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淺談鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土橋梁耐久性的影響
論文摘要:鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的最主要和最直接因素，也是混凝土橋梁耐久性破壞的主要形式之一。本文從銹蝕機(jī)理、影響因素和影響后果等方面進(jìn)行了綜述性討論。
鋼筋銹蝕是一個(gè)比較普遍、并且嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全的耐久性問(wèn)題。它在影響結(jié)構(gòu)物耐久性因素中，占據(jù)主導(dǎo)地位。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)每年均花費(fèi)巨資用于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性修復(fù)，其中鋼筋銹蝕占有相當(dāng)大的比例。我國(guó)也有相當(dāng)數(shù)量的鋼筋混凝土橋梁相繼進(jìn)入老化期，鋼筋銹蝕的研究和防治顯得非常重要。
鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的最主要和最直接因素，也是混凝土橋梁耐久性破壞的主要形式之一。鋼筋銹蝕對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞分為三個(gè)時(shí)期：前期是鋼筋表面局部銹蝕出現(xiàn)銹斑、銹片等；中期是鋼筋整個(gè)表面銹蝕，并產(chǎn)生膨脹，與保護(hù)層脫離，發(fā)生層裂；后期表現(xiàn)為鋼筋鐵銹進(jìn)一步膨脹，混凝土本身發(fā)生破壞，出現(xiàn)順筋脹裂，混凝土脫離，直至鋼筋不斷銹蝕，有效截面不斷減小，橋梁結(jié)構(gòu)承載力不斷下降，鋼筋混凝土構(gòu)件喪失基本承載能力。
一、鋼筋混凝土橋梁中鋼筋銹蝕機(jī)理
正常情況下，由于初始混凝土的高堿性，鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)力筋表面形成一層致密的鈍化膜，使其處于鈍化狀態(tài)。但隨著環(huán)境介質(zhì)的侵入，鈍化膜逐漸遭到破壞，從而導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。
力筋發(fā)生銹蝕需要三大基本要素：
（一）力筋表面鈍化膜的破壞；
�。ǘ┏渥阊醯墓⿷�(yīng)；
�。ㄈ┻m宜的濕度（RH＝60～80％）。
三個(gè)要素缺一不可，第一要素為誘發(fā)條件，而腐蝕速度則取決于氧氣及水分的供應(yīng)。
鋼筋的銹蝕一般為電化學(xué)銹蝕。發(fā)生電化學(xué)銹蝕必須具備3個(gè)條件：
1、在鋼筋表面形成電位差；
2、在陰極部位鋼筋表面存在足夠的氧氣和水；
3、在陽(yáng)極區(qū)，使陽(yáng)極部位的鋼筋表面處于活化狀態(tài)，即鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞。
在氧氣和水的共同作用下，鋼筋表面不斷失去電子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，逐漸被銹蝕，在鋼筋表面生成紅銹，引起混凝土開(kāi)裂。
對(duì)于鋼筋混凝土橋梁，在一般環(huán)境條件下，鋼筋的銹蝕通常由兩種作用引起：一種是混凝土碳化作用；一種是氯離子的侵蝕。二氧化碳和氯離子對(duì)混凝土本身都沒(méi)有嚴(yán)重的破壞作用，但是這兩種環(huán)境物質(zhì)都是混凝土中鋼筋鈍化膜破壞的最重要又最常遇到的環(huán)境介質(zhì)：混凝土碳化使混凝土孔隙溶液中的Ca(OH)2含量逐漸減少，PH值逐漸下降，鈍化膜逐漸變得不再穩(wěn)定以至于完全被破壞，使鋼筋處于脫鈍狀態(tài)；周圍環(huán)境中的氯離子從混凝土表面逐漸滲入到混凝土內(nèi)部，當(dāng)?shù)竭_(dá)鋼筋表面的混凝土孔溶液中的游離氯離子濃度超過(guò)一定值（臨界濃度）時(shí)，即使混凝土堿度再高，pH值大于11.5值，Cl-也能破壞鈍化膜，從而使鋼筋發(fā)生銹蝕。氯鹽引起鋼筋銹蝕的發(fā)展速度很快，遠(yuǎn)比碳化銹蝕嚴(yán)重，這種情況常發(fā)生在近�；蚝Ｑ蟓h(huán)境以及冬季經(jīng)常使用除冰鹽的環(huán)境。
二、 影響鋼筋混凝土橋梁鋼筋銹蝕的主要因素
�。ㄒ唬┗炷恋谋Ｗo(hù)層厚度及完好程度和混凝土的密實(shí)度
這三個(gè)方面都與侵蝕性介質(zhì)的侵蝕速度有關(guān)，保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋銹蝕的影響呈線性關(guān)系，因此世界各國(guó)規(guī)范對(duì)保護(hù)層厚度都作了規(guī)定。我國(guó)新修訂的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)鋼筋的最小保護(hù)層厚度規(guī)定中，隨著使用環(huán)境條件的劣化，混凝土保護(hù)層厚度也在增加�；炷恋拿軐�(shí)度影響著混凝土的滲透性，滲透性高的混凝土更容易發(fā)生銹蝕。
（二）混凝土的碳化程度
混凝土的碳化降低了混凝土的堿度，造成PH值降低，給鋼筋脫鈍提供了可能。鋼筋的失重率與混凝土的碳化深度差不多呈線性關(guān)系，由此混凝土的碳化程度對(duì)鋼筋銹蝕有重大影響。
�。ㄈ┉h(huán)境條件
環(huán)境對(duì)鋼筋銹蝕的影響主要有以下幾個(gè)方面：溫度、濕度、二氧化碳的濃度、氧氣的濃度以及侵蝕性介質(zhì)的濃度。對(duì)于鋼筋混凝土橋梁來(lái)說(shuō)，影響最大的是濕度，當(dāng)橋梁處在濕度較大的環(huán)境下，尤其是水位浮動(dòng)的橋墩部位和浪濺區(qū)，最容易發(fā)生銹蝕。
�。ㄋ模┞入x子的影響
氯化物是一種很危險(xiǎn)的侵蝕介質(zhì)，但是在我國(guó)北方地區(qū)，為保證冬季交通暢行，向道路、橋梁及城市立交橋等撒除冰鹽，大量使用的氯化鈉和氯化鈣，使得氯離子滲入混凝土，引起鋼筋銹蝕破壞。
北方地區(qū)許多的工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，大量地使用除冰鹽是影響鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因之一。根據(jù)國(guó)外的相關(guān)研究報(bào)道，使用除冰鹽的橋梁結(jié)構(gòu)一般在5~10年就開(kāi)始腐蝕破損造成鋼筋銹蝕，混凝土脹裂。由于到目前為止，還沒(méi)有找到能夠完全替代除冰鹽的除冰方法，除冰鹽仍將繼續(xù)使用。因此采取針對(duì)除冰鹽的防腐蝕措施是十分重要的。
三、鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土橋梁耐久性的影響
鋼筋銹蝕的直接結(jié)果是鋼筋的截面積減少，不均勻銹蝕導(dǎo)致鋼筋表面凹凸不平，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使鋼筋的力學(xué)性能退化，如強(qiáng)度降低、脆性增大、延性變差，導(dǎo)致構(gòu)件承載力降低。
（一）銹蝕后鋼筋的力學(xué)性能
銹蝕鋼筋抗力的降低直接影響服役結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載能力，嚴(yán)重時(shí)可能造成結(jié)構(gòu)提前失效甚至倒塌。沿鋼筋長(zhǎng)度發(fā)生均勻銹蝕時(shí)，鋼筋的失重率近似等于鋼筋的截面面積損失率，鋼筋所能抵抗的極限拉力的降低與鋼筋截面面積銹損率基本成正比，此時(shí)，可以簡(jiǎn)單地用銹損鋼筋的實(shí)際截面面積乘以未銹鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度獲得銹蝕鋼筋的極限抗拉能力。
但是，由于混凝土材料的不均勻性、使用環(huán)境的不穩(wěn)定性、鋼筋各部位受力程度的不同等因素，實(shí)際上混凝土中的鋼筋銹蝕很少有均勻銹蝕的情況，通常鋼筋截面面積損失率大于重量損失率，而且隨著鋼筋銹蝕的發(fā)展，銹蝕的不均勻性和離散性增大，重量損失率與截面面積損失率的差異也越大。因此，鋼筋極限抗拉能力的下降，除鋼筋截面的銹損、有效截面面積減小外，還有一個(gè)因素：銹損鋼筋的表面凹凸不平，受力以后缺口處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度降低；且銹損越嚴(yán)重，應(yīng)力集中引起的強(qiáng)度降低越多。
（二）鋼筋銹蝕后對(duì)鋼筋與混凝土協(xié)同工作性能的影響
鋼筋銹蝕后，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固性能降低。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，銹蝕鋼筋混凝土主梁抗彎承載力試驗(yàn)值小于只考慮銹蝕后鋼筋截面積減小、屈服強(qiáng)度降低計(jì)算得到的抗彎承載力值,說(shuō)明鋼筋和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度降低也是銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力降低的主要影響因素之一。因此，對(duì)受拉鋼筋必須乘以協(xié)同工作系數(shù)，以考慮粘結(jié)退化對(duì)鋼筋混凝土梁抗彎承載力的影響。
理論上，考慮粘結(jié)強(qiáng)度降低的影響，銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力應(yīng)介于未銹蝕構(gòu)件和無(wú)粘結(jié)構(gòu)件之間，而相同條件下無(wú)粘結(jié)受彎構(gòu)件承載力約為正常構(gòu)件的 70%~80%左右，那么kb 則應(yīng)處于 0.7~1 之間。
�。ㄈ╀摻钿P蝕后對(duì)鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響
混凝土中的鋼筋一旦發(fā)生銹蝕，在鋼筋表面生成一層疏松的銹蝕產(chǎn)物，并且同時(shí)向周圍混凝土孔隙中擴(kuò)散。銹蝕產(chǎn)物體積比腐蝕鋼筋的體積要大得多，一般可達(dá)鋼筋腐蝕量的 2—4 倍。銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹使鋼筋外圍混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在鋼筋與混凝土界面處將出現(xiàn)內(nèi)部徑向裂縫，隨著鋼筋銹蝕的進(jìn)一步加劇、鋼筋銹蝕量的增加，徑向內(nèi)裂縫向混凝土表面發(fā)展，直到混凝土保護(hù)層開(kāi)裂產(chǎn)生順筋方向的銹脹裂縫，甚至保護(hù)層剝落，嚴(yán)重影響鋼筋混凝土橋梁的正常使用。
鋼筋與混凝土的粘結(jié)是一種復(fù)雜的相互作用，通過(guò)它來(lái)傳遞二者之間的應(yīng)力，協(xié)調(diào)變形，因此鋼筋與混凝土之間粘結(jié)錨固性能是保證鋼筋與混凝土兩種不同材料共同工作的基本前提。鋼筋與混凝土間銹蝕層的潤(rùn)滑作用、鋼筋表面橫肋的銹損、混凝土保護(hù)層的開(kāi)裂或剝落都會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土粘結(jié)錨固性能降低甚至完全喪失，最終影響鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。
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