钢筋锈蚀产生的原因及对桥梁混凝土耐久性的影响

钢筋锈蚀产生的原因及对桥梁混凝土耐久性的影响

摘要：钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土桥梁耐久性损伤的最主要和最直接因素，也是混凝土桥梁耐久性破坏的主要形式之一。

钢筋锈蚀是一个比较普遍、并且严重威胁结构安全的耐久性问题。它在影响结构物耐久性因素中，占据主导地位。我国有相当数量的钢筋混凝土桥梁相继进入老化期，钢筋锈蚀的研究和防治显得非常重要。

钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土桥梁耐久性损伤的最主要和最直接因素，也是混凝土桥梁耐久性破坏的主要形式之一。后期表现为钢筋铁锈进一步膨胀，混凝土本身发生破坏，出现顺筋胀裂，混凝土脱离，直至钢筋不断锈蚀，有效截面不断减小，桥梁结构承载力不断下降，钢筋混凝土构件丧失基本承载能力。

一、钢筋混凝土桥梁中钢筋锈蚀原因

在混凝土结构中，钢筋受到周围混凝土的保护，一般并不被腐蚀，只有在一定条件下产生锈蚀。

1、混凝土碳化造成钢筋锈蚀

正常情况下，空气中的二氧化碳气体在混凝土表面逐渐被氢氧化钙吸收，形成碳酸钙，这种现象称为混凝土碳化，碳化的速度除与二氧化碳的浓度有关外，还取决于相对湿度及混凝土的密实度等。一般状态下，由于水泥的水化作用，混凝土内的PH值为12-13，在此环境下，钢筋周围形成一种保护膜，即钝化膜，可保护钢筋不被锈蚀；当PH值小于9时，该钝化膜即遭破坏，只有在混凝土内碱度降低，也就是说碳化深度达到或超过钢筋保护层时，钢筋表面的钝化膜被破坏，钢筋才开始锈蚀。

2、与环境适度密切相关

在十分潮湿的环境中，即相对湿度接近100%时，混凝土空隙中充满水分，二氧化碳气体不容易透入，难以造成钢筋锈蚀。而空气相对湿度在80%左右时，有利于碳化作用，混凝土中钢筋容易没锈蚀。

3、混凝土振捣不密实或存在裂缝导致钢筋锈蚀

混凝土水灰比过大，水泥用量过小，混凝土振捣不密实或养护不到位，或在混凝土浇筑过程中存在露筋、蜂窝，麻面等，会使混凝土空隙过大或产生裂缝，便于空气中二氧化碳气体侵入，引起钢筋锈蚀。

4、混凝土内掺加氯盐造成钢筋锈蚀

氯盐在提高混凝土早期强度和防冻方面是很有效的，但如果掺量过多，过量的氯离子会破换钢筋表面的钝化膜，从而导致钢筋锈蚀。因此，规范中规定，混凝土中氯盐掺量一般不超过水泥用量的1%。

5、侵蚀性气体的侵入造成钢筋锈蚀

当空气中含有工业废气，如氯化氢及氯等酸性气体，将同样被混凝土吸收与氢氧化钙结合，造成混凝土碱度迅速下降，引起钢筋锈蚀。

二、影响钢筋混凝土桥梁钢筋锈蚀的主要因素

1、混凝土的保护层厚度及完好程度和混凝土的密实度

这三个方面都与侵蚀性介质的侵蚀速度有关，保护层厚度对钢筋锈蚀的影响呈线性关系，因此世界各国规范对保护层厚度都作了规定。混凝土的密实度影响着混凝土的渗透性，渗透性高的混凝土更容易发生锈蚀。

2、混凝土的碳化程度

混凝土的碳化降低了混凝土的碱度，造成PH值降低，给钢筋脱钝提供了可能。钢筋的失重率与混凝土的碳化深度差不多呈线性关系，由此混凝土的碳化程度对钢筋锈蚀有重大影响。

3、环境条件

环境对钢筋锈蚀的影响主要有以下几个方面：温度、湿度、二氧化碳的浓度、氧气的浓度以及侵蚀性介质的浓度。对于钢筋混凝土桥梁来说，影响最大的是湿度，当桥梁处在湿度较大的环境下，尤其是水位浮动的桥墩部位和浪溅区，最容易发生锈蚀。

4、氯离子的影响

氯化物是一种很危险的侵蚀介质，但是在我国北方地区，为保证冬季交通畅行，向道路、桥梁及城市立交桥等撒除冰盐，大量使用的氯化钠和氯化钙，使得氯离子渗入混凝土，引起钢筋锈蚀破坏。

三、钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥梁耐久性的影响

钢筋锈蚀的直接结果是钢筋的截面积减少，不均匀锈蚀导致钢筋表面凹凸不平，产生应力集中现象，使钢筋的力学性能退化，如强度降低、脆性增大、延性变差，导致构件承载力降低。

1、锈蚀后钢筋的力学性能

锈蚀钢筋抗力的降低直接影响服役结构和构件的承载能力，严重时可能造成结构提前失效甚至倒塌。沿钢筋长度发生均匀锈蚀时，钢筋的失重率近似等于钢筋的截面面积损失率，钢筋所能抵抗的极限拉力的降低与钢筋截面面积锈损率基本成正比，此时，可以简单地用锈损钢筋的实际截面面积乘以未锈钢筋的极限抗拉强度获得锈蚀钢筋的极限抗拉能力。

但是，由于混凝土材料的不均匀性、使用环境的不稳定性、钢筋各部位受力程度的不同等因素，实际上混凝土中的钢筋锈蚀很少有均匀锈蚀的情况，通常钢筋截面面积损失率大于重量损失率，而且随着钢筋锈蚀的发展，锈蚀的不均匀性和离散性增大，重量损失率与截面面积损失率的差异也越大。且锈损越严重，应力集中引起的强度降低越多。

2、钢筋锈蚀后对钢筋与混凝土协同工作性能的影响

钢筋锈蚀后，钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能降低。试验研究结果表明，锈蚀钢筋混凝土主梁抗弯承载力试验值小于只考虑锈蚀后钢筋截面积减小、屈服强度降低计算得到的抗弯承载力值，说明钢筋和混凝土的粘结强度降低也是锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力降低的主要影响因素之一。因此，对受拉钢筋必须乘以协同工作系数，以考虑粘结退化对钢筋混凝土梁抗弯承载力的影响。

理论上，考虑粘结强度降低的影响，锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力应介于未锈蚀构件和无粘结构件之间，而相同条件下无粘结受弯构件承载力约为正常构件的70%~80%左右，那么kb则应处于0.7~1之间。

3、钢筋锈蚀后对钢筋混凝土桥梁结构性能的影响

混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，并且同时向周围混凝土孔隙中扩散。径向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝，甚至保护层剥落，严重影响钢筋混凝土桥梁的正常使用。

钢筋与混凝土的粘结是一种复杂的相互作用，通过它来传递二者之间的应力，协调变形，因此钢筋与混凝土之间粘结锚固性能是保证钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的基本前提。钢筋与混凝土间锈蚀层的润滑作用、钢筋表面横肋的锈损、混凝土保护层的开裂或剥落都会导致钢筋混凝土粘结锚固性能降低甚至完全丧失，最终影响钢筋混凝土桥梁结构的安全性、适用性和耐久性。