鋼筋銹蝕對橋梁樁基礎混凝土性能的影響研究

姚劍虹

（甘肅恒石公路檢測科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 試驗基本原理

1.1 鋼筋銹蝕對混凝土結構性能的影響機理

鋼筋發生銹蝕后, 導致鋼筋混凝土構件性能下降的原因主要有以下兩方面[1]：a.銹蝕對鋼筋屈服強度的影響。鋼筋銹蝕從點蝕開始，后期逐漸演變成坑蝕，然后逐步蔓延開來，最終將形成全面銹蝕。銹蝕后，鋼筋體積會膨脹，混凝土內部將逐漸沿著主筋，逐漸形成裂縫，一旦形成裂縫，將造成鋼筋銹蝕進一步加快，情況嚴重時，甚至會造成保護層剝落，最終導致構件有效橫截面面積不足，承載力降低。b.銹蝕對粘結性能的影響。粘結性能主要表現為鋼筋與混凝土之間的化學膠著力、相互間的摩擦力以及機械咬合力三大部分。良好的粘結性能是這兩種不同材料能否很好地共同作用的基本前提。發生銹蝕后，在鋼筋表面將形成一層鐵銹層，其存在使得鋼筋混凝土結構內部的粘結性能大幅降低。并且鋼筋發生銹蝕后體積會膨脹，鐵銹的體積約為鋼筋的2～4 倍[2]，并且它與混凝土相互作用，從而導致粘結性能降低，并最終造成構件承載力減小。

1.2 鋼筋電化學快速銹蝕試驗原理

鋼筋電化學快速銹蝕方法是通過對鋼筋施加外加電流，達到鋼筋在短期內快速銹蝕的目的的一種方法。在一定試驗條件下，電化學快速銹蝕方法與自然銹蝕原理基本相同，都是一種較長的電化學反應，因此可以用表達電化學反應規律的法拉第定律[3]來進行定量描述。法拉第定律認為，電極上發生化學變化的物質的量與通過該電極的電量成正比。經過推導，則可得出電流密度、銹蝕時間、鋼筋直徑和銹蝕率之間的關系，如下式所示。

2 試驗設計

綜合考慮各方面的因素，通過配制一定數量的鋼筋混凝土試塊，對試塊進行快速銹蝕試驗，對銹蝕后的試塊進行屈服強度和粘結強度的實驗，然后對其銹蝕后的退化規律進行分析處理，使得試驗所得到結果能夠近似反映襯砌結構性能退化的基本規律。

2.1 試驗模型。制作2 組尺寸為150mm×150mm×300mm的立方體試件，保護層厚度分別為2cm、5cm。如圖1 所示。

圖1 試驗構件示意圖

2.2 試驗材料。試驗用的NaCl 溶液由工業用氯鹽鄂精鹽和自來水配制而成；采用P Ⅱ42.5 號普通硅酸鹽水泥，粗集料最大公稱直徑16mm，按C30 標號配置混凝土。配合比為水泥：砂：石：水=1：1.75：2.98：0.55；受拉主筋采用Φ10 鋼筋。拆模后標養28d。

2.3 試驗設備及儀器。采用直流穩壓電壓，規格為0～30V, 0～3A,負極采用3mm 后不銹鋼板,絕緣水箱采用塑料水箱。用萬能試驗機來測定鋼筋屈服強度,拉拔儀測定鋼筋與混凝土的粘結強度。

3 銹蝕試驗研究

試件編號與分組。根據試驗方案，試塊的通電銹蝕時間分別為2d，4d，6d，8d，根據鋼筋的混凝土保護層厚度的不同，將試塊分為2 組，一組保護層厚度為20mm，另一組保護層厚度為50mm。試驗試件分組如表1 所示。

表1 試驗銹蝕試件分組

4 試驗成果

4.1 試驗結果

從整體來看,銹蝕部位主要集中在沿縱筋分布的范圍[4]。隨著快速銹蝕試驗通電時間的增長,試塊的銹蝕狀況隨之加劇,主要表現為局部混凝土保護層剝落和沿縱向鋼筋產生銹脹裂縫,局部區域已損壞很嚴重。主要原因為隨著通電時間的加長,鋼筋的銹蝕程度加深,銹蝕產物累積,而且銹蝕后的鋼筋會產生體積膨脹,鐵銹的體積是相應鋼筋體積的2～4 倍,并且它與混凝土相互作用,產生鋼筋銹脹力,最終導致沿鋼筋布置位置出現混凝土脹裂,而裂縫的開展又加大了鋼筋銹蝕的速度,如此形成惡性循環,最終導致試塊損壞。在相同的銹蝕時間下,不同的混凝土保護層厚度的試塊銹蝕狀況不同,保護層厚度大,銹蝕狀況較輕微。這是因為混凝土保護層能有效減緩混凝土中鋼筋的銹蝕,延長鋼筋開始銹蝕的時間,從而使得鋼筋銹蝕的速率減慢[5]。

通過測試，得到保護層厚度為20mm 和50mm 的試塊，在不同銹蝕時間、不同銹蝕電流下每根鋼筋的銹蝕率如表2 和表3 所示，實測鋼筋銹蝕率變化曲線如圖2 和圖3 所示。

表2 不同銹蝕條件下的鋼筋銹蝕率（c=20mm）

表3 不同銹蝕條件下的鋼筋銹蝕率(c=50mm)

圖2 不同銹蝕時間下銹蝕率曲線（c=20mm）

圖3 不同銹蝕時間下銹蝕率曲線（c=50mm）

結果表明，隨著通電電流的增大和銹蝕時間的增長,鋼筋的銹蝕率逐漸增大,而且保護層厚度小的鋼筋的銹蝕率高于保護層厚度大的鋼筋,說明混凝土保護層厚度有效地減緩了混凝土中的鋼筋銹蝕。在銹蝕后期,由于試塊裂縫的增長使得后期鋼筋銹蝕的速度增長。

4.2 鋼筋銹蝕對橋梁樁基礎性能的影響

4.2.1 鋼筋屈服強度變化規律。通過鋼筋加速銹蝕試驗,對不同銹蝕程度的鋼筋進行拉拔試驗,分別測得各鋼筋的屈服強度如表4 和表5 所示。

表4 不同銹蝕率下的鋼筋屈服強度（c=20mm）

表5 不同銹蝕率下的鋼筋屈服強度（c=50mm）

從表中我們可以看到,在鋼筋銹蝕初期,而且通電電流較小的情況下,鋼筋的屈服強度幾乎沒有變化,而在銹蝕后期,通電電流比較大的情況下,屈服強度降低了很多,嚴重的甚至在混凝土內部就被銹斷。這是因為在鋼筋的銹蝕率比較小的情況下,幾乎沒有坑蝕現象,也不會有應力集中發生,而到了后期,銹蝕率明顯增大,坑蝕現象比較嚴重,在截面薄弱部位很容易因應力集中而導致鋼筋提前屈服。

各鋼筋屈服強度變化曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 不同銹蝕率下的鋼筋屈服強度變化曲線（c=20mm）

圖5 不同銹蝕率下的鋼筋屈服強度變化曲線（c=50mm）

從圖可以看出，鋼筋的屈服強度整體呈現下降趨勢，圖4下降幅度比圖5 的下降幅度要大，這是因為混凝土保護層厚度較厚的試塊有效地減緩了鋼筋的銹蝕，從而使鋼筋的屈服強度退化的較慢。對同一保護層厚度，相同銹蝕時間的試塊來說，通電電流越大，鋼筋的銹蝕速率就越快，從而導致鋼筋坑蝕嚴重，屈服強度下降。

4.2.2 鋼筋銹蝕對混凝土構件性能的影響。鋼筋截面積的減少或鋼筋屈服強度的降低，直接導致混凝土構件的性能退化?，F選取混凝土保護層厚度為20mm，通電電流為0.40A的試塊，研究其性能的退化規律。鋼筋銹蝕后鋼本身材料的性質不會發生改變，而之所以導致屈服強度的降低，是因為鋼筋銹蝕使得鋼筋實際的有效截面積發生減小，然而鋼筋屈服應力的測定仍然采用未銹蝕時的截面積，所以計算出來的屈服應力會變小。通過試驗，得到在不同銹蝕率下屈服強度的變化曲線如圖6 所示。

圖6 不同銹蝕率下的鋼筋屈服強度變化曲線

5 結論

通過室內電化學快速銹蝕試驗,對不同銹蝕條件下,鋼筋的銹蝕率隨時間和電流的變化規律、不同保護層厚度對鋼筋快速銹蝕時銹蝕率影響的大致規律研究。從結果來看,鋼筋保護層的存在會對鋼筋的銹蝕起到減緩作用,并且隨著保護層厚度的增大,這種減緩作用將愈加明顯。綜合考慮鋼筋材料性能的退化和鋼筋與混凝土之間粘結強度的退化對構件性能的影響,對銹蝕后的試塊進行屈服強度和粘結強度的試驗,然后對其銹蝕后的退化規律進行分析處理,從而使得試驗所得結果能夠近似反映襯砌結構性能退化的基本規律。