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