锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能

锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能

1 引言

自钢筋混凝土发明以来，由于其良好的性能故而在土木工程领域得到了广泛的应用。但由于钢筋混凝土耐久性不足导致了很多严重的问题，这些问题日益引起人们的重视。影响钢筋混凝土耐久性最主要的因素便是钢筋的锈蚀。此外，它还对钢筋混凝土的粘结性能有着很大的影响。本文在查阅大量前人研究成果的基础上，对锈蚀变形钢筋与混凝土的粘结性能的影响进行了总结和回报，加强对锈蚀钢筋与混凝土的认识。

2 从化学角度来阐述钢筋锈蚀机理

由于钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀过程从本质上说是一个化学反应，更准确的说是电化学反应，所以从化学的角度阐述钢筋锈蚀的机理。

钢筋混凝土结构中使用的钢材主要成分是铁(Fe)，还有如C、S、Ti、Si、Mn 等元素。自然界中，高纯度的单质铁极易发生锈蚀。新鲜的钢筋混凝土结构中，钢筋不易发生锈蚀。原因是混凝土孔隙水溶液含有Ca(OH)2，呈高碱性(pH可达14左右)，使得在钢筋表面形成一层致密的钝化膜以Fe3O4为主、并含有Si-O键的黑色氧化膜，即钝化膜(Passive Film)。它能有效防止钢筋的锈蚀。但当pH<11.5时，即混凝土空隙水溶液碱性降低时，钝化膜开始变不稳定。当pH<9.88时，钝化膜生成困难或者已生成的逐渐破坏，从而导致钢筋的锈蚀。

造成混凝土孔隙水溶液pH值降低的原因有三种：一是混凝土的中性化，主要是碳化；二是Cl-的渗透，Cl-对混凝土结构具有很强腐蚀性。目前，常用含有Cl-的早强剂、除冰剂，还有富含大量氯离子的海砂的不当使用；三是杂散电流的影响。

钢筋锈蚀的反应式如下式所示：

阳极反应：

Fe - 2e → Fe2+

阴极反应：

O2+ 2H2O+ 4e→ 4OH-

阳极继续发生二次化学反应，反应式如下式所示：

Fe2++ 2OH-→ Fe(OH)2↓

4Fe(OH)2+ O2+ 2H2O → 4Fe(OH)3↓

在氧气和水的存在的情况下，钢筋表面的铁原子变成离子溶于水中，从而在钢筋表面形成红色铁锈，严重时铁锈将引起混凝土开裂。

钢筋混凝土结构在服役期间，氯离子的侵蚀作用对结构的破坏作用最为显著，钢筋表面的Cl-和OH-争夺锈蚀产生的Fe2+，形成FeCl2·4H2O，FeCl2·4H2O 从钢筋阳极向含氧量较高的混凝土孔隙迁徙，分解为Fe(OH)2。Fe(OH)2沉积在阳极周围，同时放出H+和Cl-，它们又回到阳极区，使阳极区附近的孔隙液局部酸化，Cl-再带出更多的Fe2+。这样，氯离子虽然不构成腐蚀产物，在腐蚀中也不消耗，但有助于生成腐蚀的中间产物，对腐蚀起到催化作用。其反应式如下式所示：

Fe2++ 2Cl-+ 4H2O → FeCl2·4H2O

FeCl2·4H2O → Fe(OH)2↓+ 2Cl-+ 2H++ 2H2O

如果在钢筋表面存在大量高浓度的氯离子，则引起的腐蚀为均匀腐蚀，但是在混凝土中常见的是局部腐蚀。首先在钢筋表面上某个点发生锈蚀，成为小阳极，钢筋表面大部分的钝化膜成为大阴极。这种特定的由大阴极和小阳极组成腐蚀电池，由于大阴极供氧充足，小阳极的铁迅速反应，点蚀变为了坑蚀，小阳极局部酸化，同时在大阴极发生反应产生OH-使pH值增大，这样一直反应下去，锈蚀将越来越严重。

3 钢筋与混凝土之间的粘结机理

从化学角度看，钢筋混凝土属于混合材料。但二者却表现出近似单一材料的性质。其中的原因有二：一是二者有着相同的线膨胀系数；二是二者之间有足够的粘结强度，能够抵抗切应力（即粘结应力），此力是由于钢筋和混凝土相对滑移而产生。后者是钢筋混凝土结构的重要特征。

钢筋与混凝土的粘结作用主要有以下三方面：

①化学黏着力。此力产生的部位是在钢筋与混凝土的接触表面上，产生的来源是水泥砂浆浆体对钢筋的表面氧化层的的渗透。此外还有水泥晶体在水化过程的生长和硬化。这些力量一般来说都是比较小的，只有在受力时的局部无滑移区才会起到作用。钢筋受力后产生大变形，一旦发生相对错动时便立即消失；

②摩阻力。此力随着混凝土硬化收缩握紧钢筋时而产生。随着时间的流逝，混凝土会硬化收缩，便会对钢筋产生一种垂直于摩擦面的压应力，进而产生摩阻。从力的本质上讲这是一种静摩擦力，与垂直于摩擦面的压应力成正比例关系。此压应力越大、摩擦面越粗糙，摩阻力便越大；

③机械咬合力。此力发生在凹凸不平的钢筋表面和混凝土之间。第①②方面是光圆钢筋的粘结机理；第①②③方面是变形钢筋与混凝土的粘结机理，其中第③方面是占主要的。变形钢筋表面有着凹凸不平的肋，这些肋与混凝土之间的机械咬合作用，改变了钢筋与混凝土之间的相互作用的方式，有效并显著的提高了粘结强度。

4 粘结应力

粘结应力通常分为锚固粘结应力和裂缝附近的局部粘结应力两类。

①锚固粘结应力：例如梁的钢筋伸入支座，必须有足够的锚固长度，通过这段长度上粘结力的积累，才能使钢筋中建立起所需发挥的拉力。

②裂缝附近的局部粘结应力：这是一种局部粘结应力，它是指在开裂构件量测，钢筋与混凝土接触面上的与钢筋拉应力方向相反的粘结应力。

5 国内研究现状

在国内，1960年初，首先开展这方面的研究是南京水利科学研究院。

中国矿业大学的袁迎曙对锈蚀钢筋混凝土简支梁进行了研究，结果表明梁的破坏形态向脆性破坏发展严重影响，同时也说明锈蚀钢筋混凝土对建筑结构的可靠度和使用期限有很大的危害。

清华大学的刘西拉、苗澎柯首次站在理论的角度对钢筋锈蚀进行了定量的分析，并提出一种可以预测建筑结构使用时间长短的方法。但是仅把钢筋的锈蚀作为唯一因素，这点是不足的，不能完全反映实际情况。最后声称定量计算建筑结构的耐久性是可能的。

西安建筑科技大学的牛荻涛等基于金属锈蚀的电化学原理，提出了一钢筋蚀量的预测模型。此模型适用于一般大气环境下，能较为贴近实际案例。

陕西建筑科学研究设计院的潘振华等通过粘结破坏压出试验，分析了钢筋类型、钢筋直径、钢筋与混凝土的相对位置、保护层厚度和混凝土强度对钢筋锈蚀率与极限粘结强度本构关系的影响，指出前四者是主要因素，混凝土强度对其影响则不是很大。试件没有在压出端设置套管以形成非粘结段，使靠近压出端的钢筋粘结应力过大，从而造成误差。

之前很多学者常对钢筋施加均匀的内力和变形来模拟，但实际混凝土结构中钢筋的锈蚀是不均匀的。对此宁夏大学的张国学等提出一个热膨胀模型，来对锈蚀钢筋和混凝土间的粘结力进行有限单元模拟，模拟结果与试验结果相差无几，很好的改变了这一点。

浙江大学的金伟良等以弹性力学为基础，定性的指出了钢筋锈蚀率对钢筋锈胀力影响较大；混凝土立方体抗压强度对其影响较小；保护层厚度对其影响较小；在影响程度上，钢筋直径>保护层厚度>混凝土立方体抗压强度。

浙江大学的赵羽习通过对不同锈蚀率的光圆钢筋试件和变形钢筋试件进行快速通电锈蚀、粘结拉拔试验，提出了锈蚀钢筋和混凝土之间的粘结本构关系。由于钢筋未内贴应变片，所以此本构关系只是局部的粘结本构关系。

同济大学的李方元通过高强砼与变形钢筋的拉拔试验，总结出高强砼和普通砼与钢筋粘结性能的区别，并分析产生这些区别的原因。

深圳大学的邢锋研究了混凝土细骨料中Cl-的扩散机理，指出Cl-从砂表面向水泥凝胶逐渐扩散的。

时为安徽理工大学的吴庆等通过使用两种不同锈蚀方法（人工气候、通电锈蚀）进行比较，结果发现在人工气候环境下，钢筋锈蚀沿钢筋径向剖面是不均匀的，且锈蚀产物呈红褐色，这与实际情况是比较接近的；相比之下，恒电流通电的钢筋锈蚀产物呈黑色；前者比后者能更好的贴近实际情况。但是人工气候环境的制造对实验室条件要求较高，而恒电流通电的要求较低，成本也低，时间也最快，所以目前为止，学者们还是常用后者来对钢筋进行锈蚀。

时为江苏科技大学的吴庆、中国矿业大学的袁迎曙采用人工气候环境模拟和恒电流的方法对试件进行加速锈蚀，对56根锈蚀钢筋的力学性能退化规律进行了研究；从中发现两种不同的锈蚀方法对钢筋锈蚀性能退化有一定影响，当锈蚀率增大时，这种影响会变得明显。

6 小结

前人已经在锈蚀钢筋与混凝土的粘结性上面做了大量的试验，有了相对成熟的理论，但很多试验模拟与实际情况存在一定的差距，对实际分析还有一定的不确定性，所以在以后的实践中可以通过模拟环境的真实性提高试验结果的准确性。