氯離子侵蝕下銹蝕結構性能劣化研究綜述

楊路

摘 要：氯離子侵蝕引發的鋼筋銹蝕是導致鋼筋混凝土（RC）結構抗震性能劣化的主要原因，在實際工程中最為常見。本文首先介紹了氯離子侵蝕下鋼筋銹蝕導致RC結構抗震性能劣化的機理，隨后從銹蝕鋼筋、銹蝕混凝土、銹蝕鋼筋與混凝土粘結滑移三方面綜述了國內外研究現狀，最后對當前研究進行總結，為進一步研究氯離子侵蝕下RC材料、構件及結構的力學與抗震性能奠定理論基礎。

關鍵詞：銹蝕;鋼筋混凝土;粘結滑移;抗震分析;研究進展

0 引言

服役環境和服役齡期對結構性能劣化影響顯著，近海大氣環境中的有害氯離子侵蝕是引發結構性能劣化的關鍵因素。目前國內外學者針對氯離子侵蝕引發的結構性能劣化模型進行了較為深入的研究。氯離子侵蝕對RC結構性能的影響，如圖1所示。結構性能劣化主要體現為：鋼筋有效受力截面的損失、鋼筋強度和延性的劣化、混凝土強度和延性的退化，以及鋼筋-混凝土界面粘結應力的退化。

1 鋼筋性能劣化

按照銹蝕鋼筋表面特征，可將鋼筋的腐蝕分為：均勻腐蝕與局部腐蝕。當腐蝕沿著鋼筋均勻分布時，就會發生均勻腐蝕，而局部腐蝕會使鋼筋產生局部凹坑，稱為點蝕。針對氯離子侵蝕引發鋼筋局部坑蝕導致鋼筋的力學性能退化的研究主要采用試驗方法。Du基于108根銹蝕鋼筋（通電銹蝕、自然銹蝕）拉伸試驗數據，得到了銹蝕鋼筋極限強度與屈服強度表達式。Andisheh通過對銹蝕鋼筋（通電銹蝕、機械銹坑）拉伸試驗研究，指出鋼筋銹蝕并不會引發強度的退化，認為鋼筋銹蝕直接導致有效截面積削減，進而引發承載力下降，強調相對于強度而言，銹蝕鋼筋延性的降低更應該被關注。

吳慶等通過對56根不同銹蝕程度的鋼筋（人工氣候環境模擬腐蝕、恒電流加速腐蝕）開展拉伸試驗，研究不同銹蝕方法對鋼筋各項力學性能影響。研究表明，在相同的銹蝕程度下，不同銹蝕方法得到的鋼筋特性并不一致，且隨著鋼筋銹蝕程度的增加，之間的差異更為顯著。基于試驗數據，提出了銹蝕率與鋼筋性能（極限強度、屈服強度、延性）的定量關系，得到了銹蝕鋼筋的本構模型。李風蘭等通過對54根銹蝕鋼筋（恒電流加速腐）進行拉伸試驗，結果顯示：鋼筋有效截面積損失是鋼筋力學性能退化的主要原因，鋼筋的最小剩余截面積決定了鋼筋的屈服強度和極限強度。隨著鋼筋銹蝕程度增加，鋼筋的屈服強度、極限強度以及伸長率均降低。張偉平等通過對267根銹蝕鋼筋（157根實驗室外加電流、35根大氣環境自然腐蝕、75根實際現有構件中）進行拉伸試驗，同時結合已有的鋼筋銹蝕試驗數據得到了不同腐蝕條件下的銹蝕鋼筋本構模型。

3 混凝土性能劣化

隨著鋼筋銹蝕產物堆積于鋼筋表面，鋼筋出現體積膨脹現象，造成周圍混凝土承受銹脹拉應力。當銹脹拉應力達到保護層可承受的抗拉強度時，保護層發生開裂直至脫落。裂縫的產生將加速氯離子的擴散，進而導致鋼筋銹蝕速率加快。隨著箍筋銹蝕程度的增加，核心區混凝土的約束效應逐漸降低、性能逐漸劣化。Coronelli等提出了隨服役齡期的增加混凝土強度退化公式。在該公式中，保護層開裂引起的橫向應變是導致混凝土強度退化的關鍵，主要取決于截面寬度、鋼筋數量以及平均裂縫寬度。

Vu等基于電化學方法對RC棱柱體試件進行腐蝕，對腐蝕試件開展了軸壓試驗，分析了鋼筋銹蝕程度對混凝土強度的影響規律，并提出了考慮箍筋銹蝕效應的約束混凝土本構模型。

4 鋼筋與混凝土粘結性能劣化

鋼筋-混凝土界面粘結力是鋼筋與混凝土材料協同工作的基礎，是構件具備良好抗震性能的前提。鋼筋-混凝土界面粘結力包括四部分：化學膠著力、摩阻力、混凝土與鋼筋之間的機械咬合力以及鋼筋端部的錨固力。

Fang等人對40個腐蝕率為0～9%的試件進行了拉拔試驗。結果表明，腐蝕作用對配制箍筋試件的粘結應力的退化影響較小，但對未配制箍筋試件的粘結應力影響較大。在未配置箍筋的情況下，銹蝕率為9%的試件粘結強度較未發生銹蝕試件降低了2/3。楊海峰等對23組通電加速銹蝕獲得的混凝土試件進行拉拔試驗，通過對試驗數據統計分析，總結了不同銹蝕程度下鋼筋-混凝土界面粘結應力與滑移量分布情況，得到了考慮銹蝕效應的RC構件的粘結-滑移本構關系。粘結強度是鋼筋-混凝土粘結性能中最受關注的一部分，國內外學者結合試驗研究與理論分析，提出了不同適應情況下的腐蝕粘結強度計算公式。

5 結語

隨著使用年限的增長，鋼筋混凝土（RC）結構會暴露一系列耐久性問題，鋼筋銹蝕造成的RC結構損傷最為嚴重，在工程結構中也最為常見。本文首先介紹了氯離子侵蝕下RC結構的性能劣化情況，并進而從銹蝕鋼筋、混凝土、鋼筋與混凝土間粘結性能三方面對國內外研究現狀進行綜述，可為進一步研究氯離子侵蝕下RC材料、構件及結構的力學與抗震性能奠定理論基礎。

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