二級(jí)注冊(cè)建筑師

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1 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用較廣的結(jié)構(gòu)形式之一。隨著建筑物的老化和環(huán)境污染的加重，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題越來越引起國(guó)內(nèi)外廣大研究者的關(guān)注。在第二屆國(guó)際混凝土耐久性會(huì)議上，Mehta教授指出："當(dāng)今世界混凝土破壞原因，按遞減順序是：鋼筋腐蝕、凍害、物理化學(xué)作用"。他明確地將"鋼筋腐蝕"排在影響混凝土耐久性因素的首位。而來自海洋環(huán)境的氯鹽和用于化冰雪的除冰鹽，又是造成鋼筋腐蝕的主要原因。美國(guó)1984年報(bào)道，僅就橋梁而言，57.5萬座鋼筋混凝土橋，一半以上出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，40%承載力不足和必須修復(fù)與加固處理，當(dāng)年的修復(fù)費(fèi)為54億美元;1988年報(bào)道，鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復(fù)費(fèi)，一年要2500億美元，其中橋梁修復(fù)費(fèi)為1550億美元(是這些橋初建費(fèi)用的4倍)。加拿大早期大量使用除冰鹽，使鋼筋混凝土橋梁等破壞嚴(yán)重。歐洲、澳大利亞、海灣國(guó)家等，都有以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞問題，其中英國(guó)修復(fù)費(fèi)為每年50億英鎊。韓國(guó)曾發(fā)生一系列建筑物破壞、倒塌事件，其中很多也與"鹽害"有關(guān)。在我國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多海港碼頭的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出現(xiàn)順筋銹脹開裂、剝落。北京、天津的許多立交橋，因?yàn)槔涮烊鳆}化冰雪也日益暴露出嚴(yán)重的鋼筋腐蝕問題，不得不斥巨資修復(fù)。

2 鋼筋的的腐蝕機(jī)理

鋼筋的腐蝕過程是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程。

混凝土孔隙中的水分通常以飽和的氫氧化鈣溶液形式存在，其中還含有一些氫氧化鈉和氫氧化鉀，PH值約為12.5。在這樣強(qiáng)堿性的環(huán)境中，鋼筋表面形成鈍化膜，它是厚度為20-60?的水化氧化物(nFe2O3·mH2O)，阻止鋼筋進(jìn)一步腐蝕。因此，施工質(zhì)量良好、沒有裂縫的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即使處在海洋環(huán)境中，鋼筋基本上也能不發(fā)生腐蝕。但是，當(dāng)由于各種原因，鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，成為活化態(tài)時(shí)，鋼筋就容易腐蝕。

呈活化態(tài)的鋼筋表面所進(jìn)行的腐蝕反應(yīng)的電化學(xué)機(jī)理是，當(dāng)鋼筋表面有水分存在時(shí)，就發(fā)生鐵電離的陽極反應(yīng)和溶解態(tài)氧還原的陰極反應(yīng)，相互以等速度進(jìn)行。其反應(yīng)式如下：

陽極反應(yīng)

Fe - 2e → Fe2+

陰極反應(yīng)

O2 + 2H2O + 4e → 4OH-

腐蝕過程的全反應(yīng)是陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的組合，在鋼筋表面析出氫氧化亞鐵，該化合物被溶解氧化后生成氫氧化鐵Fe(OH)3，并進(jìn)一步生成nFe2O3·mH2O(紅銹)，一部分氧化不完全的變成Fe3O4(黑銹)，在鋼筋表面形成銹層。紅銹體積可大到原來體積的四倍，黑銹體積可大到原來的二倍。鐵銹體積膨脹，對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生壓力，將使混凝土沿鋼筋方向開裂，進(jìn)而使保護(hù)層成片脫落，而裂縫及保護(hù)層的剝落又進(jìn)一步導(dǎo)致更劇烈的腐蝕。

3 受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能研究的現(xiàn)狀

3.1 研究方法

目前，對(duì)受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究方法主要是試驗(yàn)研究和有限元分析。試驗(yàn)研究中，腐蝕試件的模擬一是通過試驗(yàn)室試驗(yàn)，包括快速腐蝕試驗(yàn)(電化學(xué)腐蝕、加氯鹽腐蝕等)和鹽霧試驗(yàn);二是長(zhǎng)期自然暴露試驗(yàn);三是替換構(gòu)件法。有限元分析中，大多采用鋼筋混凝土非線性有限元方法對(duì)受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行非線性模擬。

電化學(xué)快速腐蝕試驗(yàn)通常是將試件浸入一定濃度的NaCl溶液中，用外部電源通以恒電流，混凝土中的鋼筋做陽極，不銹鋼做陰極，通過控制電流密度的大小和通電時(shí)間來控制鋼筋的腐蝕量。在混凝土中摻加氯鹽的快速腐蝕試驗(yàn)一般是在澆注混凝土試件時(shí)，在混凝土拌合物中加入一定比例的氯鹽(如CaCl2)，然后在自然條件下放置，或是施加一定大小的電流進(jìn)行加速腐蝕。鹽霧室中的腐蝕試驗(yàn)是用來模擬氯化物在混凝土試件中的滲透，一般將試件放置在一個(gè)密閉的鹽霧室中，鹽霧室上部的四個(gè)角部各有一個(gè)噴霧口，鹽霧室中還可以進(jìn)行干濕交替、溫度變化等。長(zhǎng)期自然暴露試驗(yàn)是將鋼筋混凝土試件放置在各種自然侵蝕環(huán)境，如大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、化工環(huán)境中，試驗(yàn)的周期較長(zhǎng)，但能夠較真實(shí)地反映實(shí)際情況。替換構(gòu)件法是對(duì)長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境下的、實(shí)際工程中的鋼筋混凝土構(gòu)件從工作現(xiàn)場(chǎng)拆下來，進(jìn)行各種力學(xué)性能試驗(yàn)。

自然腐蝕的復(fù)雜條件需要在試驗(yàn)室用簡(jiǎn)單但具有代表性的方法模擬，如何在試驗(yàn)室更好地模擬真實(shí)的腐蝕環(huán)境對(duì)構(gòu)件的作用，在較短的時(shí)間里達(dá)到結(jié)構(gòu)在一定時(shí)期后的腐蝕狀態(tài)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性非常重要。

3.2 受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的抗彎性能

鋼筋腐蝕通常會(huì)改變正常配筋混凝土梁的破壞類型，完好梁一般為彎曲破壞，而受腐蝕梁很多情況下為剪切破壞[4]。受腐蝕梁在鋼筋屈服前，受力裂縫不明顯，裂縫高度很低，一旦出現(xiàn)高度較高的明顯的受力裂縫，這時(shí)鋼筋已經(jīng)屈服，構(gòu)件即將破壞。有試驗(yàn)表明[11]，鋼筋腐蝕后，當(dāng)壓區(qū)腐蝕縱向裂縫寬度大于2mm時(shí)，在鋼筋剛剛屈服的上部混凝土?xí)霈F(xiàn)被壓碎的現(xiàn)象，破壞形態(tài)處于超筋梁和適筋梁的界限破壞狀態(tài)。而當(dāng)受拉鋼筋腐蝕量大到一定程度時(shí)，構(gòu)件會(huì)由適筋梁變?yōu)樯俳盍?。不管是出現(xiàn)超筋梁的破壞還是少筋梁的破壞，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)都是從有預(yù)兆的塑性破壞變?yōu)闊o預(yù)兆的脆性破壞。

隨著縱筋腐蝕量的增加，鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度和剛度都在下降。鋼筋腐蝕還增加了鋼筋混凝土梁在使用荷載下的撓度和裂縫寬度。受腐蝕梁的抗彎強(qiáng)度下降主要有以下原因：鋼筋腐蝕引起鋼筋截面積減小;鋼筋腐蝕引起鋼筋名義屈服強(qiáng)度(由屈服荷載除以公稱面積得到)減小;鋼筋腐蝕引起鋼筋和混凝土的粘結(jié)力下降，使得破壞區(qū)段內(nèi)混凝土和鋼筋的平均應(yīng)變大于正常構(gòu)件，不能充分地進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變重分布，而導(dǎo)致鋼筋與混凝土協(xié)同工作系數(shù)降低。只考慮腐蝕后鋼筋截面積減小的計(jì)算彎曲強(qiáng)度與相應(yīng)梁的試驗(yàn)彎曲強(qiáng)度差別較大，說明鋼筋和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度降低是受腐蝕梁抗彎強(qiáng)度降低的主要影響因素。由于粘結(jié)力降低使得構(gòu)件強(qiáng)度降低系數(shù)處于正常構(gòu)件和無粘結(jié)構(gòu)件之間。

對(duì)受腐蝕的壓彎構(gòu)件[11][14]，大偏壓構(gòu)件的橫向受力裂縫到達(dá)縱向腐蝕裂縫位置后不象正常構(gòu)件那樣有規(guī)律地向上發(fā)展，裂縫分布很不均勻，裂縫間距大于正常構(gòu)件，受力裂縫也相應(yīng)增大。隨著鋼筋腐蝕量增加，開裂荷載與極限荷載的比值略有增加，屈服荷載與極限荷載的比值比較接近，即受拉鋼筋達(dá)到屈服后受壓混凝土很快達(dá)到極限壓應(yīng)變，構(gòu)件破壞。說明受腐蝕構(gòu)件的延性明顯降低，脆性明顯增加。小偏壓受腐蝕構(gòu)件的承載力和剛度均有較大的降低，在同級(jí)荷載作用下的鋼筋和混凝土的應(yīng)變和側(cè)向撓度均明顯大于正常構(gòu)件，拉區(qū)混凝土裂縫發(fā)展不明顯，脆性也明顯增加。

3.3 受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的抗剪性能

由于混凝土構(gòu)件中箍筋位于縱筋外邊，其保護(hù)層總是比縱筋小，因此一般箍筋首先腐蝕，其腐蝕程度往往比縱筋嚴(yán)重，特別是在箍筋與縱筋交接處。而箍筋不僅直接影響鋼筋混凝土構(gòu)件的抗剪性能，而且受腐蝕的箍筋不能有效地約束混凝土，從而對(duì)構(gòu)件的承載力有間接影響。

目前，對(duì)受腐蝕混凝土構(gòu)件斜截面的研究并不多見。文獻(xiàn)[4]指出箍筋的局部腐蝕與梁的損傷有很大關(guān)系，因而影響承載能力。文獻(xiàn)[5]對(duì)暴露鋼筋的混凝土梁的剪切強(qiáng)度進(jìn)行了研究。

3.4 受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋和混凝土的粘結(jié)性能

受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件性能劣化的一個(gè)主要原因就是粘結(jié)性能的退化。有些環(huán)境下鋼筋的腐蝕不是均勻腐蝕，而是局部腐蝕，對(duì)鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能影響更大。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)腐蝕構(gòu)件的粘結(jié)性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。一般采用拔出試件和梁試件[7][8]，也有用鋼筋刻痕來模擬坑蝕[9]，還有用暴露的鋼筋來模擬粘結(jié)破壞[5][6]。

在模擬鋼筋表面局部腐蝕的拔出試驗(yàn)中，極限粘結(jié)強(qiáng)度在鋼筋腐蝕達(dá)到某一個(gè)程度(試驗(yàn)給出值是1%[8])之前有所增加，但隨著腐蝕進(jìn)一步增加，極限粘結(jié)強(qiáng)度不斷降低直到可以忽略不計(jì)。在模擬鋼筋表面相對(duì)均勻腐蝕的梁試驗(yàn)中，極限粘結(jié)強(qiáng)度也在鋼筋腐蝕達(dá)到某一個(gè)程度(試驗(yàn)給出值是0.5%[8])之前有所增加，而后隨著腐蝕量的增加而降低，但降低得非常緩慢。兩種試驗(yàn)都顯示自由端的滑移值隨著縱向裂縫的開展而迅速降低，表明鋼筋約束突然喪失，標(biāo)志著粘結(jié)破壞發(fā)生的臨界滑移量受鋼筋表面狀況和約束程度的極大影響。

極限粘結(jié)強(qiáng)度在鋼筋腐蝕初期的增加，可以解釋為腐蝕所引起的體積膨脹使鋼筋和混凝土之間的握裹力增加，從而使鋼筋和混凝土間的粘結(jié)力不但沒有下降反而有所上升。然而，在鋼筋腐蝕后期開裂階段隨著腐蝕量的增加，特別是在局部腐蝕情況下，粘結(jié)性能將會(huì)受到鋼筋肋嚴(yán)重退化、鋼筋表面片狀腐蝕、金屬滑移及縱向裂縫加寬造成混凝土約束作用降低等因素的影響，從而降低。

粘結(jié)性能退化的機(jī)理是：1、鋼筋的腐蝕產(chǎn)物是一層結(jié)構(gòu)疏松的氧化物，在鋼筋與混凝土之間形成一層疏松隔離層，明顯地改變了鋼筋與混凝土的接觸表面，從而降低了鋼筋與混凝土之間的粘接作用。2、鋼筋的腐蝕產(chǎn)物比被腐蝕的鋼材占據(jù)更大的體積，從而對(duì)包圍在鋼筋周圍的混凝土產(chǎn)生徑向膨脹力，當(dāng)徑向膨脹力達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)引起混凝土開裂?；炷灵_裂導(dǎo)致混凝土對(duì)鋼筋的約束作用減弱?；炷灵_裂時(shí)的鋼筋腐蝕量與鋼筋直徑、保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋種類和鋼筋位置等因素有關(guān)[12]。3、變形鋼筋腐蝕后，鋼筋變形肋將

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