywords】rebar corrosion; reinforced concrete; mechanical properties

【中圖分類號】TU375? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）10-0158-02

1 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一直以來公認具有良好的耐久性，在實踐中得到廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計者往往側(cè)重于提高建筑物的強度，忽略對結(jié)構(gòu)耐久性的考慮。隨著混凝土結(jié)構(gòu)投入使用年限的增加，在實際工程中，特別是海洋工程中鋼筋銹蝕極為嚴重，對結(jié)構(gòu)的安全性造成很大的影響[1]。Metha教授在混凝土耐久性會議上指出：鋼筋銹蝕是影響混凝土構(gòu)件安全性的首要因素[2]。從此，國內(nèi)外學(xué)者開始重視鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的問題。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中若鋼筋發(fā)生銹蝕，不僅自身力學(xué)性能會降低，而且對于建筑物整體的耐久性和安全性也會有很大的影響。總之，鋼筋銹蝕一方面會在很大程度上降低結(jié)構(gòu)的安全性，另一方面銹蝕鋼筋混凝土梁破壞機理會發(fā)生改變。我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模龐大，年代久遠的建筑、橋梁保有量十分大，因此，研究鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕損傷對結(jié)構(gòu)安全性的影響具有十分重要的意義。

2 研究現(xiàn)狀

鋼筋銹蝕對建筑物安全性的影響主要有兩點：第一，鋼筋銹蝕后其橫截面較小，鋼筋的強度會有不同程度的降低;第二，鋼筋銹蝕是電化學(xué)反應(yīng)，過程中會生成銹狀物，銹狀物體積膨脹會引發(fā)保護層剝落，使混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)受損。兩者結(jié)果導(dǎo)致構(gòu)件承載力下降、耐久壽命降低[3]。學(xué)者王羊洋研究氯離子對混凝土中鋼筋銹蝕行為的影響得出，混凝土中氯離子越多，鋼筋銹蝕越嚴重。學(xué)者吳桐采用試驗方法研究得出，銹蝕裂縫首先沿箍筋方向產(chǎn)生，銹蝕嚴重時，導(dǎo)致鋼筋混凝土梁剛度下降，在銹蝕率較高時剛度下降尤其明顯。

3 銹蝕機理

一般情況下，鋼筋銹蝕幾率很小，目前的鋼筋銹蝕大部分是電化學(xué)反應(yīng)引起的，需要鋼表面充分接觸水和空氣。普通混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋表面會形成一層致密的鈍化膜，對鋼筋有保護作用，可以抑制鋼筋銹蝕。

混凝土碳化時，鋼筋表面的鈍化膜會被破壞，空氣中的水和氧氣和鋼筋接觸，從而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，陽極產(chǎn)生的電子以鋼筋為導(dǎo)體傳到陰極，同時陽極產(chǎn)生的Fe2+通過電解質(zhì)向周圍擴散與陰極附近的OH-發(fā)生反應(yīng)，OH-與Fe2+可生成Fe（OH）2。當氧氣充足時，F(xiàn)e（OH）2可被氧化成Fe（OH）3，F(xiàn)e（OH）3可進一步脫水成為Fe2O3，這就是紅銹，表面上看去稀松多孔;如果鋼筋周圍氧氣不足，會使得Fe（OH）2得不到充分的氧化，進而形成Fe3O4，這就是黑銹。鋼筋銹蝕會產(chǎn)生一條沿著鋼筋方向的裂縫，銹蝕嚴重時裂縫會發(fā)展為貫穿裂縫致使保護層破壞，如圖1所示銹蝕過程中混凝土表面產(chǎn)生的紅銹，貫穿裂縫較為明顯。

4 銹蝕對鋼筋力學(xué)性能的影響

鋼筋銹蝕后其屈服強度、極限強度、伸長率3種性能均下降，不同銹蝕率對鋼筋力學(xué)性能影響不同，輕微銹蝕對鋼筋的力學(xué)性能影響很小，銹蝕率較大時鋼筋的名義屈服強度、名義極限強度和伸長率都有所下降。銹蝕對鋼筋力學(xué)性能影響與鋼筋類型、品牌、銹蝕環(huán)境有著復(fù)雜的關(guān)系。研究表明，光圓鋼筋要比帶肋鋼筋抗銹蝕能力好，在同等環(huán)境下，直徑粗的鋼筋由于側(cè)表面積大，鋼筋較容易發(fā)生銹蝕。

本文研究了眾多學(xué)者的試驗數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上歸納整理出了銹蝕率與銹蝕鋼筋力學(xué)性能的曲線圖，如圖2所示。從圖中可以看出，銹蝕率較小時，鋼筋的屈服強度、極限強度、伸長率3種性能呈線性下降，實驗室數(shù)據(jù)規(guī)律性較強。鋼筋銹蝕率在5%以內(nèi)時，銹蝕鋼筋力學(xué)性能下降較為低。銹蝕率在15%以內(nèi)時，銹蝕鋼筋的屈服強度與銹蝕率依然成線性關(guān)系，但銹蝕鋼筋的銹蝕率與極限強度、伸長率兩種性能的關(guān)系比較離散，特別是銹蝕率大于10%的情況下。當鋼筋銹蝕率大于15%時，銹蝕鋼筋的屈服強度、極限強度、伸長率3種性能均大幅下降，且數(shù)據(jù)波動區(qū)間十分大。研究表明，混凝土中鋼筋銹蝕具有不均勻性，這種不均勻性隨著銹蝕率增加而顯著增加。在銹蝕十分嚴重時，鋼筋表面容易形成坑銹，致使此部分橫截面積減小，形成應(yīng)力集中從而力學(xué)性能下降明顯。學(xué)者孫曉燕研究得出：均勻銹蝕和坑銹的分界銹蝕率為5%[4]。

5 銹蝕對混凝土梁承載力的影響

銹蝕鋼筋混凝土梁承載力下降的主要原因是鋼筋力學(xué)性能、鋼筋混凝土兩者粘結(jié)力下降[5]。在銹蝕鋼筋混凝土梁中，鋼筋與混凝土梁之間形成的銹狀物，不同程度降低了鋼筋與混凝土原有的粘結(jié)強度，而增大了兩者之間的滑移。學(xué)者楊曉明，通過對剪跨比分別為1和1.5的兩組銹蝕鋼筋混凝土梁進行加載試驗，研究結(jié)果表明剪跨比大的混凝土梁承載力下降幅度大，剪跨比小的混凝土梁承載力下降較小。

本文研究了眾多學(xué)者的試驗數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上歸納整理出了銹蝕率與混凝土梁承載力關(guān)系，如圖3 所示。從圖中可以看出，隨著鋼筋銹蝕率的增大，混凝土梁承載力、屈服荷載均下降，實驗室研究數(shù)據(jù)規(guī)律較強。隨著銹蝕率增大，梁的屈服荷載、承載力線性下降。在實際工程中隨著銹蝕率增大，混凝土梁的承載力變化較為不規(guī)律，但當銹蝕率較大時，混凝土梁承載力大幅下降。實驗室一般采用電化學(xué)銹蝕方法，其鋼筋銹蝕較為均勻，而實際工程中銹蝕較為復(fù)雜故而承載力下降不規(guī)律。

6 箍筋銹蝕對混凝土梁的影響

目前學(xué)者對鋼筋混凝土銹蝕的研究主要是在實驗室進行，通過電化學(xué)銹蝕法得到所需主筋銹蝕率的構(gòu)件，對箍筋銹蝕研究較少。箍筋銹蝕后與混凝土粘結(jié)力下降，混凝土梁的抗剪性能下降，再者，銹蝕后的箍筋對主筋的約束力降低，混凝土梁整體性下降。

完好的箍筋有助于鋼筋和混凝土的協(xié)同工作，由于箍筋和縱筋的構(gòu)造特征，縱筋為帶肋鋼筋，而箍筋直徑較小，箍筋卡在縱筋肋間距中從而減小縱筋滑移。另一方面箍筋可限制梁斜裂縫發(fā)展。但由于箍筋相對于縱筋直徑較小，銹蝕對箍筋影響更為嚴重，箍筋銹蝕嚴重時銹蝕鋼筋混凝土梁的受力情況更復(fù)雜。

研究表明，混凝土梁中輕微銹蝕的箍筋對構(gòu)件整體力學(xué)性能影響較小。箍筋銹蝕混凝土梁在實驗室進行加載試驗時，其彎剪段斜裂縫寬度相比箍筋未銹蝕的混凝土梁更寬，混凝土梁的破壞形態(tài)變?yōu)榇嘈云茐模炷亮旱臉O限承載力下降。

7 結(jié)語

目前學(xué)者對銹蝕鋼筋混凝土的研究，大部分采用電化學(xué)銹蝕法，此方法與實際工程中存在差異，對于實際工程中的銹蝕研究有待進一步。近年來，隨著混凝土損傷修復(fù)以及加固技術(shù)不斷成熟，特別是采用碳纖維布加固受損構(gòu)件在實際工程中應(yīng)用廣泛，相信隨著新材料、新工藝的問世，越來越多已銹蝕的結(jié)構(gòu)會得到加固，安全性會提高，使用壽命會得到延長。

【參考文獻】

【1】林志伸，惠云玲.我國工業(yè)廠房混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的宏觀調(diào)研[J].工業(yè)建筑，1997，26（06）：1-5.

【2】P.K.Mehta.Concrete durability-fifty years progress[J].Proc. of 2nd inter. Conf. On. Concrete Durability，ACI SP 126-1，1991：1-31.

【3】CH.Alk.Apostolopoulos，M.P.Papadopoulos，Sp.G.Pantelakis.Tensile behavior of conoded reinforcing steel bars BSt 500sPl[J].Construction and Bufldmg Materials，2006（20）：782-789.

【4】孫曉燕，朱建科，王海龍，等.考慮局部銹蝕特征的鋼筋性能退化試驗研究[J].建筑材料學(xué)報，2004，17（10）：804-810.

【5】孫濱雁.基于PPP-BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)的混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕損傷的試驗研究[D].南京：江蘇大學(xué)，2013.