鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)影響研究

郝昌言，周小姿，周清勇

（1. 上饒市國控水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江西 上饒，334001；2. 江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029）

0 引 言

水利工程的功能性質(zhì)決定著其工作環(huán)境十分復(fù)雜，當(dāng)鋼筋混凝土材料長期處于浸泡或干濕交替環(huán)境時，鋼筋的銹蝕現(xiàn)象不可避免。隨著鋼筋銹蝕程度不斷發(fā)展，鋼筋混凝土材料耐久性將不斷降低，工程結(jié)構(gòu)的承載能力及其工作性能勢必受到影響，嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)失效破壞發(fā)生不可預(yù)估的災(zāi)害，對當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全帶來巨大隱患，因此水利工程中的鋼筋銹蝕問題不容忽視。

在以往大量的理論及試驗研究中，可將鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土材料的影響分為對材料力學(xué)性能的影響、對材料粘結(jié)滑移性能的影響和銹脹作用三個方面，同時學(xué)者們對鋼筋銹蝕產(chǎn)生的各類問題進(jìn)行了歸納分析[1-3]，取得了眾多成果。但多數(shù)研究成果對于各因素之間的耦合效應(yīng)考慮不足，這也是未來水工混凝土結(jié)構(gòu)針對鋼筋銹蝕產(chǎn)生老化問題的重要研究方向。本文從多角度詳細(xì)闡述了鋼筋銹蝕機(jī)理和鋼筋銹蝕對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響，以期為鋼筋銹蝕方向的研究提供參考。

1 鋼筋銹蝕機(jī)理

鋼筋產(chǎn)生銹蝕的主要原因是鋼筋外表面鈍化膜破壞導(dǎo)致的電化學(xué)反應(yīng)[4]?；炷劣不^程中由于水泥水化會形成Ca（OH）2，結(jié)合其它鹽堿性物質(zhì)，鋼筋包裹其中會被氧化形成一層穩(wěn)定、致密的水化氧化膜γ-Fe2O3·nH2O，厚度約為2～6nm，其使得鋼筋即使在有氧氣和水分的環(huán)境下也會處于鈍化狀態(tài)而不被銹蝕，因此被稱為“鈍化膜”。鈍化膜破壞的主要原因有兩類：當(dāng)混凝土發(fā)生碳化效應(yīng)后，混凝土孔溶液中的Ca（OH）2含量降低致使pH 值持續(xù)下降，當(dāng)pH 值下降至11.5時，鈍化膜逐漸失穩(wěn)，當(dāng)pH 值下降至9～10 時，鈍化膜將發(fā)生破壞，此時鋼筋處于脫鈍狀態(tài)并發(fā)生銹蝕；當(dāng)混凝土中摻入了含氯外加劑或是環(huán)境中氯離子侵入混凝土，此時混凝土孔溶液中氯離子過高導(dǎo)致其置換出鋼筋鈍化膜中的氧離子，在膜內(nèi)層形成易溶解的FeCl2，使鈍化膜溶解并在鋼筋表層產(chǎn)生銹坑。

脫鈍后的鋼筋銹蝕是一個典型的電化學(xué)過程，當(dāng)鋼筋表面存在一定的電位差構(gòu)成腐蝕電池，并存在氯離子擴(kuò)散所需的氧氣與水時，即會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。其具體過程主要包括以下四步：

電位差使陽極區(qū)鐵原子離開晶格變?yōu)楸砻嫖皆覨e2+，并釋放出電子：

隨后電子進(jìn)入傳輸過程沿鋼筋至陰極區(qū)，在陰極區(qū)與氧氣和水發(fā)生還原反應(yīng)：

還原反應(yīng)生成氫離子，與陽極區(qū)Fe2+發(fā)生反應(yīng)得到Fe（OH）2，并在富氧條件下反應(yīng)生成Fe（OH）3：

隨后當(dāng)Fe（OH）3發(fā)生脫水反應(yīng)變?yōu)槎嗫资杷傻募t銹Fe2O3，在缺氧條件下氧化不完全的紅銹將有部分變?yōu)楹阡PFe3O4：

鋼筋銹蝕的影響因素眾多，由上述可知，除去自身材料品質(zhì)的影響，最主要的影響因素還是環(huán)境中的溫度、濕度、pH 值和氯離子濃度等。

2 鋼筋銹蝕對材料力學(xué)性能的影響

鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土材料力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)為鋼筋強(qiáng)度的降低以及鋼筋延性減弱，鋼筋銹蝕后表面將形成分布不均且大小不一的銹坑，改變鋼筋的有效持力面積，從而影響其整體受力狀態(tài)，同時隨著銹蝕程度的不斷加深，鋼筋強(qiáng)度與變形能力也將持續(xù)下降。當(dāng)前關(guān)于銹蝕引起鋼筋力學(xué)參數(shù)變化趨勢的研究成果基本一致，眾多學(xué)者的研究均顯示鋼筋銹蝕后其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與未銹蝕階段存在較大區(qū)別，其中曲線屈服平臺段的長度與鋼筋銹蝕程度呈反比，同時屈服段將變得平緩甚至消失[5，6]。

鋼筋銹蝕率與鋼筋基本力學(xué)參數(shù)的關(guān)系也是學(xué)者們關(guān)心的重點[7]，當(dāng)前研究成果所得銹蝕后鋼筋力學(xué)參數(shù)的變化趨勢基本一致，但對于室內(nèi)試驗而言，由于試件來源和試驗環(huán)境不同，加上試驗方法及其它客觀因素綜合而成的原因造成定量結(jié)果存在一定的離散性，差異較大而尚未出現(xiàn)較為統(tǒng)一的結(jié)論。在銹蝕率問題的定性上則較為明確，我國標(biāo)準(zhǔn)《CECS220：2007 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》[8]中將銹蝕率5%作為模型的界限，認(rèn)為當(dāng)鋼筋銹蝕率達(dá)到5%時，構(gòu)件已經(jīng)屬于嚴(yán)重銹損構(gòu)件，在文獻(xiàn)[7]中的試驗成果中也驗證了這一點，其通過人工模擬氣候環(huán)境來加速鋼筋銹蝕的情況下，發(fā)現(xiàn)當(dāng)銹蝕率達(dá)到5%時鋼筋力學(xué)性能變化速率出現(xiàn)拐點，鋼筋的名義極限強(qiáng)度和名義屈服強(qiáng)度將急劇下降，而彈模下降的速率則趨于平緩，因此也將銹蝕率為5%作為模型的界限，并給出相應(yīng)關(guān)系式：

式中，Eu,c為銹蝕鋼筋的名義彈性模量，GPa；fy,c為銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度，MPa；fu,c為銹蝕鋼筋的名義極限強(qiáng)度，MPa；δs,c為銹蝕鋼筋的伸長率；εy,c為銹蝕鋼筋的極限應(yīng)變；Eu0為未銹蝕鋼筋的彈性模量，GPa；fy0為未銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度，MPa；fu0為未銹蝕鋼筋的極限強(qiáng)度，MPa；δs0為未銹蝕鋼筋的伸長率；εy0為未銹蝕鋼筋的極限應(yīng)變。

3 鋼筋銹蝕對材料粘結(jié)滑移性能的影響

鋼筋銹蝕后銹蝕表面產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物將在材料的膠結(jié)部位形成新的粘結(jié)界面，該粘結(jié)界面上的力學(xué)性能受混凝土強(qiáng)度、混凝土保護(hù)層厚度以及鋼筋銹蝕物厚度等多個因素的影響[9]。在銹蝕開始階段，銹蝕產(chǎn)物雖會破壞鋼筋與混凝土之間的化學(xué)膠著力，但輕微銹脹將增大兩者的機(jī)械咬合力，同時銹蝕產(chǎn)物與混凝土之間的摩擦系數(shù)也會增大，此時鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度略有提升；而銹蝕逐步加深后，增強(qiáng)的銹脹力將破壞混凝土保護(hù)層，此時鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合力將下降，同時逐步稀疏的銹蝕產(chǎn)物與混凝土之間的摩擦系數(shù)也將降低，這些因素綜合后使得粘結(jié)強(qiáng)度隨銹蝕率增大而不斷退化。文獻(xiàn)[1]結(jié)合試驗擬合鋼筋混凝土粘結(jié)滑移性能與銹蝕產(chǎn)物厚度、保護(hù)層厚度和抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，并建立了相應(yīng)的計算公式：

式中，τcu為鋼筋銹蝕后材料極限粘結(jié)強(qiáng)度，kPa；βu為材料極限粘結(jié)強(qiáng)度折減系數(shù)；τou為材料原始極限粘結(jié)強(qiáng)度，kPa；K1為鋼筋銹蝕產(chǎn)物厚度t 的影響參數(shù)；K2為相對保護(hù)層厚度c/d 的影響參數(shù)；K3為混凝土抗拉強(qiáng)度的影響參數(shù)。

根據(jù)其試驗擬合，可得：

式中，t 可根據(jù)《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51355-2019）[10]中式5.2.1 求得。

鋼筋銹蝕后的鋼筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度將會出現(xiàn)折減，文獻(xiàn)[11]根據(jù)滕智明試驗結(jié)果回歸擬合了折減系數(shù)相關(guān)公式：

式中，ρ 為鋼筋銹蝕率；β 為銹后鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)。

4 鋼筋銹蝕引起的銹脹作用

如上所述，鋼筋銹蝕后將在銹蝕表面產(chǎn)生一層零碎的銹蝕產(chǎn)物，銹蝕產(chǎn)物松散的特性決定其所形成的粘結(jié)界面體積將大于所銹蝕鋼筋部分的體積，因此將形成擠壓混凝土保護(hù)層的銹脹作用，而銹脹作用的過程中存在很多成果是試驗無法獲取的，例如混凝土應(yīng)力分布狀態(tài)和裂縫潛在發(fā)展路徑等。因此目前關(guān)于銹脹作用的研究多集中于有限元數(shù)值仿真，當(dāng)前學(xué)者模擬銹脹作用的主要方式有三類：施加徑向力、施加徑向位移和設(shè)置溫度膨脹環(huán)。目前施加徑向位移的方法相對而言使用較為廣泛，其計算時邊界條件與荷載施加均較其它兩種方法更為便捷[12]，而無論采用何種方法模擬，均需要充分考慮鋼筋銹蝕非均勻的基本特性，即實際工程中鋼筋毗鄰保護(hù)層的一側(cè)總是先發(fā)生銹蝕，而鋼筋內(nèi)側(cè)表面銹蝕速度則遠(yuǎn)低于該側(cè)。

式中，u1是外側(cè)最大位移，mm，u2是內(nèi)側(cè)最小位移，mm，θ 為各部位與x 軸的夾角°。

圖1 非角區(qū)鋼筋周圍徑向位移分布

圖2 角區(qū)鋼筋周圍徑向位移分布

5 算例分析

本文建立梁試件的三維有限元模型，如圖3 所示，模型尺寸為100mm×160mm×500mm，共80 693個結(jié)點，73 920個單元。將鋼筋布設(shè)用與鋼筋截面相對應(yīng)的孔洞模擬，由于本算例僅用于對比分析，因此僅考慮底部受拉鋼筋的銹脹作用。

充分考慮鋼筋銹蝕對材料的影響，分析梁試件在銹脹作用下的變化。如圖3 至圖5 所示，鋼筋銹脹作用下，混凝土角區(qū)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在銹脹較為嚴(yán)重時還會出現(xiàn)不同程度的損傷，與未考慮銹脹作用存在明顯的區(qū)別。

圖3 梁試件銹脹作用下位移分布圖

圖4 梁試件銹脹作用下主拉應(yīng)力分布圖

圖5 梁試件銹脹作用下?lián)p傷分布圖

6 結(jié) 語

本文主要針對水工混凝土結(jié)構(gòu)無法規(guī)避的鋼筋銹蝕問題，從鋼筋銹蝕機(jī)理和鋼筋銹蝕對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響兩個方面進(jìn)行了歸納描述，重點分析了鋼筋銹蝕對材料力學(xué)性能的影響、鋼筋銹蝕對材料粘結(jié)滑移性能的影響和鋼筋銹蝕引起的銹脹作用，并確定鋼筋銹蝕各影響因素之間的耦合效應(yīng)是未來水工混凝土結(jié)構(gòu)針對鋼筋銹蝕產(chǎn)生的老化問題的重要研究方向，未來將在這方面進(jìn)行深入研究。