近海大氣環境下RC結構鋼筋銹蝕程度預測

鄭山鎖 梁澤田 楊松 明銘 韓超偉

摘要：鋼筋銹蝕是影響近海大氣環境下RC結構使用壽命的重要因素之一。為研究近海大氣環境下混凝土碳化與氯離子侵蝕雙重作用對鋼筋銹蝕的影響，對沿海地區不同齡期鋼筋混凝土結構進行了工程實測，包括混凝土抗壓強度、碳化深度、鋼筋表面氯離子濃度及銹蝕深度。基于實測結果，擬合得到了混凝土碳化深度與抗壓強度間的關系模型，建立了同時考慮混凝土碳化深度與鋼筋表面氯離子濃度的鋼筋銹蝕深度預測模型。在此基礎上，利用Abaqus分析軟件對不同齡期、軸壓比的RC框架柱進行了損傷塑性分析，得到了銹蝕RC框架柱抗震性能隨服役齡期與軸壓比的變化規律。

關鍵詞：RC結構；鋼筋銹蝕模型；損傷塑性分析；混凝土碳化；氯離子腐蝕

中圖分類號：TU375；TU503??????? 文獻標志碼：A????? 文章編號：1000-582X（2024）02-022-10

Corrosion prediction of reinforced concrete structure in marine atmospheres

ZHENG Shansuoa，b， LIANG Zetiana，b， YANG Songa，b， MING Minga，b， HAN Chaoweia，b

（a. School of Civil Engineering， Xian University of Architecture & Technology; b. Key Laboratory of Structural Engineering and Earthquake Resistance， Ministry of Education， Xian University of Architecture & Technology， Xian 710055， P. R. China）

Abstract： Reinforcement corrosion is an important factor influencing the service life of reinforced concrete structures in offshore atmospheric environment. To study the effects of concrete carbonation and chloride corrosion on reinforcement corrosion in offshore atmospheres， an engineering measurement of reinforced concrete structures with varying ages was conducted. This assessment included measurements of compressive strength， carbonation depth of concrete， surface chloride concentration， and corrosion depth of steel. Utilizing the obtained measurements and prior research findings， a relationship model between concrete carbonation depth and compressive strength was developed. Additionally， a prediction model for reinforcement corrosion depth was established， taking into account both concrete carbonation depth and the surface chloride concentration of reinforcement. Building upon these models， a damage plastic analysis of reinforced concrete frame columns with different ages and axial compression ratios was performed using Abaqus analysis software， revealing the seismic performance variation of corroded reinforced concrete frame columns concerning service age and axial compression ratio.

Keywords： reinforced concrete structure; reinforcement corrosion model; damage plastic analysis; concrete carbonation; chloride corrosion

鋼筋混凝土（reinforce concrete，RC）結構在設計使用年限內應具有足夠的耐久性，能抵抗外界環境或自身缺陷所產生的侵蝕破壞能力。牛荻濤等[1]研究表明，大多數RC結構未達到設計使用年限，因其內部鋼筋發生銹蝕，結構抗力與耐久性退化，無法正常使用。對于近海大氣環境下RC結構，由于長期受碳化與氯離子侵蝕雙重作用，導致內部鋼筋銹蝕進一步加劇，結構服役壽命相應縮短[2]。因此，近海大氣環境下RC結構鋼筋銹蝕程度研究應受到重視。

針對混凝土碳化反應對氯離子侵蝕效應的影響，國內外學者開展了廣泛研究。Tumidajski等[3]與Chindaprasirt等[4]通過在腐蝕溶液中加入二氧化碳氣體的方式，模擬碳化反應與氯離子侵蝕雙重作用，分析了碳化反應對氯離子擴散速率的影響。Matsumura等[5]將碳化后的混凝土試件進行氯鹽溶液噴淋試驗，發現碳化反應對氯離子擴散系數的影響與溫度有關。牛荻濤等[1]采用鹽溶液浸泡與快速碳化交替方式，研究了碳化作用對氯離子侵蝕效應的影響，認為碳化作用一方面改變了混凝土微觀結構，加速氯離子的擴散進程，同時部分結合氯離子轉化為自由氯離子，增加了混凝土內部氯離子濃度。但針對碳化與氯離子侵蝕雙重作用下，RC結構內部鋼筋銹蝕規律研究，目前尚未見報道。

鑒于此，筆者基于近海大氣環境下RC結構工程實測結果，建立了考慮混凝土碳化與氯離子侵蝕雙重作用下鋼筋銹蝕程度預測模型，分析了銹蝕RC框架柱抗震性能隨服役齡期的退化規律，以期為沿海地區RC結構耐久性研究提供科學依據。

1 近海大氣環境下鋼筋銹蝕機理

近海大氣環境下，環境中氯離子在濃度梯度差的作用下逐漸擴散到混凝土內部。一部分由于化學結合與物理吸附作用，轉化為結合氯離子[6]；另外一部分游離于混凝土孔隙溶液中，逐漸向內滲透并聚集于鋼筋表面，當鋼筋表面氯離子濃度達到一定閾值，鋼筋表面鈍化膜將在氧氣、水分與氯離子的共同作用下受到破壞，鋼筋開始發生銹蝕[7]。

混凝土碳化反應是一個復雜的多相理化過程，大致可概括為[8]：1）由于水泥水化反應，混凝土內部產生孔隙；2）大氣中CO2通過孔隙向混凝土內部擴散并溶解于孔隙溶液；3）溶解CO2的孔隙溶液與水泥水化作用產物Ca（OH）2、CaSiO3等發生碳化反應，生成CaCO3等產物，混凝土碳化產物改變了混凝土微觀結構，同時降低了混凝土pH值，破壞了鋼筋表面鈍化膜。

研究表明，服役于近海大氣環境下的RC結構，長期經受碳化與氯離子侵蝕的復合作用，混凝土內部鋼筋銹蝕速率明顯加快[9]。一方面，碳化反應將混凝土內部單氯鋁酸鈣（化學結合氯離子產物）轉化為自由氯離子，進而提高混凝土內部自由氯離子濃度；另一方面，碳化反應產生碳酸鈣使混凝土體積增大，混凝土中的各孔隙被碳化產物堵塞，引起混凝土內部孔隙重分布，增大了有效孔徑，增加了氯離子的擴散速率。

2 混凝土碳化深度對氯離子擴散影響

文中對服役于近海大氣環境下的泉州與青島地區共54例RC結構進行了工程實測，所測結構服役齡期范圍為10～51 a，實測內容包括：混凝土碳化深度、碳化深度處pH值、氯離子濃度（%）、混凝土裂縫寬度與鋼筋銹蝕深度等參數，部分實測結果如表1所示。建立了混凝土抗壓強度退化模型、混凝土碳化深度模型與鋼筋銹蝕深度模型。

2.1 混凝土抗壓強度退化模型

為研究混凝土抗壓強度與服役齡期間的量化關系，對實測混凝土抗壓強度結果進行歸一化處理，將每棟結構混凝土抗壓強度實測值與其初始抗壓強度比值作為研究參數，以下稱為混凝土相對抗壓強度，可利用式（1）計算：

ξ（t）=f_（cu，e）^c （t）/f_cu ，? （1）

式中：ξ（t）為混凝土相對抗壓強度；f_（cu，e）^c （t）為混凝土抗壓強度實測值；f_cu^ 為混凝土初始抗壓強度，按以下方法取值：1）對于有詳細竣工資料的建筑，初始抗壓強度取竣工時預留混凝土試塊抗壓強度平均值；2）對于詳細竣工資料丟失建筑，根據設計資料中混凝土抗壓強度設計值及標準值，參考《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）[10]有關規定，計算測區混凝土28 d抗壓強度作為初始抗壓強度。

圖1為混凝土相對抗壓強度ξ（t）隨結構服役齡期變化的散點圖及擬合曲線。可以看出，混凝土抗壓強度在一定服役齡期內呈增長趨勢，而達到某階段服役齡期后，隨著服役齡期的增加而不斷降低。結合研究成果，選取二次多項式模型對混凝土抗壓強度隨服役齡期的變化關系進行擬合，擬合結果如式（2）所示。擬合函數相關系數p=0.606，在95%置信區間的統計量F大于臨界值，表明該模型具有較高的可信度。

ξ（t）=-4.104×〖10〗^（-4） t^2+1.981×〖10〗^（-2） t+0.885 ，????? （2）

式中：t為服役齡期，其余符號同前。

2.2 混凝土碳化深度模型

混凝土碳化深度受多種因素影響，學者們建立了多種混凝土碳化深度模型[11?13]。文中采用牛荻濤[8]提出的碳化深度模型，該模型考慮了碳化位置混凝土養護澆筑面、工作應力、環境因子、CO2與混凝土質量等影響因素，碳化深度與混凝土抗壓強度間關系為

X（t）=K_mc k_j k_（co_2 ） k_p k_s K_e K_f √t 。 （3）

式中：kj為角部修正系數，角部取kj=1.4，非角部取kj=1.0；k_（co_2 ） 為CO2濃度影響系數，對民用建筑室內環境，根據人群的密集程度取1.0～2.5；kp為澆筑面修正系數，主要考慮混凝土在施工過程中振搗、養護及拆模時間對碳化速度的影響，建議取kp=1.2；ks為工作應力影響系數，混凝土受壓時，取ks=1.0，受拉時，取ks=1.1；Ke為環境因子影響變量，主要考慮環境溫度與濕度對碳化的影響；Kf為混凝土質量影響系數；Kmc為計算模式不定性隨機變量。

按照《建筑結構檢測技術標準》（GB/T 50344—2004）[14]要求，采用酚酞溶液滴定法測量測區混凝土深度，并利用混凝土抗壓強度實測結果作為預測碳化深度的參數，對不同強度混凝土碳化深度進行統計分析，圖2給出了碳化系數與混凝土抗壓實測強度間的散點圖及關系曲線。可以看出，混凝土碳化系數隨混凝土抗壓強度增大而減小。結合研究成果[8]，分別采用以下3種模型對二者間關系進行擬合。擬合結果見式（4）～式（6），其相關系數依次為0.645、0.668和0.658，故文中選用式（5）表示混凝土抗壓強度與碳化系數間相關關系。

k_c=30.45*〖f_（cu，e）〗^（-0.8），ρ=0.645 ， （4）

k_c=18.596/√（f_（cu，e） ）-1.39，ρ=0.668 ，?? （5）

k_c=45.272/f_（cu，e） +0.502，ρ=0.658 ，??? （6）

式中：fcu，e為混凝土抗壓強度推定值，由2.1節方法計算；kc為碳化系數。

考慮到式（3）中碳化位置、混凝土養護澆筑面、工作應力修正、環境因子變量等因素影響，引入碳化深度修正系數R對碳化系數進行綜合修正，經修正的碳化深度預測模型為

x=R（18.596/√（f_（cu，e） ）-1.39）√t ，? （7）

式中：x為碳化深度；R為碳化深度修正系數，取0.8～1.2之間。

2.3 鋼筋銹蝕深度模型

2.3.1 鋼筋表面氯離子濃度

按照《建筑結構檢測技術標準》（GB/T 50344—2004）[14]要求，利用硝酸銀滴定法測定混凝土芯樣中氯離子含量，繼而得到鋼筋表面氯離子濃度Cc（氯離子含量與混凝土質量的比值）。具體操作方法：利用切割機將混凝土芯樣沿鋼筋外表面切開，在不含鋼筋部分的平行切割面切取10 mm薄片，繼而將薄片磨碎測定其中氯離子含量。

鋼筋表面氯離子濃度Cc隨結構齡期變化規律如圖3所示。可以看出，鋼筋表面氯離子濃度隨結構齡期增加而增大，但其增加速率隨齡期增加而逐漸變緩。因為隨著結構服役齡期的增加，混凝土不斷發生水化反應，其內部密實度逐漸增加；此外，混凝土內部氯離子濃度逐漸增加，混凝土表面與內部的氯離子濃度差、電位差逐漸減小，氯離子擴散速率隨著結構服役齡期增加而不斷減小。為建立鋼筋表面氯離子濃度與結構服役齡期間的量化關系，選用二次多項式模型對其進行擬合，擬合結果如式（8）所示，擬合函數相關系數為0.820，表明該模型具有較高的可信度。

C_C=-1.358×〖10〗^（-4） t^2+1.536×〖10〗^（-2） t-0.166，? （8）

式中：t為結構齡期；Cc為氯離子濃度。

2.3.2 鋼筋銹蝕深度隨結構齡期的變化

鋼筋銹蝕后，銹蝕產物體積膨脹會造成保護層混凝土徑向受拉。隨著鋼筋銹蝕發生到一定程度，混凝土保護層開始出現裂縫，開裂寬度與鋼筋銹蝕深度存在一定的相關關系。國內外學者對此進行了大量研究，證明了通過銹脹裂縫寬度可合理地表征對應位置處鋼筋銹蝕深度[15?18]。課題組基于大量試驗數據并結合已有研究成果，得到順筋裂縫與鋼筋銹蝕深度的關系模型[19]，如式（9）所示：

δ=1/2 {d-√（[d-2（0.052 3 c/d-0.0352） ]^2-36.397ω）} ，?? （9）

式中：δ為鋼筋銹蝕深度；d為鋼筋直徑；c為鋼筋保護層厚度；ω為混凝土表面順筋裂縫寬度。

根據《建筑結構檢測技術標準》（GB/T 50344—2004）[14]規定，采用自然電位法判別鋼筋是否發生銹蝕。測量已發生鋼筋銹蝕結構得到順筋裂縫寬度ω，并由式（9）計算鋼筋銹蝕深度，同時開槽驗證具備破損檢測條件結構。圖4為鋼筋銹蝕深度隨結構齡期變化的散點圖及擬合曲線，可以看出，隨著結構齡期的增長，鋼筋銹蝕速率基本不變，擬合曲線接近直線；鋼筋起銹蝕間大約在10～15 a范圍內，明顯小于一般大氣環境下RC結構的鋼筋起銹時間。

2.3.3 鋼筋銹蝕深度與其表面氯離子濃度的關系

綜上所述，鋼筋表面氯離子濃度隨著服役齡期的增長而增大，但氯離子濃度增加速度逐漸變緩；而銹蝕速率隨服役齡期的增大，其變化幅度并不明顯。圖5為鋼筋銹蝕深度與鋼筋表面氯離子濃度Cc的關系散點圖及擬合曲線。可以看出，當鋼筋表面的氯離子濃度達到一定閾值時，鋼筋開始出現銹蝕，隨著鋼筋表面氯離子濃度的增加，銹蝕速率呈加速趨勢。

2.4 考慮碳化與氯離子侵蝕復合作用的鋼筋銹蝕深度預測模型

碳化作用一方面改變了混凝土微觀結構，加速氯離子的擴散進程，同時將部分結合氯離子轉化為自由氯離子，增加了混凝土內部氯離子濃度。因此，有必要同時考慮混凝土碳化和氯離子侵入對鋼筋銹蝕的作用，利用曲面擬合鋼筋銹蝕深度與碳化深度、鋼筋表面氯離子濃度間關系，擬合結果如式（10）所示。

δ（x，C_c）={（-0.043+0.006x，@-0.276C_c+0.053x*C_c，）┤???? （10）

式中：Cc為鋼筋表面氯離子濃度（氯離子與混凝土質量的比值）；x為碳化深度，mm。

圖6為鋼筋銹蝕深度擬合曲面，可以看出，鋼筋銹蝕深度隨著混凝土碳化深度增加而增大，隨鋼筋表面氯離子濃度增加而增大；當氯離子濃度與碳化深度同時增加時，鋼筋銹蝕發展最快。

將修正后的碳化深度預測模型式（7）代入上式，可獲得鋼筋銹蝕深度預測模型為

δ（t）={（-1.595×〖10〗^（-2）+1.27×〖10〗^（-2） R*@（18.743/√（f_（cu，e） ）-1.231） √t+6.687×〖10〗^（-2） C_c+@4.932×〖10〗^（-2） R?（18.743/√（f_（cu，e） ）-1.231）√t?C_c? 。）┤ （11）

式中，δ（t）為鋼筋銹蝕深度，其余符號同前。其中，混凝土抗壓強度fcu，e、鋼筋表面氯離子濃度Cc已于前文得到。

3 銹蝕RC框架柱抗震性能退化模型

為進一步研究銹蝕RC框架柱抗震性能隨服役齡期退化規律，設計了截面尺寸為400 mm×400 mm、長度2 m的RC框架柱進行損傷塑性分析。其中，混凝土強度等級為C30，縱筋采用6@28（HRB400），配筋率為1.32%；箍筋采用10@200（HPB300），設計變化參數為軸壓比與鋼筋銹蝕程度，構件受力與截面配筋如圖7所示。

3.1 材料構件本構關系

3.1.1 銹蝕鋼筋本構關系

銹蝕鋼筋通常在銹蝕最嚴重處發生破壞，鋼筋材料性能試驗結果表明：銹蝕僅減小了鋼筋橫截面積，導致名義抗拉強度降低，鋼筋的實際強度并未發生明顯變化[20]。因此，銹蝕后鋼筋本構模型僅需對完好鋼筋本構模型進行修正即可，鋼筋計算參數如表2所示。基于《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）[10]中所規定鋼筋應力-應變關系，銹蝕鋼筋本構關系為

σ_s={（E_s ε_s&，ε_s≤ε_y；@f_ym+k（ε_s-ε_y）&，ε_y<ε_s≤ε_u；@0&，ε_s>ε_u 。）┤??? （12）

式中：σs為鋼筋應力；Es為鋼筋的彈性模量；εs為鋼筋應變；fym為屈服強度平均值；fstm為極限強度平均值；εy為與f_ym相對應的鋼筋屈服應變；εu為與fstm相對應的鋼筋峰值應變；k為鋼筋硬化段斜率。

鋼筋屈服強度及極限強度平均值可按式（13）（14）計算：

f_ym=f_yk/（1-1.645δ_s），?? （13）

f_stm=f_stk/（1-1.645δ_s）。 （14）

式中：δs為鋼筋強度變異系數，文中取0.07；fyk為鋼筋屈服強度標準值；fstk為極限強度標準值。

3.1.2 混凝土本構關系

損傷塑性模型假定混凝土破壞主要由拉伸開裂與壓縮破碎引起[21]，該模型材料本構關系在彈性階段采用線彈性模型，塑性階段則考慮了損傷折減。混凝土本構關系可表征為

σ=（1-d）E_0 ε ，???? （15）

式中：d為包括dc與dt的損傷因子；E0為初始彈性模量，取混凝土受拉開裂時割線模量。

3.2 構件有限元模型建立

為研究軸壓比與服役齡期對RC框架柱抗震性能的影響，損傷塑性分析中分別考慮0.2、0.4、0.6 3種軸壓比以及0、20、30、40、50 a 5個服役齡期，其中不同服役齡期框架柱鋼筋截面損失率按式（11）計算。

利用ABAQUS有限元軟件對RC框架柱進行建模分析，混凝土單元采用C3D8R（八節點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制），鋼筋單元采用T3D2（兩節點線性三維桁架單元），單元尺寸為0.05 m，構件分析模型如圖8所示。

3.3 構件P-Δ骨架曲線

圖9為軸壓比n分別為0.2、0.4、0.6時不同服役齡期（0、20、30、40、50 a）鋼筋混凝土框架柱的P-Δ骨架曲線。可以看出，不同軸壓比框架柱在彈性階段，水平承載力隨服役齡期（鋼筋銹蝕程度）增加而降低，且降低趨勢較為規律。當軸壓比較小時，塑性階段承載力降低，但承載力并非隨服役齡期增加呈現出規律性降低；當軸壓比較大時，水平承載力隨著服役齡期增加而呈現規律性下降趨勢。圖10為服役齡期分別為0 a、30 a及50 a時不同軸壓比框架柱的P-Δ曲線（僅給出推向加載曲線）。表3分別定量列出了各齡期下軸壓比n=0.4及n=0.6的框架柱相比n=0.2時水平承載力的增加量，結果表明鋼筋混凝土柱的水平承載力隨著軸壓比的增大而增大，且彈性受力階段增長。

4 結? 論

1）近海大氣環境下RC結構鋼筋銹蝕受到混凝土碳化與氯離子侵蝕雙重影響作用，碳化對氯離子擴散具有加速作用，但鋼筋銹蝕速率未見明顯變化。

2）RC框架柱P-Δ骨架曲線表明，軸壓比較小時，框架柱水平承載力隨服役齡期（鋼筋銹蝕程度）增大衰減相對較小；當軸壓比較大時，框架柱的水平承載力隨不同服役齡期（鋼筋銹蝕程度）的增加而顯著降低，服役齡期為50 a時，鋼筋混凝土框架柱水平承載力降低了12%。

3）RC框架柱P-Δ骨架曲線表明，隨著軸壓比的增大，銹蝕鋼筋混凝土框架柱彈性受力階段增長，水平承載力明顯增大。當服役齡期為30 a時，軸壓比從0.2增加到0.6，RC柱水平極限承載能力增加了31%。

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（編輯? 陳移峰）