受腐蚀钢筋混凝土结构性能的研究

1引言
钢筋混凝土结构是目前广泛应用的结构形式之一。随着建筑的老化和环境污染的加剧，钢筋混凝土结构的耐久性越来越受到国内外研究者的关注。在第二届国际混凝土耐久性会议上，Mehta教授指出:“当今世界混凝土破坏的原因依次为钢筋腐蚀、冻害和物理化学作用”。他明确将“钢筋腐蚀”列为影响混凝土耐久性的第一因素。来自海洋环境的氯盐和用于融化冰雪的融雪剂是钢筋腐蚀的主要原因。美国1984年报道，在57.5万座钢筋混凝土桥梁中，超过一半被腐蚀，40%的桥梁承载力不足，必须进行维修和加固。当年的维修费用是54亿美元。1988年，据报道，每年修复腐蚀钢筋混凝土的费用为2500亿美元，其中修复桥梁的费用为1550亿美元(是这些桥梁最初建造费用的4倍)。加拿大早期使用除冰盐对钢筋混凝土桥梁造成了严重破坏。欧洲、澳大利亚、海湾国家等。都存在主要由氯盐引起的钢筋腐蚀损坏问题，其中英国每年的修复费用为50亿英镑。韩国发生了一系列的建筑损坏和倒塌事件，其中很多也与“盐损”有关。在我国，发现许多海港码头的混凝土梁板在不到10年的时间里，就出现了腐蚀、膨胀、开裂和沿钢筋剥离的现象。北京和天津的许多立交桥越来越多地暴露在寒冷天气下盐融化冰雪对钢筋的严重腐蚀之下，因此他们不得不花费巨资进行修复。

2钢筋的腐蚀机理
钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。
混凝土孔隙中的水通常以饱和氢氧化钙溶液的形式存在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾，PH值约为12.5。在这样的强碱性环境下，20-60厚的钝化膜？水合氧化物(nFe2O3 mH2O)防止钢筋进一步腐蚀。因此，在施工质量好、无裂缝的钢筋混凝土结构中，即使在海洋环境中，钢筋也基本可以避免腐蚀。但由于各种原因，当钢筋表面的钝化膜被破坏而变得活跃时，钢筋就容易被腐蚀。
活化钢筋表面腐蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水时，会发生离子电离的阳极反应和溶解氧还原的阴极反应，这两个反应以相同的速度进行。反应式如下:
阳极反应
Fe-2e → Fe2+
阴极反应
O2+2H2O+4e → 4OH-
腐蚀过程中的总反应是阳极反应和阴极反应的结合，氢氧化亚铁在钢筋表面析出。化合物溶解氧化生成氢氧化铁Fe(OH)3，进一步生成nFe2O3 mH2O(红锈)，一部分不完全氧化为Fe3O4(黑锈)，在钢筋表面形成锈层。红锈的体积可以是原来的4倍，黑锈的体积可以是原来的2倍。铁锈的体积膨胀会对周围的混凝土产生压力，使混凝土沿钢筋方向开裂，然后保护层成片脱落，保护层的开裂和剥落会进一步导致更严重的腐蚀。

3锈蚀钢筋混凝土结构性能的研究现状

3.1研究方法
目前，锈蚀钢筋混凝土结构的研究方法主要是试验研究和有限元分析。在研究中，首先通过实验室试验模拟腐蚀试件，包括快速腐蚀试验(电化学腐蚀、氯盐腐蚀等。)和盐雾试验；二、长期自然暴露试验；第三种是替换组件法。在有限元分析中，钢筋混凝土非线性有限元法主要用于模拟锈蚀钢筋混凝土构件。
电化学快速腐蚀试验中，通常将试件浸泡在一定浓度的NaCl溶液中，外加电源施加恒定电流。混凝土中的钢筋作为阳极，不锈钢作为阴极，通过控制电流密度和通电时间来控制钢筋的腐蚀量。混凝土中加入氯盐的快速腐蚀试验一般是在浇筑混凝土试件时，在混凝土拌合物中加入一定比例的氯盐(如CaCl2)，然后放置在自然条件下，或施加一定的电流加速腐蚀。盐雾室腐蚀试验用于模拟混凝土试件中氯离子的渗透。通常，将样品放置在封闭的盐雾室中，在盐雾室上部的四个角落各有一个喷雾口。盐雾室也可以干湿交替，可以改变温度。长期自然暴露试验是将钢筋混凝土试件置于各种自然侵蚀环境中，如大气环境、海洋环境、化学环境等。测试周期长，但能真实反映实际情况。构件更换法是将长期处于腐蚀环境中的钢筋混凝土构件从工作现场拆除，并进行各种力学性能试验。
自然腐蚀的复杂条件需要在实验室中用简单但有代表性的方法来模拟。如何在实验室中更好地模拟真实腐蚀环境对构件的影响，在短时间内获得结构经过一定时间后的腐蚀状态，对于测试结果的可靠性至关重要。

3.2锈蚀钢筋混凝土构件的抗弯性能
钢筋锈蚀通常会改变正常钢筋混凝土梁的破坏类型，完好梁一般为弯曲破坏，而锈蚀梁很多情况下为剪切破坏[4]。钢筋屈服前，锈蚀梁的应力裂缝不明显，裂缝高度很低。一旦出现高度明显的应力裂缝，钢筋已经屈服，构件即将破坏。试验表明结论
虽然目前国内外对锈蚀钢筋混凝土结构的性能进行了一定的研究，但对不同锈蚀条件下的钢筋混凝土受弯构件、大小偏心受压构件、钢筋与混凝土的粘结试件进行了试验，并进行了一定的有限元分析，得出的结论是:随着钢筋锈蚀程度的增加，构件的承载力和变形性能都会有不同程度的降低。但是对锈蚀钢筋混凝土结构的抗剪性能和动力性能的研究还很少，尤其是对锈蚀钢筋混凝土结构的疲劳性能的研究几乎是空白。建议今后在这些方面加强。，当钢筋锈蚀后，咬入区纵向裂缝宽度大于2mm时，混凝土将在钢筋刚刚屈服的上部发生压溃，破坏模式为超筋梁与适筋梁的边界破坏状态。但当受拉钢筋锈蚀达到一定程度时，构件会从配筋合适的梁变为配筋少的梁。无论超筋梁还是欠筋梁的破坏，结构的破坏模式都是从有预警的塑性破坏转变为无预警的脆性破坏。
随着纵向钢筋锈蚀的增加，钢筋混凝土梁的强度和刚度都在下降。钢筋锈蚀还会增加使用荷载下钢筋混凝土梁的挠度和裂缝宽度。锈蚀梁的抗弯强度降低主要是由于以下原因:钢筋锈蚀导致钢筋截面积减小；钢筋腐蚀导致钢筋的标称屈服强度(通过屈服载荷除以标称面积获得)降低；钢筋锈蚀导致钢筋与混凝土之间的粘结力降低，使混凝土和钢筋在受损截面的平均应变大于正常构件，应力和应变不能充分重新分布，导致钢筋与混凝土的协同工作系数降低。仅考虑锈蚀钢筋截面积减小的计算抗弯强度与相应梁的试验抗弯强度相差较大，表明钢筋与混凝土之间粘结强度的降低是锈蚀梁抗弯强度降低的主要影响因素。由于粘结力的降低，构件的强度折减系数介于普通构件和无粘结构件之间。
对于受腐蚀的受弯构件[11][14]，当大偏差构件的横向应力裂缝到达纵向腐蚀裂缝的位置时，并不像正常构件那样有规律地发展起来，裂缝分布很不均匀。裂缝间距比正常构件大，应力裂缝也相应增加。随着钢筋锈蚀程度的增加，开裂荷载与极限荷载之比略有增加，屈服荷载与极限荷载之比接近，即受拉钢筋达到屈服后，受压混凝土很快达到极限压应变，构件发生破坏。结果表明，锈蚀构件的延性明显降低，脆性明显增加。受腐蚀构件在小偏心压力下的承载力和刚度大大降低。在相同荷载下，钢筋和混凝土的应变和侧向挠度明显大于正截面构件。受拉区混凝土裂缝不明显发展，脆性明显增加。

3.3锈蚀钢筋混凝土构件的抗剪性能
由于混凝土构件中的箍筋位于纵筋之外，其保护层总是小于纵筋的保护层，所以一般箍筋最先被锈蚀，其锈蚀程度往往比纵筋严重，尤其是在箍筋与纵筋的连接处。然而，箍筋不仅直接影响钢筋混凝土构件的受剪性能，而且锈蚀的箍筋不能有效约束混凝土，从而间接影响构件的承载力。
目前，对锈蚀混凝土构件斜截面的研究很少。参考文献[4]指出箍筋局部锈蚀与梁的损伤密切相关，从而影响承载力。参考文献[5]研究了钢筋外露的混凝土梁的抗剪强度。

3.4锈蚀钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土的粘结性能
锈蚀钢筋混凝土构件性能劣化的主要原因之一是粘结性能的退化。在某些环境下，钢筋的腐蚀不是均匀腐蚀，而是局部腐蚀，对钢筋与混凝土的粘结性能影响较大。
国内外研究人员对受腐蚀构件的粘结性能做了大量的试验研究。一般采用拔出试件和梁试件[7][8]，钢筋刻痕也用于模拟点蚀3.5服役荷载下锈蚀钢筋混凝土结构的性能
实际上，所有的钢筋混凝土构件都处于工作状态，而构件在受力状态下的锈蚀与无荷载状态下的锈蚀有很大的不同，其各方面的性能也发生了很大的变化。荷载对锈蚀钢筋混凝土构件的影响是多方面的。加载历史和加载水平对腐蚀的发生和发展有明显的影响[2][4]，影响混凝土中钢筋的腐蚀量，进而通过强度或刚度的损失影响钢筋混凝土构件的适用性。
预压和连续加载对腐蚀的影响相似[4]。在相同暴露条件下，载荷水平的增加缩短了腐蚀时间。当荷载水平较高时，试件将较早腐蚀，通常是因为混凝土在加载过程中开裂。使水、氯离子等腐蚀性介质容易渗入钢筋表面，加速钢筋腐蚀。
与低预载水平的试样相比，高预载水平的试样对腐蚀发展的影响更大。但这种影响在腐蚀初期并不明显，到后期就变得明显了。原因是，在腐蚀后的初始阶段，由于腐蚀产物的填充作用，预压引起的混凝土微裂缝可能减少甚至闭合，减少了腐蚀介质的进一步渗透，从而降低了腐蚀速率。建议的临界裂缝约为0.1~0.3mm[4]，低于此值的裂缝一般不影响钢筋的腐蚀过程。与预加载相似，持续荷载水平越高的试件腐蚀越严重，这是由于混凝土中裂缝的数量和尺寸增加。与预加载情况不同，在持续荷载作用下，大部分混凝土裂缝在整个腐蚀过程中持续张开。因此，持续加载对腐蚀发展有更严重的影响。在相同荷载水平下，连续受载构件的腐蚀程度高于预载构件。
高荷载水平还会增加钢筋混凝土构件的初始和长期挠度。，外露钢筋用于模拟粘结破坏[5][6]。
在模拟钢筋表面局部锈蚀的拉拔试验中，在钢筋锈蚀达到一定程度(试验值为1%[8])之前，极限粘结强度有所上升，但随着锈蚀的进一步增加，极限粘结强度下降直至可以忽略。在模拟钢筋表面相对均匀腐蚀的梁试验中，极限粘结强度也是在钢筋腐蚀达到一定程度之前(试验给出的值为0.5%[8])开始增大，之后随着腐蚀量的增大而减小，但减小的速度非常缓慢。两次试验都表明，随着纵向裂缝的发展，自由端滑移值迅速减小，表明钢筋的约束突然丧失，表明粘结破坏的临界滑移值受钢筋表面状况和约束程度的影响很大。
钢筋锈蚀初期极限粘结强度的增加可以解释为锈蚀引起的体积膨胀增加了钢筋与混凝土之间的粘结力，使得钢筋与混凝土之间的粘结力不减反增。但随着钢筋锈蚀开裂后期锈蚀量的增加，特别是局部锈蚀的情况下，粘结性能会受到钢筋肋严重劣化、钢筋表面片状锈蚀、金属滑移、纵向裂缝加宽等因素的影响，导致混凝土约束性降低，从而降低。
粘接性能的劣化机理如下:1 .钢筋的腐蚀产物是一层结构疏松的氧化物，在钢筋与混凝土之间形成一层疏松的隔离层，明显改变了钢筋与混凝土的接触面，从而降低了钢筋与混凝土的粘结效果。2.钢筋的腐蚀产物比被腐蚀的钢筋占据更大的体积，从而对钢筋周围的混凝土产生径向膨胀力。当径向膨胀力达到一定程度时，就会引起混凝土开裂。混凝土开裂削弱了混凝土对钢筋的约束。混凝土开裂时，钢筋的锈蚀与钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、钢筋类型、钢筋位置等因素有关。3.变形钢筋腐蚀后，钢筋的变形肋会逐渐劣化。在腐蚀严重的情况下，变形钢筋与混凝土之间的机械咬合基本消失。

[9]

3.6锈蚀钢筋混凝土结构的动力性能
钢筋的截面尺寸、表面状况以及钢筋与混凝土之间的粘结都因锈蚀而发生了变化，锈蚀对钢筋混凝土结构动力性能(如疲劳性能、抗震性能)的不利影响会更加严重。1999年广州海印大桥突发断缆事故被认为是车辆疲劳荷载和钢筋腐蚀的结果。然而，在我国腐蚀环境中服役多年的钢筋混凝土结构也存在着抗震性能下降的隐患。
目前，国内外对锈蚀钢筋混凝土构件动力性能的研究很少。日本对受弯构件的恢复力性能进行了试验研究[9]。Xi建筑科技大学对超压受弯构件的恢复力性能进行了试验研究[13]。大连理工大学正在进行锈蚀钢筋混凝土构件抗震性能和疲劳性能的试验研究和有限元分析。
现有试验表明，钢筋混凝土构件的滞回曲线饱满度和滞回圈面积随着钢筋锈蚀的增加而逐渐减小，表明构件的耗能能力和延性降低。同时，由于钢筋锈蚀程度的不均匀性，滞回曲线明显不对称。从骨架曲线来看，锈蚀严重的构件承载力和刚度下降很多，达到极限荷载后，直线段变短，延性降低。因此，钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件在反复水平荷载作用下的恢复力有很大影响，在抗震设计中应予以考虑，以确保结构在地震作用下的安全性。

[11]

[12]