受腐蚀钢筋混凝土耐久性能研究

赵　博　王　辉

摘要：由于各种原因致使钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态时，钢筋就容易腐蚀。文章详细地分析了受腐蚀钢筋混凝土结构性能的研究现状。

关键词：受腐蚀钢筋混凝土构件；黏结性能；腐蚀机理

中图分类号：TV712文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）12-0096-02

一、钢筋的腐蚀机理

钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。

混凝土孔隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙溶液形式存在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾，pH值约为12.5。在这样强碱性的环境中，钢筋表面形成钝化膜，它是厚度为20～60的水化氧化物（nFe2O3·mH₂O），阻止钢筋进一步腐蚀。因此，施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构，即使处在海洋环境中，钢筋基本上也不发生腐蚀。但是，当由于各种原因，钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态时，钢筋就容易腐蚀。

呈活化态的钢筋表面所进行的腐蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶解态氧还原的阴极反应，相互以等速度进行。其反应式如下：

阳极反应 阴极反应

Fe - 2e → Fe²⁺O₂+ 2H₂O + 4e → 4OH^-

腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化亚铁，该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe（OH）₃，并进一步生成nFe₂O₃·mH₂O（红锈），一部分氧化不完全的变成Fe₃O₄（黑锈），在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的四倍，黑锈体积可大到原来的二倍。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂，进而使保护层成片脱落，而裂缝及保护层的剥落又进一步导致更剧烈的腐蚀。

二、受腐蚀钢筋混凝土结构性能研究的现状

（一）研究方法

目前，对受腐蚀钢筋混凝土结构的研究方法主要是试验研究和有限元分析。试验研究中，腐蚀试件的模拟一是通过试验室试验，包括快速腐蚀试验（电化学腐蚀、加氯盐腐蚀等）和盐雾试验。二是长期自然暴露试验。三是替换构件法。有限元分析中，大多采用钢筋混凝土非线性有限元方法对受腐蚀钢筋混凝土构件进行非线性模拟。

电化学快速腐蚀试验通常是将试件浸入一定浓度的NaCl溶液中，用外部电源通以恒电流，混凝土中的钢筋做阳极，不锈钢做阴极，通过控制电流密度的大小和通电时间来控制钢筋的腐蚀量。在混凝土中掺加氯盐的快速腐蚀试验一般是在浇注混凝土试件时，在混凝土拌合物中加入一定比例的氯盐，然后在自然条件下放置，或是施加一定大小的电流进行加速腐蚀。盐雾室中的腐蚀试验是用来模拟氯化物在混凝土试件中的渗透，一般将试件放置在一个密闭的盐雾室中，盐雾室上部的四个角部各有一个喷雾口，盐雾室中还可以进行干湿交替、温度变化等。长期自然暴露试验是将钢筋混凝土试件放置在各种自然侵蚀环境，如大气环境、海洋环境、化工环境中，试验的周期较长，但能够较真实地反映实际情况。替换构件法是对长期处于腐蚀环境下的、实际工程中的钢筋混凝土构件从工作现场拆下来，进行各种力学性能试验。

（二）受腐蚀钢筋混凝土构件的抗弯性能

钢筋腐蚀通常会改变正常配筋混凝土梁的破坏类型，完好梁一般为弯曲破坏，而受腐蚀梁很多情况下为剪切破坏。受腐蚀梁在钢筋屈服前，受力裂缝不明显，裂缝高度很低，一旦出现高度较高的明显的受力裂缝，这时钢筋已经屈服，构件即将破坏。有试验表明，钢筋腐蚀后，当压区腐蚀纵向裂缝宽度大于2mm时，在钢筋刚刚屈服的上部混凝土会出现被压碎的现象，破坏形态处于超筋梁和适筋梁的界限破坏状态。而当受拉钢筋腐蚀量大到一定程度时，构件会由适筋梁变为少筋梁。不管是出现超筋梁的破坏还是少筋梁的破坏，结构的破坏形态都是从有预兆的塑性破坏变为无预兆的脆性破坏。

随着纵筋腐蚀量的增加，钢筋混凝土梁的强度和刚度都在下降。钢筋腐蚀还增加了钢筋混凝土梁在使用荷载下的挠度和裂缝宽度。

对受腐蚀的压弯构件，大偏压构件的横向受力裂缝到达纵向腐蚀裂缝位置后不像正常构件那样有规律地向上发展，裂缝分布很不均匀，裂缝间距大于正常构件，受力裂缝也相应增大。随着钢筋腐蚀量增加，开裂荷载与极限荷载的比值略有增加，屈服荷载与极限荷载的比值比较接近，即受拉钢筋达到屈服后受压混凝土很快达到极限压应变，构件破坏。说明受腐蚀构件的延性明显降低，脆性明显增加。小偏压受腐蚀构件的承载力和刚度均有较大的降低，在同级荷载作用下的钢筋和混凝土的应变和侧向挠度均明显大于正常构件，拉区混凝土裂缝发展不明显，脆性也明显增加。

（三）受腐蚀钢筋混凝土构件的抗剪性能

由于混凝土构件中箍筋位于纵筋外边，其保护层总是比纵筋小，因此一般箍筋首先腐蚀，其腐蚀程度往往比纵筋严重，特别是在箍筋与纵筋交接处。而箍筋不仅直接影响钢筋混凝土构件的抗剪性能，而且受腐蚀的箍筋不能有效地约束混凝土，从而对构件的承载力有间接影响。

（四）受腐蚀钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土的黏结性能

受腐蚀钢筋混凝土构件性能劣化的一个主要原因就是黏结性能的退化。有些环境下钢筋的腐蚀不是均匀腐蚀，而是局部腐蚀，对钢筋与混凝土的黏结性能影响更大。

在模拟钢筋表面局部腐蚀的拔出试验中，极限黏结强度在钢筋腐蚀达到某一个程度之前有所增加，但随着腐蚀进一步增加，极限黏结强度不断降低直到可以忽略不计。在模拟钢筋表面相对均匀腐蚀的梁试验中，极限黏结强度也在钢筋腐蚀达到某一个程度（试验给出值是0.5%）之前有所增加，而后随着腐蚀量的增加而降低，但降低得非常缓慢。两种试验都显示自由端的滑移值随着纵向裂缝的开展而迅速降低，表明钢筋约束突然丧失，标志着黏结破坏发生的临界滑移量受钢筋表面状况和约束程度的极大影响。

黏结性能退化的机理是：（1）钢筋的腐蚀产物是一层结构疏松的氧化物，在钢筋与混凝土之间形成一层疏松隔离层，明显地改变了钢筋与混凝土的接触表面，从而降低了钢筋与混凝土之间的黏接作用；（2）钢筋的腐蚀产物比被腐蚀的钢材占据更大的体积，从而对包围在钢筋周围的混凝土产生径向膨胀力，当径向膨胀力达到一定程度时，会引起混凝土开裂。混凝土开裂导致混凝土对钢筋的约束作用减弱。混凝土开裂时的钢筋腐蚀量与钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、钢筋种类和钢筋位置等因素有关；（3）变形钢筋腐蚀后，钢筋变形肋将逐渐退化。在腐蚀较严重的情况下，变形肋与混凝土之间的机械咬和作用基本消失。

（五）受腐蚀钢筋混凝土结构在使用荷载作用下的性能

钢筋混凝土构件实际上都是处于工作状态，而构件在应力状态下的腐蚀与没有加载时有很大不同，其各方面的性能亦有很大改变。荷载对受腐蚀钢筋混凝土构件的影响是多方面的，加载历史和加载级别对腐蚀的发生和发展有明显影响，并影响混凝土中钢筋的腐蚀量，而腐蚀量反过来通过强度或刚度损失影响钢筋混凝土构件的适用性。

预先加载水平高的试件比预先加载水平低的试件对腐蚀发展的影响大。但在腐蚀初始阶段影响不明显，在后期阶段才变得显著。其原因是，腐蚀发生后的初始阶段，由预先加载产生的混凝土的微裂缝可能由于腐蚀产物的填充作用减小甚至闭合，降低了侵蚀介质的进一步渗透，从而减小了腐蚀速度。

（六）受腐蚀钢筋混凝土结构的动力性能

由于腐蚀使钢筋的截面尺寸、表面状况以及钢筋和混凝土之间的黏结等均发生了变化，腐蚀对钢筋混凝土结构动力性能（例如疲劳性能和抗震性能）的不利影响将更为严重。

三、结语

虽然目前国内外已经在受腐蚀钢筋混凝土结构的性能方面开展了一些研究，做了不同腐蚀情况下钢筋混凝土受弯构件、大小偏心受压构件、钢筋与混凝土黏接试件的试验等，并进行过一些有限元分析，得出了构件承载力和变形性能随钢筋腐蚀量的增加而不同程度降低的结论。

作者简介：赵博，男，河南省第一建筑集团有限责任公司助理工程师，项目经理，研究方向：项目生产技术施工管理、工民建；王辉，男，河南省第一建筑集团有限责任公司助理工程师，项目副经理，研究方向：项目生产技术施工管理、工民建。