混凝土中钢筋锈蚀机理分析及预警系统研究

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：随着混凝土中钢筋锈蚀的不断发生和发展，混凝土与钢筋的交界面出现锈迹，同时由于锈蚀产物体积膨胀钢筋周围的混凝土产生受拉应力，即锈胀力。因此，钢筋与混凝土之间的黏结作用将随钢筋锈蚀的加剧而发生退化。混凝土中钢筋的锈蚀机理钢筋的锈蚀过程是一个电化学反应过程。试验结果表明，钢筋锈蚀后，极限伸长率有明显的下降。

钢筋锈蚀主要从两个方面影响构件的承载力。一是混凝土截面损伤和钢筋截面损失与力学性能退化，二是锈蚀引起的钢筋与混凝土之间黏结性能退化，导致钢筋与混凝土不能很好地协同工作。

随着混凝土中钢筋锈蚀的不断发生和发展，混凝土与钢筋的交界面出现锈迹，同时由于锈蚀产物体积膨胀钢筋周围的混凝土产生受拉应力，即锈胀力。锈蚀产物体积膨胀使得钢筋对周围混凝土产生环向拉应力。当钢筋锈蚀达到一定量时，环向应力大于混凝土的抗拉强度，则会沿混凝土顺筋方向产生锈胀裂缝，混凝土保护层开始开裂，随着锈蚀程度的加剧，裂缝会向表面扩展，最后贯通保护层，直至钢筋混凝土保护层剥落。破坏严重的会影响结构或构件的正常使用。钢筋锈蚀后的力学性能，国内外已有较多的研究，钢筋锈蚀将会引起钢筋力学性能的变化，主要体现在屈服强度、极限强度、极限延伸率方面。钢筋锈蚀除了引起钢筋力学性能下降之外，还体现在锈蚀膨胀使混凝土产生顺筋开裂甚至剥落，握裹力下降，黏结性能降低。进而使结构承载力下降或失效而发生事故。钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件的影响主要表现在三个方面：对钢筋而言，将减小其截面面积，使钢筋力学性能发生改变，且由于钢筋锈蚀产物的体积膨胀使构件混凝土保护层纵向开裂，甚至剥落，导致混凝土有效面积减小；对混凝土而言，受拉区混凝土面积的减少，使参与受拉的混凝土减小和纵向受拉钢筋中的应力变得均匀受压区混凝土的减少，使受压区有效受压高度减少；对钢筋与混凝土之间的黏结作用，由于钢筋锈蚀后，在钢筋与混凝土的界面上生成疏松的锈蚀层降低了钢筋与混凝土之间的机械咬合力；此外，混凝土保护层的开裂甚至剥落，也降低了外围混凝土对钢筋的约束作用。因此，钢筋与混凝土之间的黏结作用将随钢筋锈蚀的加剧而发生退化。相应地，锈蚀钢筋混凝土构件的性能也将发生变化。

（1）混凝土中钢筋的锈蚀机理

呈活化态的钢筋表面所进行的锈蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生如下的化学反应：

阳极反应

阴极反应

锈蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋的表面析出Fe（OH）2，其反应式为：

该化合物被溶解氧化后生成Fe（OH）3，进一步生成n Fe2O3+mH2O（红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），在钢筋的表面形成锈层。龚洛书、柳春圃［67］的研究发现：红锈体积可大到原来体积的4倍，黑锈体积可大到原来体积的2倍。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂，进而使保护层脱落，而裂缝及保护层的脱落又进一步导致更剧烈的锈蚀。

（2）锈蚀钢筋混凝土构件的受力性能分析

混凝土耐久性研究的目的是为设计、施工和维修中的工程决策提供依据，而耐久性基础理论的研究是达到这一目的的前提，锈蚀钢筋混凝土构件承载能力的研究是钢筋混凝土结构耐久性基础理论研究的关键。钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土构件性能退化的主要原因，钢筋混凝土结构的龄期与钢筋锈蚀程度之间的关系，如图7-4所示。图中“t0”段为结构龄期的前期，从构件混凝土浇筑到构件中钢筋开始锈蚀时止；“t1”段为结构龄期的中期，从钢筋开始锈蚀到构件混凝土保护层开始胀裂时止；“t2”段为结构龄期的后期，从混凝土保护层开始胀裂到钢筋锈蚀达不容许程度时止；“t3”段为结构龄期的晚期，从钢筋锈蚀达不容许程度到构件不能安全使用时止。

钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件的影响主要表现在三个方面。首先，钢筋力学性能发生改变，由于钢筋锈蚀产物的体积膨胀使构件混凝土保护层纵向开裂，甚至剥落，导致混凝土有效面积减小，使受拉区有效受压高度减少且纵向受拉钢筋中的应力变得均匀。其次，由于钢筋锈蚀后，在钢筋与混凝土的界面上生成疏松的锈蚀层降低了钢筋与混凝土之间的机械咬合力，使钢筋与混凝土之间的黏结作用降低。最后，混凝土保护层的开裂甚至剥落，也降低了外围混凝土对钢筋的约束作用。因此，钢筋与混凝土之间的黏结作用将随钢筋锈蚀的加剧而发生退化。相应地，锈蚀钢筋混凝土构件的性能也将发生变化。

图7-4　钢筋锈蚀的发展过程［46］

a.锈蚀钢筋的力学性能。

钢筋锈蚀不仅造成钢筋截面损失，而且导致钢筋力学性能退化。大量试验结果表明，钢筋的屈服强度、极限抗拉强度及延伸率随钢筋锈蚀程度增大而降低。当锈蚀率较小时，锈蚀钢筋仍有明显的屈服台阶，当锈蚀率较大时，屈服台阶已基本丧失，锈蚀钢筋的极限强度与屈服强度之比非常接近，且均呈降低趋势。因此钢筋锈蚀以后，不仅钢筋的强度降低，其塑性性能也下降，可能导致结构从有预兆的塑性破坏向脆性破坏转化。钢筋的伸长率是表征钢筋内在质量的一个重要指标，它的变化会引起结构构件工作性能的改变。试验结果表明，钢筋锈蚀后，极限伸长率有明显的下降。随着锈蚀量的增加，钢筋的伸长率下降很快。这主要是因为钢筋的不均匀锈蚀造成的截面局部削弱，在应力作用下钢筋的最薄弱部位首先达到屈服，随着荷载的增加，在其余部位尚未充分变形时，该部位已过早的达到抗拉强度而断裂，故钢筋的伸长率降低。锈蚀率越大，这种局部削弱的效应也就越显著，钢筋伸长率降低得也越大。

锈蚀对钢筋性能的影响的研究方法有锈蚀钢筋的力学性能试验及定性分析锈蚀钢筋的力学试验，并在试验基础上给出描述锈蚀钢筋力学性能变化的回归公式。1990年Maslehuddin等［68］将6组不同大小、不同成分的钢筋在大气中暴露16个月，研究了锈后钢筋的力学性能。他们指出，锈蚀对钢筋屈服强度和极限强度影响很小。而Almusallam［69］运用快速锈蚀方法使埋置于混凝土中的钢筋锈蚀并对其力学性能进行了研究，指出锈蚀钢筋的强度延性均随钢筋锈蚀量的增加而降低。张平生、卢梅、李晓燕［70］取87根Ⅰ级光面钢筋，41根5号钢试件，45根Ⅱ级钢试件，对锈损钢筋的力学性能进行了研究。他们指出，钢筋的名义屈服强度降低的原因与钢筋有效截面面积的减少和受力后严重的应力集中有关，从而给出了考虑这两种因素影响的锈蚀钢筋的名义屈服强度标准值的回归公式。惠云铃、林志伸、李荣［71］结合中国建筑科学研究院在1983年、1994年、1995年的锈蚀钢筋试验及西安建筑科技大学的部分试验分析了锈蚀钢筋力学性能的变化规律，给出了锈蚀钢筋的极限伸长率、屈服强度、抗拉强度与钢筋锈蚀程度的关系式。袁迎曙、贾福萍、蔡跃［72］对锈蚀钢筋试件的研究，基于试验结果建立了锈蚀钢筋的名义屈服强度、名义极限强度和延伸率与重量损失率关系的公式，并通过有限元方法对钢筋锈蚀后的力学性能退化机理进行分析。杨淑慧［73］对不同产地的热轧HPB235、HRB335、HRB400级钢筋、螺旋肋钢筋、冷肋扭钢筋、冷轧带肋钢筋和钢绞线等七种钢筋受腐蚀后的力学性能进行了研究，分析了不同品种的钢筋受腐蚀后应力一应变曲线的变化，并结合试验结果建立了锈蚀钢筋屈服强度与锈蚀率之间的关系表达式。王军强［74］从已使用多年的钢筋混凝土构件中取出根从轻微锈蚀到严重锈蚀的钢筋作为试件，探讨了在大气环境下因混凝土碳化而引起钢筋锈蚀时锈蚀钢筋力学性能的退化特征，并给出了锈损钢筋力学性能退化与钢筋锈蚀率的基本关系。

b.钢筋锈蚀对黏结性能的影响。

钢筋混凝土结构是一种复合材料结构，钢筋与混凝土两种材料共同作用的基础，在于它们之间具有足够的黏结强度，使得钢筋与混凝土之间可以有效地传递应力并协调变形。因此，锈蚀钢筋与混凝土间黏结性能的退化是关系到钢筋混凝土构件能否正常工作的关键，并决定着锈蚀钢筋混凝土构件的受力性能。

钢筋与混凝土之间的黏结力由以下三部分组成：水泥胶体与钢筋的化学胶合钢筋与混凝土之间的摩擦力；钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合力；变形钢筋表面突出部分对混凝土的挤压力。在产生滑移之后，胶合力破坏，光圆钢筋的黏结强度主要取决于摩擦力和机械咬合力，而变形钢筋主要为钢筋表面横肋与混凝土的机械咬合力。当混凝土中的钢筋锈蚀后，在钢筋与混凝土接口上生成疏松的锈层，破坏钢筋表面与混凝土之间的化学胶合力，并降低了钢筋与混凝土之间的摩擦力。对变形钢筋，横肋的锈损将降低钢筋与混凝土之间的机械咬合力。保护层混凝土锈胀开裂甚至剥落，则降低外围混凝土对钢筋的约束，所有这些因素都将导致钢筋与混凝土之间的黏结性能退化。反映黏结性能的两大指标是黏结强度及黏结滑移量。钢筋与混凝土之间的黏结力是通过钢筋表面与混凝土接触面发生的，与钢筋表面状况、混凝土强度、保护层厚度等因素有关。黏结滑移是反映黏结性能的重要指标，它表示钢筋与混凝土之间相对位移的大小。黏结强度与黏结滑移两者之间的关系τ-S曲线与σ-ε曲线具有同样重要的意义，是非线性分析中有关假定的理论基础。

对锈蚀钢筋与混凝土间黏结性能的研究方法有试验研究建立模型进行理论分析有限元方法。目前，对锈蚀钢筋与混凝土间黏结性能的研究，绝大部分为试验研究。锈蚀试件获取主要有三种途径自然暴露试验；快速锈蚀试验；从实际工程中拆下的锈蚀构件。自然暴露试验虽可较好的模拟真实环境，但试验时间长，难以进行研究；快速锈蚀试验速度快，可在较短时间内达到预期的锈蚀深度，但其锈蚀形态与真实环境中的锈蚀构件有区别；现场拆除构件由于费用较高，难度较大，且构件损伤的影响因素不确定，难以开展大量的试验。相应于以上的三种途径，通常采用拔出试件和拉伸试件两种类型的试件。国外也有部分学者通过建立模型进行理论分析研究，Molina，Alonso和Andrade［75］提出的钢筋周围因锈蚀引起的混凝土中总裂缝宽度与钢筋锈蚀深度之间的关系式，建立了钢筋表面处压力与钢筋锈蚀深度的表达式，再由钢筋表面处压力与黏结应力之间的关系，可确定锈蚀钢筋与混凝土间黏结应力与锈蚀深度的关系式。

对于钢筋混凝土构件，钢筋和混凝土能共同工作的基础是二者之间具有足够的黏结强度。很显然，对于一根钢筋和混凝土之间没有黏结的钢筋混凝土梁，受荷之后钢筋与混凝土之间不产生阻止相对滑移的相互作用力。对于锈蚀钢筋混凝土构件，钢筋的锈蚀与混凝土沿纵筋的开裂必然对混凝土构件的黏结性能产生影响。当钢筋锈蚀后，由于二者之间的黏结性能退化，从而导致钢筋与混凝土的协同工作能力下降，最终使得构件的承载力也相应下降。因此，锈蚀钢筋混凝土构件承载力的变化可以通过对钢筋与混凝土之间协同工作性能的分析来实现，只有准确分析了钢筋与混凝土的协同工作能力，才能更好地分析锈蚀构件的承载力变化情况。

c.混凝土锈胀开裂及裂缝扩展。

在混凝土保护层锈胀开裂前阶段是钢筋内锈蚀产物扩散过程。当钢筋表面钝化膜被破坏后，外界水、氧气通过混凝土表面渗透到钢筋表面，在满足一定条件作用下钢筋开始锈蚀，锈蚀产物在钢筋与混凝土之间堆积，混凝土与钢筋之间存在孔隙［76］［77］，锈蚀产物产生初期首先填充混凝土与钢筋之间的孔隙，随钢筋锈蚀发展，锈蚀产物在填充完孔隙之后开始在钢筋与混凝土之间累积。由于钢筋锈蚀产物体积较锈前钢筋体积膨胀增大约2～4倍，锈蚀产物在钢筋与混凝土之间挤压压缩，并随锈蚀发展不断增长对周围混凝土与钢筋产生挤压力，即锈胀力。钢筋锈胀过程如图7-5所示。当钢筋锈胀力不断增大时，钢筋周围混凝土不断承受锈蚀压力，当锈胀力达到周围混凝土抗拉强度时，钢筋周围混凝土出现微裂缝，并渐渐向外围混凝土扩展。

图7-5　混凝土中钢筋锈胀过程

在混凝土锈胀裂缝扩展至锈胀破坏阶段时，混凝土锈胀开裂后，外界侵蚀物质通过已有锈胀裂缝路径进入钢筋表面，混凝土锈蚀速度加快，相应的钢筋锈胀裂缝扩展速度增大，混凝土与钢筋的抗弯、黏结性能衰减加速，耐久性寿命降低。锈蚀裂缝开展规律为当混凝土中钢筋之间间距较大时，钢筋裂缝通常沿保护层顺筋方向，当钢筋间距较小时，且保护层厚度较小，锈蚀产生裂缝会贯穿两钢筋之间，比如常见混凝土楼板出现的保护层脱落等现象。

d.锈蚀钢筋对混凝土构件承载能力的影响

锈蚀的钢筋、开裂的混凝土保护层、锈蚀钢筋与混凝土间黏结性能的退化都将导致钢筋混凝土构件受力性能的变化，使构件承载力降低，破坏模式发生变化。钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件承载力的影响如图7-6所示。

图7-6　钢筋锈蚀对构件承载力的影响

由于钢筋锈蚀后钢筋和混凝土的一些性能发生变化，如混凝土保护层锈胀开裂、钢筋有效截面减少、钢筋锈胀力作用等原因，钢筋混凝土构件承载力对整个结构造成一定的影响。

研究锈后钢筋混凝土承载力方法可以分为有限元分析和试验研究［78］-［80］，试验研究锈蚀试件梁、板，有的通过长期自然暴露试验获得，有的通过加速锈蚀试验获得，也有通过实际工程中拆除的构件获得。大量构件承载力试验结果显示影响受弯构件承载力的因素为：钢筋截面积减少、钢筋屈服强度降低、混凝土与钢筋黏结性能退化。受弯构件承载力变化随钢筋锈蚀发展情况变化而变，当锈蚀率较小时，一般为2%时，锈前锈后承载力没有明显变化，而且由于小程度锈蚀，钢筋混凝土黏结强度有所提高［81］，即对承载力有提高作用；当锈蚀率大于10%时，混凝土保护层脱落，钢筋与混凝土的黏结性能退化很大，相应锈胀裂缝扩展较大，受弯构件破坏形式转变为以黏结破坏、少筋破坏、锚固滑移为主要形式。对于轴心受压构件，锈蚀构件的损伤分为钢筋损伤、混凝土损伤，即锈蚀对构件影响的主要因素有：钢筋截面减少、屈服强度降低、混凝土截面几何损伤。另外锈蚀对混凝土受弯构件的变形、刚度的影响［82］［83］主要是由于随锈蚀发展，钢筋截面锈损、钢筋与混凝土黏结退化，受弯构件挠度会略有增大。

混凝土中钢筋锈蚀机理分析及预警系统研究

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