銹蝕鋼筋與混凝土

1、銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能1引言自鋼筋混凝土發(fā)明以來，由于其良好的性能故而在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的 應(yīng)用。但由于鋼筋混凝土耐久性不足導(dǎo)致了很多嚴(yán)重的問題，這些問題日益引起 人們的重視。影響鋼筋混凝土耐久性最主要的因素便是鋼筋的銹蝕。此外，它還 對(duì)鋼筋混凝土的粘結(jié)性能有著很大的影響。本文在查閱大量前人研究成果的基礎(chǔ) 上，對(duì)銹蝕變形鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能的影響進(jìn)行了總結(jié)和回報(bào)，加強(qiáng)對(duì)銹蝕 鋼筋與混凝土的認(rèn)識(shí)。2從化學(xué)角度來闡述鋼筋銹蝕機(jī)理由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕過程從本質(zhì)上說是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，更準(zhǔn)確的 說是電化學(xué)反應(yīng)，所以從化學(xué)的角度闡述鋼筋銹蝕的機(jī)理。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中使用的鋼材主要成分

2、是鐵(Fe)，還有如C、S、Ti、Si、Mn 等元素。自然界中，高純度的單質(zhì)鐵極易發(fā)生銹蝕。新鮮的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中， 鋼筋不易發(fā)生銹蝕。原因是混凝土孔隙水溶液含有Ca(OH)2,呈高堿性(pH可達(dá) 14左右)，使得在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜以Fe3O4為主、并含有Si-O鍵 的黑色氧化膜，即鈍化膜(Passive Film)。它能有效防止鋼筋的銹蝕。但當(dāng)pH11.5 時(shí)，即混凝土空隙水溶液堿性降低時(shí)，鈍化膜開始變不穩(wěn)定。當(dāng)pH9.88時(shí)，鈍 化膜生成困難或者已生成的逐漸破壞，從而導(dǎo)致鋼筋的銹蝕。造成混凝土孔隙水溶液pH值降低的原因有三種：一是混凝土的中性化，主要是碳化；二 是Cl-的滲透，

3、Cl-對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)腐蝕性。目前，常用含有Cl-的早強(qiáng)劑、除冰劑，還 有富含大量氯離子的海砂的不當(dāng)使用；三是雜散電流的影響。鋼筋銹蝕的反應(yīng)式如下式所示：陽極反應(yīng)：Fe - 2e Fe2+陰極反應(yīng)：O2+ 2H2O+ 4e 4OH-陽極繼續(xù)發(fā)生二次化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式如下式所示：Fe2+ 2OH- Fe(OH)2l4Fe(OH)2+ O2+ 2H2O 4Fe(OH)3；在氧氣和水的存在的情況下，鋼筋表面的鐵原子變成離子溶于水中，從而在鋼 筋表面形成紅色鐵銹，嚴(yán)重時(shí)鐵銹將引起混凝土開裂。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役期間，氯離子的侵蝕作用對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用最為顯著， 鋼筋表面的Cl-和OH-爭(zhēng)奪銹蝕產(chǎn)生的F

4、e2+，形成FeCl24H2O，F(xiàn)eCl2-4H2O從 鋼筋陽極向含氧量較高的混凝土孔隙遷徙，分解為Fe(OH)2。Fe(OH)2沉積在陽 極周圍，同時(shí)放出H+和Cl-，它們又回到陽極區(qū)，使陽極區(qū)附近的孔隙液局部酸 化，Cl-再帶出更多的Fe2+。這樣，氯離子雖然不構(gòu)成腐蝕產(chǎn)物，在腐蝕中也不 消耗，但有助于生成腐蝕的中間產(chǎn)物，對(duì)腐蝕起到催化作用。其反應(yīng)式如下式所 示：Fe2+ 2Cl-+ 4H2O FeCl2.4H2OFeCl24H2O Fe(OH)2l+ 2C1-+ 2H+ 2H2O如果在鋼筋表面存在大量高濃度的氯離子，則引起的腐蝕為均勻腐蝕，但是在 混凝土中常見的是局部腐蝕。首先在鋼筋表面

5、上某個(gè)點(diǎn)發(fā)生銹蝕，成為小陽極， 鋼筋表面大部分的鈍化膜成為大陰極。這種特定的由大陰極和小陽極組成腐蝕電 池，由于大陰極供氧充足，小陽極的鐵迅速反應(yīng)，點(diǎn)蝕變?yōu)榱丝游g，小陽極局部 酸化，同時(shí)在大陰極發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生OH-使pH值增大，這樣一直反應(yīng)下去，銹蝕 將越來越嚴(yán)重。3鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)機(jī)理從化學(xué)角度看，鋼筋混凝土屬于混合材料。但二者卻表現(xiàn)出近似單一材料的性 質(zhì)。其中的原因有二：一是二者有著相同的線膨脹系數(shù)；二是二者之間有足夠的 粘結(jié)強(qiáng)度，能夠抵抗切應(yīng)力(即粘結(jié)應(yīng)力)，此力是由于鋼筋和混凝土相對(duì)滑移 而產(chǎn)生。后者是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重要特征。鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用主要有以下三方面：化學(xué)黏著力。此

6、力產(chǎn)生的部位是在鋼筋與混凝土的接觸表面上，產(chǎn)生的來源 是水泥砂漿漿體對(duì)鋼筋的表面氧化層的的滲透。此外還有水泥晶體在水化過程的 生長(zhǎng)和硬化。這些力量一般來說都是比較小的，只有在受力時(shí)的局部無滑移區(qū)才 會(huì)起到作用。鋼筋受力后產(chǎn)生大變形，一旦發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)時(shí)便立即消失；摩阻力。此力隨著混凝土硬化收縮握緊鋼筋時(shí)而產(chǎn)生。隨著時(shí)間的流逝，混 凝土?xí)不湛s，便會(huì)對(duì)鋼筋產(chǎn)生一種垂直于摩擦面的壓應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生摩阻。 從力的本質(zhì)上講這是一種靜摩擦力，與垂直于摩擦面的壓應(yīng)力成正比例關(guān)系。此 壓應(yīng)力越大、摩擦面越粗糙，摩阻力便越大；機(jī)械咬合力。此力發(fā)生在凹凸不平的鋼筋表面和混凝土之間。第方面是 光圓鋼筋的粘結(jié)機(jī)理；第

7、方面是變形鋼筋與混凝土的粘結(jié)機(jī)理，其中第 方面是占主要的。變形鋼筋表面有著凹凸不平的肋，這些肋與混凝土之間的機(jī)械 咬合作用，改變了鋼筋與混凝土之間的相互作用的方式，有效并顯著的提高了粘 結(jié)強(qiáng)度。4粘結(jié)應(yīng)力粘結(jié)應(yīng)力通常分為錨固粘結(jié)應(yīng)力和裂縫附近的局部粘結(jié)應(yīng)力兩類。錨固粘結(jié)應(yīng)力：例如梁的鋼筋伸入支座，必須有足夠的錨固長(zhǎng)度，通過這段 長(zhǎng)度上粘結(jié)力的積累，才能使鋼筋中建立起所需發(fā)揮的拉力。裂縫附近的局部粘結(jié)應(yīng)力：這是一種局部粘結(jié)應(yīng)力，它是指在開裂構(gòu)件量測(cè)， 鋼筋與混凝土接觸面上的與鋼筋拉應(yīng)力方向相反的粘結(jié)應(yīng)力。5國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)，1960年初，首先開展這方面的研究是南京水利科學(xué)研究院。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的

8、袁迎曙對(duì)銹蝕鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行了研究，結(jié)果表明梁的破 壞形態(tài)向脆性破壞發(fā)展嚴(yán)重影響，同時(shí)也說明銹蝕鋼筋混凝土對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的可靠 度和使用期限有很大的危害。清華大學(xué)的劉西拉、苗澎柯首次站在理論的角度對(duì)鋼筋銹蝕進(jìn)行了定量的分 析，并提出一種可以預(yù)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)使用時(shí)間長(zhǎng)短的方法。但是僅把鋼筋的銹蝕作 為唯一因素，這點(diǎn)是不足的，不能完全反映實(shí)際情況。最后聲稱定量計(jì)算建筑結(jié) 構(gòu)的耐久性是可能的。西安建筑科技大學(xué)的牛荻濤等基于金屬銹蝕的電化學(xué)原理，提出了一鋼筋蝕量 的預(yù)測(cè)模型。此模型適用于一般大氣環(huán)境下，能較為貼近實(shí)際案例。陜西建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院的潘振華等通過粘結(jié)破壞壓出試驗(yàn)，分析了鋼筋類 型、鋼筋直徑、鋼

9、筋與混凝土的相對(duì)位置、保護(hù)層厚度和混凝土強(qiáng)度對(duì)鋼筋銹蝕 率與極限粘結(jié)強(qiáng)度本構(gòu)關(guān)系的影響，指出前四者是主要因素，混凝土強(qiáng)度對(duì)其影 響則不是很大。試件沒有在壓出端設(shè)置套管以形成非粘結(jié)段，使靠近壓出端的鋼 筋粘結(jié)應(yīng)力過大，從而造成誤差。之前很多學(xué)者常對(duì)鋼筋施加均勻的內(nèi)力和變形來模擬，但實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)中鋼 筋的銹蝕是不均勻的。對(duì)此寧夏大學(xué)的張國(guó)學(xué)等提出一個(gè)熱膨脹模型，來對(duì)銹蝕 鋼筋和混凝土間的粘結(jié)力進(jìn)行有限單元模擬，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差無幾，很 好的改變了這一點(diǎn)。浙江大學(xué)的金偉良等以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，定性的指出了鋼筋銹蝕率對(duì)鋼筋銹 脹力影響較大;混凝土立方體抗壓強(qiáng)度對(duì)其影響較小;保護(hù)層厚度對(duì)其影響較小

10、； 在影響程度上，鋼筋直徑保護(hù)層厚度混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。浙江大學(xué)的趙羽習(xí)通過對(duì)不同銹蝕率的光圓鋼筋試件和變形鋼筋試件進(jìn)行快 速通電銹蝕、粘結(jié)拉拔試驗(yàn)，提出了銹蝕鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系。由 于鋼筋未內(nèi)貼應(yīng)變片，所以此本構(gòu)關(guān)系只是局部的粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系。同濟(jì)大學(xué)的李方元通過高強(qiáng)砼與變形鋼筋的拉拔試驗(yàn)，總結(jié)出高強(qiáng)砼和普通 砼與鋼筋粘結(jié)性能的區(qū)別，并分析產(chǎn)生這些區(qū)別的原因。深圳大學(xué)的邢鋒研究了混凝土細(xì)骨料中Cl-的擴(kuò)散機(jī)理，指出Cl-從砂表面向水泥 凝膠逐漸擴(kuò)散的。時(shí)為安徽理工大學(xué)的吳慶等通過使用兩種不同銹蝕方法（人工氣候、通電銹 蝕）進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在人工氣候環(huán)境下，鋼筋銹蝕沿鋼筋徑向剖面是

11、不均勻 的，且銹蝕產(chǎn)物呈紅褐色，這與實(shí)際情況是比較接近的；相比之下，恒電流通電 的鋼筋銹蝕產(chǎn)物呈黑色；前者比后者能更好的貼近實(shí)際情況。但是人工氣候環(huán)境 的制造對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件要求較高，而恒電流通電的要求較低，成本也低，時(shí)間也最 快，所以目前為止，學(xué)者們還是常用后者來對(duì)鋼筋進(jìn)行銹蝕。時(shí)為江蘇科技大學(xué)的吳慶、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的袁迎曙采用人工氣候環(huán)境模擬和 恒電流的方法對(duì)試件進(jìn)行加速銹蝕，對(duì)56根銹蝕鋼筋的力學(xué)性能退化規(guī)律進(jìn)行 了研究；從中發(fā)現(xiàn)兩種不同的銹蝕方法對(duì)鋼筋銹蝕性能退化有一定影響，當(dāng)銹蝕 率增大時(shí)，這種影響會(huì)變得明顯。6小結(jié)前人已經(jīng)在銹蝕鋼筋與混凝土的粘結(jié)性上面做了大量的試驗(yàn)，有了相對(duì)成熟的 理論

12、，但很多試驗(yàn)?zāi)M與實(shí)際情況存在一定的差距，對(duì)實(shí)際分析還有一定的不確 定性，所以在以后的實(shí)踐中可以通過模擬環(huán)境的真實(shí)性提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)梁發(fā)云，陳龍珠.銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能研究述評(píng)J.混凝土，2000,(9): 52-54.袁迎曙，余索.銹蝕鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)性能退化J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1997, 18(4): 51-57.劉西拉，苗澎柯.混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕及其耐久性計(jì)算J.土木工程學(xué)報(bào),1990, 23(4): 69-78.牛荻濤，王慶霖,王林科.銹蝕開裂前混凝土中鋼筋銹蝕量的預(yù)測(cè)模型J,工業(yè)建筑,199626(4): 8-10.潘振華，牛荻濤,王慶霖.銹蝕率與極限粘結(jié)強(qiáng)度關(guān)系的試驗(yàn)研究J,工業(yè)建筑,2000, 30(5): 10-12.張國(guó)學(xué)，宋建夏,劉曉航.鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)力的影響J,工業(yè)建筑.2000, 30(2): 37-39.金偉良，趙羽習(xí)，鄢飛.鋼筋混凝土構(gòu)件的均勻鋼筋銹脹力的機(jī)理研究J.水利學(xué)報(bào)， 2001, (7): 57-62.趙羽習(xí)，金偉良.銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究J.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2002, 36(4): 352-356.李方元，趙人達(dá).不同混凝土基體與變形鋼筋的粘結(jié)滑移特性J.工業(yè)建筑