钢筋锈蚀对混凝土构件耐久性影响分析

钢筋锈蚀对混凝土构件耐久性的影响分析

摘要：本文针对一般环境下的钢筋混凝土构件，取锈蚀裂缝宽度1mm为危险点，即结构耐久性终结的标志，并提出了基于结构构件性能的使用寿命预测模型，分为钢筋表面去钝化时间、钢筋开始锈蚀至保护层开裂时间及保护层裂缝至1mm时间三个阶段，结合某工程实例进行耐久性分析，并提出一些防治措施，供相关工程技术人员参考。

关键词：钢筋混凝土；耐久性；钢筋锈蚀；保护层

中图分类号：tu37 文献标识码：a 文章编号：

1、前言

目前钢筋混凝土已成为各类工程建设领域中最主要的建筑材料之一，广泛应用于工业与民用建筑、公路及铁路桥梁、海洋及港口工程等。然而在环境侵蚀介质（如氯化物、二氧化碳等）作用下，混凝土对钢筋的保护作用随着时间的推移而减弱，导致混凝土中的钢筋发生锈蚀。研究表明，钢筋锈蚀不仅减小了钢筋的有效面积，而且将使混凝土与钢筋粘结性能退化，承载能力与适用性都明显下降，结构使用寿命缩短。

由于剩余使用寿命预测是在役钢筋混凝土结构修复、加固或拆除的决策依据，因此对在役钢筋混凝土结构提出合理的评估指标是一项非常重要的研究课题。

2、钢筋混凝土结构锈蚀破坏过程模型

2.1 tutti模型

对于早期混凝土结构使用寿命的预测，一个工人的模型就是

tutti模型，如图2.1所示。

图2.1 混凝土中钢筋锈蚀模型

在该模型中，tutti假定混凝土是匀质且没有裂纹的。使用寿命由两个阶段组成，及锈蚀初始阶段（也作诱导阶段）和发展阶段。锈蚀初始阶段是指新建结构投入使用后，在外界侵蚀介质（如氯化物、二氧化碳等）的影响下，钢筋处于钝化状态，没有锈蚀，在本阶段结束钢筋才开始锈蚀，锈蚀初始期的长短就是环境中氯离子渗入混凝土保护层，钢筋表面氯离子浓度达到临界值，室钢筋表面去钝化所需时间；锈蚀发展阶段是指钢筋开始锈蚀后，直至发展到可接受的最大锈蚀程度所经历的时间，此阶段钢筋锈蚀率取决于水分和氧进入混凝土的速率和温度。tutti模型概念清楚，但未考两次发展期修饰率的变化，在使用中如何确定可接受的最大锈蚀程度是值得研究的问题。

2.2 改进模型

对于钢筋混凝土结构耐久性寿命的终结标志，不同专家有不同的看法。某些学者将耐久性寿命终结标志规定为混凝土中钢筋开始出现锈蚀，这仅考虑了钢筋锈蚀破坏的第一阶段，显然过于保守；另一些学者将耐久性寿命终结标志规定为混凝土保护层开裂，这与现行混凝土结构设计规范中正常使用阶段允许出现裂缝相矛盾。

依据《民用建筑可靠性鉴定标准》第4.2.6条之规定“因主筋锈

蚀产生沿主筋方向的裂缝，其裂缝宽度已大于1mm”应视为不适于继续承载的裂缝，因此对于一般混凝土构件保护层纵向裂缝宽度达到1mm时可视为结构寿命终结的标志，则混凝土结构耐久性寿命td 可表示为

td=t1+t2+t3

式中：t1——钢筋表面去钝化所需时间；

t2——钢筋开始锈蚀至保护层开裂所需时间；

t3——保护层开裂至裂缝宽度达到1mm所需时间。

其结构使用寿命模型如图2.2，

图2.2 结构使用寿命模型图

（1）诱导期t1，即结构投入使用后至钢筋开始锈蚀之前的时段；（2）锈蚀膨胀器t2，即从混凝土膨胀开始至保护层开裂的时段；（3）裂缝发展期t3，保护层开裂后钢筋锈蚀至裂缝宽度加大甚至剥落。

上述两个模型最主要的区别在于后者各时段采用结构性能作为

中介标准，更接近实际工况。

3、混凝土结构耐久性寿命评估

3.1 钢筋表面去钝化时间

根据钢筋锈蚀的机理，钢筋表面脱钝是导致锈蚀发生的前提条件，对于普通环境下的混凝土构件，一般是将碳化深度达到钢筋表面作为钢筋脱钝、锈蚀开始的标志。

目前公认的碳化深度预测模型为

式中：——混凝土碳化深度；

——碳化速度系数；

——结构服役时间。

由上式可知，在得知保护层厚度和现阶段碳化深度的条件下便可确定钢筋开始锈蚀的时间t1。

3.2 钢筋开始锈蚀至保护层开裂时间

根据南京河海大学吴谨的氯离子环境下钢筋混凝土结构锈裂损

伤研究可知，钢筋开始锈蚀至保护层开裂时间t2：

式中：——铁锈生成速度，；

——与锈蚀产物成分有关；

d——钢筋直径；

——平均锈蚀电流，可现场实测。

3.3 保护层开裂至裂缝达到寿命终结时间

近似考虑钢筋锈蚀以均匀速度进行，则保护层开裂至1mm的时间：式中：——钢筋截面损失速度；

——裂缝宽度为1mm时的钢筋重量损失率。

综上所述，即可对混凝土结构耐久性寿命td进行预测：

td=t1+t2+t3

4、工程实例

4.1 概况

本文以某大堤钢筋混凝土护栏为工程实例，详见表1：

表1：护栏构件及相关参数

计算参数：=2.0，=0.18，=3600kg/m3，d0=12.5，=0.523，

ccr=0.154%（占混凝土重）。

使用水溶法实测混凝土表面氯离子浓度=0.513%（占混凝土重），钢筋周围混凝土氯离子浓度=0.412，根据现场实测数据进行耐久性寿命评估（详见表2）。

表2构件使用寿命评估值（年）

4.2结论

（1）本文在讨论混凝土结构耐久性寿命定义的基础上，剔除混凝土结构耐久性寿命标志，对于地下室结构或水池管道结构可以规定为保护层开裂作为寿命终结标志；而一般混凝土结构则可以规定为保护层开裂后发展至一定宽度作为使用寿命终结标志。

（2）提出了氯离子环境下混凝土结构耐久性寿命评估方法，并通过计算可知，氯离子环境下控制钢筋混凝土保护层厚度，混凝土强度等级及水灰比室提高构件使用寿命的重要措施。

（3）本文中构件使用寿命模型对象为某大堤护栏，均为自承重构件（非受力构件），因此具有一定的局限性。

参考文献

[1] 史波，赵国藩. 基于可靠度的锈蚀钢筋混凝土结构使用寿命预测[j]. 大连理工大学学报，vol.47,no.1,2007,61～65

[2] 中华人民共和国建设部标准，民用建筑可靠性标准（gb50292