钢筋锈蚀对混凝土梁的作用

钢筋锈蚀对混凝土梁的作用
卢媛媛
（扬州大学，江苏扬州 225009）
摘要：本文从钢筋锈蚀原因、锈蚀损伤分析和承载力等方面论述了钢筋锈蚀对混凝土梁的影响，阐述了目前对于锈蚀钢筋混凝土构件尤其是混凝土梁的主要研究成果，提出了今后的研究发展方向。

关键词：钢筋混凝土梁钢筋锈蚀承载力损伤分析
一、引言
建筑结构中钢筋混凝土构件，由于其具有良好的力学性能而被广泛使用。

然而，由于材料老化、不良使用条件(工业环境、海洋环境等)、环境污染(酸雨频繁、CO2浓度增高等)、使用方法不当(高速公路和桥梁桥面撒盐除冰等)等因素的影响，造成钢筋锈蚀问题已成为混凝土结构中的普遍现象，从而降低了结构的使用性和耐久性,甚至导致结构失效(如柏林议会大厅的倒塌)。

因此，钢筋混凝土结构的腐蚀问题,其中最主要的是钢筋锈蚀问题己成为世界性的严重问题。

文献[1]中提到日本约有21.4%的钢筋混凝土结构损坏是由钢筋锈蚀引起的；美国的腐蚀问题中与钢筋锈蚀有关的高达40%；英国建造在海洋及有氯化物介质中的混凝土结构，因钢筋锈蚀而需修复的达36%；阿拉伯海湾地区因其气候多变等原因，致使很多混凝土结构在10～15年间即达到惊人的腐蚀程度。

中国混凝土网 [2005-4-30]也报道，美国每年因混凝土耐久性问题，损失数百亿美元，每四个因耐久性破坏的建筑中就发生一例钢筋锈蚀破坏；中国每年因混凝土内部钢筋锈蚀导致结构破坏也损失数十亿人民币。

因此，关于钢筋锈蚀的问题，已经引起了世界上的普遍关注。

钢筋混凝土中钢筋的锈蚀使混凝土构件力学性能退化，从而降低结构的可靠度。

因此,对混凝土中锈蚀钢筋的研究，为进一步研究锈蚀钢筋混凝土构件性能退化及可靠度评价具有重要的意义。

二、钢筋锈蚀损伤产生的原因
建筑中常用的钢材为碳素结构钢和结构低合金钢，其化学组成除 Fe 外，还含有少量其他金属 (Mn、V、Ti) 和非金属 (Si、C、S、P、O、N ) 元素并形成固熔体、化合物或机械混合物的形态共存于钢材结构中；此外还有许多晶界面和缺陷。

钢筋表面氧化膜被破坏后，当钢材表面从空气中吸收溶有 CO2 , O2或 SO2的水分，形成一种电解质的水膜时，就会在钢材表面层的不同成分或晶界面之间构成无数微电池（腐蚀电池）。

阳极和阴极反应构成整个腐蚀过程，这即为电化学腐蚀。

结果生成的氢氧化亚铁 Fe(OH)2在空气中又进一步被氧化成氢氧化铁 Fe(OH) 3 。

钢材中的 Fe 变成 Fe2O3体积膨胀 4 倍，在少氧条件下Fe(OH)3氧化不很完全的部分形成 Fe2O4（黑锈），体积膨胀 2 倍。

埋在混凝土中的钢筋发生锈蚀以后，其产生铁锈的体积是相应钢筋体积的2～4倍，铁锈向四周膨胀，而钢筋四周的混凝土则限制它的膨胀,产生了交界面上的压力，这种压力就称为钢筋锈胀力。

混凝土中钢筋锈蚀是一个复杂的、逐渐变化的电化学过程，最终锈蚀产物的形式取决于钢筋所处的环境条件，如供氧情况、湿度、孔隙水溶液pH值等等.锈蚀产物的体积比被腐蚀钢筋体积要大得多，因锈蚀产物最终形式不同而异。

锈蚀产物的体积膨胀使钢筋周边混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时，在钢筋与混凝土界面处将出现内部径向裂缝。

随着钢筋锈蚀的进一步加剧，内部径向裂缝向混凝土表面发展，混凝土保护层
开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝,甚至保护层脱落。

虽然其退化过程是逐渐的，但最后造成的构件破坏时突然的和脆性的。

钢筋锈蚀有相当长的过程，先是在裂缝较宽处的个别点上“坑蚀”，继而逐渐形成“环蚀”，同时向两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋截面削弱。

由于铁锈是疏松、多孔、非共格结构，极易透气和渗水，因而无论铁锈多厚都不能保护内部的钢材不继续锈蚀，上述反应将不断进行下去，严重时，体积膨胀，导致沿钢筋长度的混凝土出现纵向裂缝，并使混凝土保护层剥落，习称“暴筋”，从而截面承载力降低，最终失效。

主要的影响因素：
（ 1 ）含氧水分：钢筋锈蚀反应必须有氧参加，因此在混凝土中的含氧水分是钢筋发生锈蚀的主要因素。

如果混凝土非常致密，水灰比又低，则氧气透人困难，可使钢筋锈蚀显著减弱。

（ 2 ）氯离子：氯离子的存在将导致钢筋表面氧化膜的破坏，并与 Fe 生成金属氯化物，对钢筋锈蚀影响很大。

因此氯离子含量应予严格限制。

（ 3 ）混凝土保护层厚度：混凝土保护层厚度大时，碳化并破坏钢筋表面氧化膜的时间就越长，故增大混凝土保护层厚度可以延缓钢筋的锈蚀。

三、钢筋锈蚀损伤分析
（一）、钢筋与混凝土之间的粘结是保证钢筋与混凝土两种材料共同工作的前提。

锈蚀后钢筋与混凝土的粘结性能有明显的退化，包括粘结强度、粘结刚度的退化，这种退化将严重影响结构的性能。

贾福萍等[2]在锈蚀钢筋与混凝土粘结性能退化机理试验结果与模拟分析结果表明，钢筋锈蚀将导致钢筋与混凝土之间的粘结性能退化，其退化原因如下：当混凝土中的钢筋锈蚀后，在钢筋与混凝土界面上生成疏松的锈层, 钢筋锈层体积膨胀导致钢筋与混凝土之间的接触表面状况改变，从而降低钢筋与混凝土之间的粘结作用，破坏钢筋表面与混凝土之间的化学胶着力，并降低了钢筋与混凝土之间的摩擦力；同时，钢筋锈层体积膨胀对钢筋周围混凝土产生径向膨胀力作用，当径向膨胀力达到混凝土抗拉强度时，混凝土开裂，混凝土开裂导致混凝土对钢筋的约束作用降低；对变形钢筋, 变形肋的锈损将降低钢筋与混凝土之间的机械咬合作用。

所有这些因素都将导致钢筋与混凝土之间的粘结性能退化。

1. 粘结性能的退化主要与钢筋的锈蚀率、钢筋直径和混凝土保护层厚度有关,详见金伟良[3]。

(1)随钢筋锈层厚度增加，钢筋锈胀力迅速增加，即锈蚀率对钢筋锈胀力影响很大；(2)铁锈体积膨胀率对钢筋锈胀力不大；(3)混凝土强度对钢筋锈胀力影响不大，但影响混凝土保护层胀裂时刻钢筋锈胀力终值的大小；(4)随混凝土保护层厚度的增加，钢筋锈胀力有较小的增加量，混凝土保护层厚度对钢筋锈胀力的影响也较小；(5)随钢筋直径的增加，钢筋锈胀力减小，钢筋直径对钢筋锈胀力的影响也较小，但钢筋直径对钢筋锈胀力的影响程度大于混凝土保护层厚度和混凝土等级的影响。

2. 钢筋的粘结性能退化模型
目前的粘结试验方法主要可以分为中心拔出试验和梁式或半梁式试验。

文[4,5]利用电化学快速锈蚀方法研究了锈蚀量对粘结强度的影响，文[6]中,用实际工程混凝土构件研究了锈胀裂缝与粘结强度的关系。

3. 钢筋粘结性能退化的表现
a.锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化主要表现在结构承载能力下降、延性下降。

由于锈蚀钢筋混凝土梁延性降低很大，梁破坏时的塑性性质明显降低，脆性性质明显增加。

b.锈蚀钢筋的力学性能退化主要表现在屈服强度下降和延伸率下降，退化原因是钢筋坑蚀引起的应力集中。

当钢筋平均锈蚀率小于5%时，由于坑蚀影响较小,退化影响不明显。

随
锈蚀率的增大,坑蚀逐渐明显,退化影响增大。

c.锈蚀钢筋的粘结性能退化主要表现在粘结应力与粘结剪切刚度下降。

性能退化主要由钢筋平均锈蚀率、钢筋直径和混凝土保护层厚度控制。

d.由于钢筋锈蚀的不均匀性,钢筋锈蚀程度用平均锈蚀率(钢筋铁锈蚀重量与钢筋原重量比)表示。

（二）、基本性能退化与结构性能退化关系
1.在钢筋屈服阶段,当锈蚀量较大时，钢筋力学性能的严重退化将影响钢筋混凝土梁的承载能力与延性。

2.当锈蚀量较小时，尽管粘结性能产生了退化，但还能够在钢筋与混凝土之间建立起足够的粘结应力，使钢筋强度得到充分的发挥,梁承载力的下降主要取决于钢筋强度的下降。

当锈蚀量较大时，粘结性能的退化已不能在钢筋与混凝土之间建立起足够的粘结应力，钢筋的强度不能得到充分的发挥，梁的承载能力下降主要受粘结性能的影响，而钢筋强度的退化不起控制作用。

3.在支座锚固区段，当锈蚀率较大情况下，钢筋粘结破坏将导致结构的破坏，形式从延性破坏变为脆性破坏。

（三）、锈蚀钢筋混凝土梁的破坏形态与钢筋的锈蚀程度的关系：
在钢筋锈蚀量较小、未出现锈胀裂缝时，梁基本完好，其受力裂缝与未锈蚀梁的裂缝分布特征一致，锈蚀梁的破坏形态与未锈蚀梁完全相同；
随着钢筋锈蚀量增加，出现了锈胀裂缝，由于钢筋和混凝土之间的粘结性能退化减弱了钢筋与混凝土的应力传递，梁在加载过程中受拉区垂直裂缝稀少，间距增大，分布更不均匀，接近支座处斜裂缝逐渐与沿受拉主筋方向的纵向裂缝连接。

此时若钢筋锈蚀并不十分严重，梁底部分布的若干裂缝随荷载增加，各裂缝都有一定的发展，到破坏时各裂缝均较明显。

但梁底部出现裂缝的荷载基本相同，即钢筋锈蚀率并不影响钢筋混凝土梁的开裂荷载；对钢筋严重锈蚀、粘结力几乎丧失的情况，梁底裂缝往往仅某一处发展，梁破坏时仅此处的裂缝很明显，钢筋不能充分发挥其强度与塑性性能，梁的破坏形态由适筋延性破坏转为钢筋粘结撕裂的脆性破坏；
当锚固区受拉主筋与箍筋严重锈蚀时，锈蚀梁可能发生钢筋锚固破坏。

四、钢筋锈蚀对承载力的影响
在锈蚀开裂前，依据平截面假定，考虑锈胀力引起钢筋周围混凝土双向应力状态，建立了锈蚀开裂前梁的承载力评估模型。

在锈蚀开裂后，由于钢筋与混凝土粘结损失较大，各截面钢筋与其位置处的混凝土应变不再相等，因此现行规范的梁的承载力计算公式不再适用。

采用无粘结预应力混凝土设计方法，建立了锈蚀开裂后梁的承载力评估模型。

吴瑾与吴胜兴在《锈蚀钢筋混凝土受弯构件承载力评估》中建立的模型：
图1 界面极限应力应变
图2 锈蚀开裂混凝土梁计算模型
)]2/(1[00y s S S f h A M σβσ−=
式中:Ａs ———锈蚀后钢筋面积；σs ———锈蚀后无粘结钢筋极限应力；ｆy ———钢筋锈蚀后钢筋屈服强度。

他们建立的锈蚀开裂前后梁的承载力评估模型与牛荻涛等[9]试验结果吻合较好，可用于锈蚀钢筋混凝土梁的承载力评估。

锈蚀梁承载力计算模型锈蚀梁承载力计算模式的建立是一个极为复杂的问题。

锈蚀钢筋混凝土梁承载力试验结果表明，钢筋锈蚀主要从力学性能与粘结性能退化两个方面影响梁的承载力，导致钢筋与混凝土不能很好地协同工作。

目前,在锈蚀梁承载力计算中，有关钢筋截面损伤与力学性能退化的考虑人们已经取得了共识，但粘结性能退化如何考虑，尤其是在承载力计算模式中如何处理是未能解决的难题。

限于目前的研究水平，从工程应用角度出发，立足于现行计算理论，牛荻涛等[10]提出实用的锈蚀梁承载力计算模型。

su M =)2/(01x h bx f k c s −α
b
f F A f x c yt s y 111α+= 式中, su M 为锈蚀梁抗弯承载力；11s y A f 为未锈钢筋的屈服拉力；Ｆyt 为锈蚀钢筋的屈服拉力；ｆc 为混凝土轴心抗压强度；α1为受压区混凝土矩形应力图所取应力与混凝土抗压强度设计值的比值；ｂ为截面宽度;ｈ0为截面有效高度；ｋs 称为协同工作系数，主要考虑粘结性能退化导致梁受力模式改变对承载力的影响。

五、研究现状和发展方向
（一）、现在国内外大多数钢筋锈蚀量及钢筋锈蚀速率的模型，是在试验室中实现的，而实际环境中的钢筋锈蚀，受到环境、受力状态等诸多因素的影响，是一个缓慢发展的过程。

因此,需要发展结构全生命周期内的钢筋。

（二）、混凝土中钢筋锈蚀会使构件的承载力下降、结构的性能劣化。

而结构性能的劣化是由化学及力学损伤等综合起来的一个过程，是荷载、环境、材料特性等因素共同作用的结果。

所以，需要将其他因素的作用共同反映到钢筋混凝土构件的强度衰减模型中。

（三）、到现在为止，对锈后钢筋混凝土的力学性能的研究由于受试验条件限制只是处于构件层次，因此需要大力发展现场检测和现场模型试验技术。

（四）、目前，对混凝土中钢筋锈蚀的研究多集中于混凝土构件中的纵筋，锈后钢筋混凝土构件的力学性能的研究亦多集中于正截面承载力的衰减，而许多试验及实际检测表明，混凝土中箍筋的锈蚀状况亦不容忽视，因此箍筋的力学性能的研究也是不容忽视的。

（五）、在钢筋混凝土结构锈蚀损伤后可靠度及剩余寿命评估研究方面，需要考虑结构抗力随时间降低的概率分析方法。

[1]梁发云，陈龙珠. 锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研究述评. 混凝土，2000，131(9)：52-54.
[2] 贾福萍，耿欧，乔志春. 锈蚀钢筋混凝土的粘结性能研究. 四川建筑科学研究，2001，27(3)：58-59.
[3] 金伟良，赵羽习，鄢飞. 钢筋混凝土构件的均匀钢筋锈胀力的机理研究. 水利学报，2005(7)：57-62.
[4] 张平生、卢梅、李晓燕. 锈损钢筋的力学性能. 工业建筑，1995，25(9)41-44.
[5] 张伟平. 混凝土结构的钢筋锈蚀损伤预测及其耐久性评估. 上海，同济大学，1999,11.
[6] 王林科等. 锈后钢筋混凝土粘结锚固的试验研究. 工业建筑，1996，26(4)：14-16.
[7] 袁迎曙，贾福萍，蔡 跃. 锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化模型. 土木工程学报，2001，34(3)：47-52.
[8] 吴 瑾，吴胜兴. 锈蚀钢筋混凝土受弯构件承载力评估. 河海大学学报，2004(5)：283- 286
[9] 牛荻涛，翟彬，王林科. 锈蚀钢筋混凝土梁的承载力分析. 建筑结构，1999，(8):23-25.
[10] 牛荻涛、卢梅、王庆霖. 锈蚀钢筋混凝土梁正截面受弯承载力计算方法研究. 建筑结构，2002，32(10)：14-17.。