锈蚀钢筋混凝土结构耐久性分析

锈蚀钢筋混凝土结构耐久性的分析

1 引言

钢筋混凝土结构是世界上应用最普遍、范围最广的结构形式，钢筋锈蚀引起钢筋混凝土结构的过早破坏，已经成为世界各国普遍关注的一大灾害，钢筋混凝土结构耐久性问题越来越引起国内外广大研究者的关注。在第二届国际混凝土耐久性会议上，mehta教授指出：“当今世界混凝土破坏原因，按递减顺序是：钢筋腐蚀、冻害、物理化学作用。”他明确地将“钢筋腐蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位。而来自海洋环境的氯盐和用于化冰雪的除冰盐，又是造成钢筋腐蚀的主要原因。加拿大早期大量使用除冰盐，使钢筋混凝土桥梁等破坏严重。欧洲、澳大利亚、海湾国家等，都有以氯盐为主的钢筋腐蚀破坏问题，其中英国修复费为每年50亿英镑。韩国曾发生一系列建筑破坏、倒塌事件，其中很多也与“盐害”有关。在我国已经发现许多海港码头的混凝土梁、板使用不到6 年已普遍出现顺筋锈胀开裂、剥落。北京、天津的许多立交桥，因为冷天撒盐化冰雪也日益暴露出严重的钢筋腐蚀问题，不得不斥巨资修复。我国台湾重修澎湖大桥和不断发生的“海砂屋”事件，也是氯盐腐蚀钢筋所造成的。钢筋混凝土结构耐久性问题的日益突出，钢筋锈蚀已给国民经济带来巨大的经济损失。引起了世界各国学术机构、学者和工程技术人员对加强钢筋混凝土耐久性研究的重视。

2 混凝土结构中钢筋锈蚀机理

通常情况下，由于混凝士孔隙中充满着水泥水解时产生的ca

(oh)2过饱和溶液，因此混凝上具有很强的碱性，ph > 12.5.钢筋在这种高ph值条件下，只要含有少量氧气，由于初始的电化学腐蚀，都会迅速形成一层非常致密、厚(2~10) m的尖晶石固溶体膜,这层膜牢牢地吸附于钢筋表面上，使钢筋很难继续进行阳极反应。从电化学上看，就是由活态转化为钝态，这层膜称为钝化膜川。如果混凝土中钢筋所形成的钝化膜能够长期保持，则在钢筋混凝土结构的整个使用寿命期间，即使在潮湿或有可能氧化的环境中，优质混凝土中的钢筋一般是不会锈蚀的。但是，腐蚀是金属 (材料)和周围环境发生化学或电化学反应而被破坏的现象，它是悄悄自发进行的一种冶金的逆过程。造成混凝上中钢筋锈蚀的两个重要因素:一是钢筋和氛离子产生电化学反应，二是混凝土的碳化作用及外界酸性气体渗入，使得钢筋的高碱性环境破坏。除了这两个还有其他一些因素也会造成结构中钢筋的腐蚀，比如，与混凝土本身质量有关的技术参数 (水灰比、混凝土配比、材料中的杂质、混凝土浇捣质量等)、外界环境因素(气温、湿度、细菌、杂散电流等)。

2.1混凝土的碳化机理

混凝土的水化作用是水泥中的氧化钙与水发生化学反应，形成水化硅酸钙csh凝胶和氢氧化钙，使混凝土孔隙中含有大量的离子。当空气中二氧化碳扩散到混凝上孔隙溶液中时，与溶解的氢氧化钙发生和反应，使孔溶液中的ph值降低，即混凝土发生碳化。在这种碳化作用下，降低了混凝土的碱性，钢筋的保护层遭到破坏，即去钝化，从而导致钢筋的锈蚀。

2. 2氯离子引起钢筋锈蚀的机理

2.2. 1混凝土中氯离子的来源

混凝土中氯离子的来源通常有两种途径：其一是“混入”，如掺有含氛离子的外加刘、使用海砂、施工用水含氯离子、在含盐环境中拌制浇注混凝土等;其二是“渗入”，环境中的氯离子盐，如撒化冰盐、海洋环境等，通过混凝上的宏观、微观缺陷，渗入到混凝土中并达到钢筋表面.“混入”现象是施工管理上的问题，可通过对氯离子所产生腐蚀危害的不断认识加以重视和防范;而“渗入”现象则是综合技术的问题，与混凝土材料的多孔性、密实性、施工质量、钢筋表面混凝土层厚度等多种因素有关。

2. 2. 2氯离子引起钢筋锈蚀的机理

钢筋混凝土结构在使用寿命期间可能遇到的最危险的侵蚀介质就是氯离子。氛离子的半径小，电负性较强，具有很强的吸附性和扩散穿透能力，即使在ph值大于12的条件下，也能进入混凝土中并到达钢筋表面。而氯离子是极强的去钝化剂，当氛离子吸附于钢筋表面的钝化膜处时，可使该处的ph值迅速降低。微观测试表明，氯离子的局部酸化作用，可使钢筋表面的ph值降低到4以下。从而破坏钢筋表面的钝化膜。氯离子导致的钢筋锈蚀是一个很复杂的电化学过程。这个过程可比作电池反应。电池的电极是起阳极或阴极作用的钢筋不同表面。由于钢筋一混凝土界面存在几何不均匀性(如裂缝等)的情况，抓离子对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部点，使这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域形成电位

差，并作为阳极而受腐蚀;钢筋表面大部分完好的钝化膜区域作为阴极。

3 锈蚀钢筋混凝土结构受力性能

国内外学者的研究表明，钢筋锈蚀对混凝土结构的承载力的影响主要体现在以下三个方面：

3.1 钢筋截面积的减小

3.2 钢筋屈服强度降低

钢筋极限抗拉能力的下降，除钢筋截面锈损，截面面积降低外，还有一个因素：钢筋表面凹凸不平，受力后缺口处容易产生应力集中，是钢筋的屈服强度和极限强度降低，且锈蚀越严重，钢筋强度降低越多。

3.3 钢筋与混凝土之间的粘结性能退化

由于钢筋的锈蚀，钢筋与混凝土的界面上生成疏松的锈蚀层，破坏钢筋和水泥胶体之间的粘结力，并将降低钢筋和混凝土的之间的机械咬合力，锈蚀产物体积膨胀导致混凝土保护层开裂甚至剥落，降低外围混凝土对钢筋的约束，以致消弱甚至破坏钢筋和混凝土之间粘结锚固作用，最终降低混凝土结构的适用性。

当锈蚀严重时(一般>8})，影响梁受力性能的主要矛盾发生改变，钢筋和混凝土之间的粘结性能开始决定梁的承载能力，与此相比钢筋端面的减小和屈服强度的降低显得微不足道。在锈蚀造成粘结性能退化之后，钢筋混凝土梁无论是承载力还是梁体刚度、应力场、裂缝模式等都发生了巨大变化，这些变化均表明梁开始发生脆

性破坏，类似于少筋破坏的特征。

4 总结

4.1构件的耐久性等级与目标使用年限紧密相关。随着目标使用年限的增加，构件的耐久性等级也随之下降。这反映了由于环境中的腐蚀性物质通过混凝土中的孔隙和水扩散，引起材料性能的退化，最终导致构件耐久性下降。

4.2 构件表面较宽（＞0.2mm）的裂缝若不加处理，在以后的使用中就会明显降低构件的耐久性。因此，要对构件表面裂缝引起重视，及时采取措施，提高构件的耐久性，避免不必要的损失。

4.3 虽然适用耐久性和安全耐久性在时间顺序上是不确定的，但适用耐久性往往先于安全耐久性达不到使用要求。因此，不仅要关注构件的安全耐久性，也要注意构件的适用耐久性，尤其是对一些外观要求较高的结构。