銹蝕鋼筋與混凝土

1、銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結性能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域得到了廣泛的 應用。但由于鋼筋混凝土耐久性不足導致了很多嚴重的問題，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 對鋼筋混凝土的粘結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 上，對銹蝕變形鋼筋與混凝土的粘結性能的影響進行了總結和回報，加強對銹蝕 鋼筋與混凝土的認識。2從化學角度來闡述鋼筋銹蝕機理由于鋼筋混凝土結構中鋼筋的銹蝕過程從本質上說是一個化學反應，更準確的 說是電化學反應，所以從化學的角度闡述鋼筋銹蝕的機理。鋼筋混凝土結構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，高純度的單質鐵極易發(fā)生銹蝕。新鮮的鋼筋混凝土結構中， 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 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pH11.5 時，即混凝土空隙水溶液堿性降低時，鈍化膜開始變不穩(wěn)定。當pH9.88時，鈍 化膜生成困難或者已生成的逐漸破壞，從而導致鋼筋的銹蝕。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-對混凝土結構具有很強腐蝕性。目前，常用含有Cl-的早強劑、除冰劑，還 有富含大量氯離子的海砂的不當使用；三是雜散電流的影響。鋼筋銹蝕的反應式如下式所示：陽極反應：Fe - 2e Fe2+陰極反應：O2+ 2H2O+ 4e 4OH-陽極繼續(xù)發(fā)生二次化學反應，反應式如下式所示：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，嚴重時鐵銹將引起混凝土開裂。鋼筋混凝土結構在服役期間，氯離子的侵蝕作用對結構的破壞作用最為顯著， 鋼筋表面的Cl-和OH-爭奪銹蝕產生的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，氯離子雖然不構成腐蝕產物，在腐蝕中也不 消耗，但有助于生成腐蝕的中間產物，對腐蝕起到催化作用。其反應式如下式所 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、上某個點發(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，點蝕變?yōu)榱丝游g，小陽極局部 酸化，同時在大陰極發(fā)生反應產生OH-使pH值增大，這樣一直反應下去，銹蝕 將越來越嚴重。3鋼筋與混凝土之間的粘結機理從化學角度看，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。其中的原因有二：一是二者有著相同的線膨脹系數；二是二者之間有足夠的 粘結強度，能夠抵抗切應力(即粘結應力)，此力是由于鋼筋和混凝土相對滑移 而產生。后者是鋼筋混凝土結構的重要特征。鋼筋與混凝土的粘結作用主要有以下三方面：化學黏著力。此

6、力產生的部位是在鋼筋與混凝土的接觸表面上，產生的來源 是水泥砂漿漿體對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 生長和硬化。這些力量一般來說都是比較小的，只有在受力時的局部無滑移區(qū)才 會起到作用。鋼筋受力后產生大變形，一旦發(fā)生相對錯動時便立即消失；摩阻力。此力隨著混凝土硬化收縮握緊鋼筋時而產生。隨著時間的流逝，混 凝土會硬化收縮，便會對鋼筋產生一種垂直于摩擦面的壓應力，進而產生摩阻。 從力的本質上講這是一種靜摩擦力，與垂直于摩擦面的壓應力成正比例關系。此 壓應力越大、摩擦面越粗糙，摩阻力便越大；機械咬合力。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 光圓鋼筋的粘結機理；第

7、方面是變形鋼筋與混凝土的粘結機理，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 結強度。4粘結應力粘結應力通常分為錨固粘結應力和裂縫附近的局部粘結應力兩類。錨固粘結應力：例如梁的鋼筋伸入支座，必須有足夠的錨固長度，通過這段 長度上粘結力的積累，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應力：這是一種局部粘結應力，它是指在開裂構件量測， 鋼筋與混凝土接觸面上的與鋼筋拉應力方向相反的粘結應力。5國內研究現(xiàn)狀在國內，1960年初，首先開展這方面的研究是南京水利科學研究院。中國礦業(yè)大學的

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

9、筋與混凝土的相對位置、保護層厚度和混凝土強度對鋼筋銹蝕 率與極限粘結強度本構關系的影響，指出前四者是主要因素，混凝土強度對其影 響則不是很大。試件沒有在壓出端設置套管以形成非粘結段，使靠近壓出端的鋼 筋粘結應力過大，從而造成誤差。之前很多學者常對鋼筋施加均勻的內力和變形來模擬，但實際混凝土結構中鋼 筋的銹蝕是不均勻的。對此寧夏大學的張國學等提出一個熱膨脹模型，來對銹蝕 鋼筋和混凝土間的粘結力進行有限單元模擬，模擬結果與試驗結果相差無幾，很 好的改變了這一點。浙江大學的金偉良等以彈性力學為基礎，定性的指出了鋼筋銹蝕率對鋼筋銹 脹力影響較大;混凝土立方體抗壓強度對其影響較小;保護層厚度對其影響較小

10、； 在影響程度上，鋼筋直徑保護層厚度混凝土立方體抗壓強度。浙江大學的趙羽習通過對不同銹蝕率的光圓鋼筋試件和變形鋼筋試件進行快 速通電銹蝕、粘結拉拔試驗，提出了銹蝕鋼筋和混凝土之間的粘結本構關系。由 于鋼筋未內貼應變片，所以此本構關系只是局部的粘結本構關系。同濟大學的李方元通過高強砼與變形鋼筋的拉拔試驗，總結出高強砼和普通 砼與鋼筋粘結性能的區(qū)別，并分析產生這些區(qū)別的原因。深圳大學的邢鋒研究了混凝土細骨料中Cl-的擴散機理，指出Cl-從砂表面向水泥 凝膠逐漸擴散的。時為安徽理工大學的吳慶等通過使用兩種不同銹蝕方法（人工氣候、通電銹 蝕）進行比較，結果發(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，且銹蝕產物呈紅褐色，這與實際情況是比較接近的；相比之下，恒電流通電 的鋼筋銹蝕產物呈黑色；前者比后者能更好的貼近實際情況。但是人工氣候環(huán)境 的制造對實驗室條件要求較高，而恒電流通電的要求較低，成本也低，時間也最 快，所以目前為止，學者們還是常用后者來對鋼筋進行銹蝕。時為江蘇科技大學的吳慶、中國礦業(yè)大學的袁迎曙采用人工氣候環(huán)境模擬和 恒電流的方法對試件進行加速銹蝕，對56根銹蝕鋼筋的力學性能退化規(guī)律進行 了研究；從中發(fā)現(xiàn)兩種不同的銹蝕方法對鋼筋銹蝕性能退化有一定影響，當銹蝕 率增大時，這種影響會變得明顯。6小結前人已經在銹蝕鋼筋與混凝土的粘結性上面做了大量的試驗，有了相對成熟的 理論

12、，但很多試驗模擬與實際情況存在一定的差距，對實際分析還有一定的不確 定性，所以在以后的實踐中可以通過模擬環(huán)境的真實性提高試驗結果的準確性。參考文獻梁發(fā)云，陳龍珠.銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能研究述評J.混凝土，2000,(9): 52-54.袁迎曙，余索.銹蝕鋼筋混凝土梁的結構性能退化J.建筑結構學報，1997, 18(4): 51-57.劉西拉，苗澎柯.混凝土結構中的鋼筋腐蝕及其耐久性計算J.土木工程學報,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測模型J,工業(yè)建筑,199626(4): 8-10.潘振華，牛荻濤,王慶霖.銹蝕率與極限粘結強度關系的試驗研究J,工業(yè)建筑,2000, 30(5): 10-12.張國學，宋建夏,劉曉航.鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土構件粘結力的影響J,工業(yè)建筑.2000, 30(2): 37-39.金偉良，趙羽習，鄢飛.鋼筋混凝土構件的均勻鋼筋銹脹力的機理研究J.水利學報， 2001, (7): 57-62.趙羽習，金偉良.銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能的試驗研究J.浙江大學學報(工學版)，2002, 36(4): 352-356.李方元，趙人達.不同混凝土基體與變形鋼筋的粘結滑移特性J.工業(yè)建筑