浅论钢筋锈蚀对钢筋混凝土耐久性的影响
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作者: 陈世宁
【摘要】 钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土耐久性损伤的重要因素,也是混凝土结构耐久性破坏的主要形式之一。从锈蚀机理、影响因素和影响后果等方面进行了综述性讨论。
【关键词】 钢筋;锈蚀;耐久性;影响
在影响结构物耐久性因素中,钢筋锈蚀占据了主导地位。目前,包括我国在内的大多数国家每年均花费巨资用于混凝土结构的耐久性修复,其中钢筋锈蚀占有相当大的比例。钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构的破坏分为三个时期:前期是钢筋表面局部锈蚀出现锈斑、锈片等;中期是钢筋整个表面锈蚀,并产生膨胀,与保护层脱离,发生层裂;后期表现为钢筋铁锈进一步膨胀,混凝土本身发生破坏,出现顺筋胀裂,混凝土脱离,直至钢筋不断锈蚀,有效截面不断减小,结构承载力不断下降,钢筋混凝土构件丧失基本承载能力。
一、钢筋混凝土中钢筋锈蚀机理
正常情况下,由于初始混凝土的高碱性,钢筋混凝土结构力筋表面形成一层致密的钝化膜,使其处于钝化状态。随着环境介质的侵入,钝化膜逐渐遭到破坏,从而导致腐蚀的发生。力筋发生锈蚀需要三大基本要素:力筋表面钝化膜的破坏;充足氧的供应;适宜的湿度(RH=60～80%)。三个要素缺一不可,第一要素为诱发条件,腐蚀速度则取决于氧气及水分的供应。钢筋的锈蚀一般为电化学锈蚀,发生电化学锈蚀必须具备3个条件:(1)在钢筋表面形成电位差;(2)在阴极部位钢筋表面存在足够的氧气和水;(3)在阳极区,使阳极部位的钢筋表面处于活化状态,即钢筋表面的钝化膜遭到破坏。在氧气和水的共同作用下,钢筋表面不断失去电子发生电化学反应,逐渐被锈蚀,在钢筋表面生成红锈,引起混凝土开裂。
对于钢筋混凝土结构,在一般环境条件下,钢筋的锈蚀通常由两种作用引起:一种是混凝土碳化作用;一种是氯离子的侵蚀。二氧化碳和氯离子对混凝土本身都没有严重的破坏作用,这两种环境物质都是混凝土中钢筋钝化膜破坏的最重要又最常遇到的环境介质:混凝土碳化使混凝土孔隙溶液中的Ca(OH)2含量逐渐减少,PH值逐渐下降,钝化膜逐渐变得不再稳定以至于完全被破坏,使钢筋处于脱钝状态;周围环境中的氯离子从混凝土表面逐渐渗入到混凝土内部,当到达钢筋表面的混凝土孔溶液中的游离氯离子浓度超过一定值(临界浓度)时,即使混凝土碱度再高,pH值大于11.5值,Cl-也能破坏钝化膜,从而使钢筋发生锈蚀。氯盐引起钢筋锈蚀的发展速度很快,远比碳化锈蚀严重,这种情况常发生在近海或海洋环境以及冬季经常使用除冰盐的环境。
根据钢筋锈蚀区的分布,钢筋锈蚀分为两大类:(1)裂缝处锈蚀。构件混凝土表面可能由于荷载作用产生结构性裂缝,或因干缩、湿度应力、碳化、碱骨料反应等产生非结构性裂缝。当环境中的水、氧、CL-沿裂缝侵入时,造成裂缝处的钢筋产生锈蚀。(2)普遍锈蚀。当混凝土碳化至钢筋表面时,一旦存在水、氧、CL- 等条件时,首先在裂缝处出现钢筋坑蚀,进而发展为钢筋横向的环状锈蚀,最终沿钢筋纵向扩展为片状锈蚀。成片的锈蚀因其体积膨胀导致混凝土沿钢筋布置方向发生混凝土保护层裂缝。
二、影响钢筋混凝土钢筋锈蚀的主要因素
1.混凝土的保护层厚度、完好程度及混凝土的密实度。混凝土的保护层厚度、完好程度及混凝土的密实度,三个方面都与侵蚀性介质的侵蚀速度有关,保护层厚度对钢筋锈蚀的影响呈线性关系,世界各国规范对保护层厚度都作了规定。我国新修订的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中,对钢筋的最小保护层厚度规定中,随着使用环境条件的劣化,混凝土保护层厚度也在增加。
2.混凝土的碳化程度。混凝土的碳化降低了混凝土的碱度,造成PH值降低,给钢筋脱钝提供了可能。钢筋的失重率与混凝土的碳化深度差不多呈线性关系,由此混凝土的碳化程度对钢筋锈蚀有重大影响。
3.环境条件。环境对钢筋锈蚀的影响主要有以下几个方面:温度、湿度、二氧化碳的浓度、氧气的浓度以及侵蚀性介质的浓度。有些钢筋混凝土结构处在湿度较大的环境下,湿度就成为影响钢筋锈蚀的重要影响因素,比如处于水位浮动的桥墩部位和浪溅区的钢筋混凝土桥梁来说,最容易发生锈蚀。
4.氯离子的影响。氯化物是一种很危险的侵蚀介质,但是在我国北方地区,为保证冬季交通畅行,向道路、桥梁及城市立交桥等撒除冰盐,大量使用的氯化钠和氯化钙,使得氯离子渗入混凝土,引起钢筋锈蚀破坏。北方地区许多的工程经验教训表明,大量地使用除冰盐是影响钢筋混凝土桥梁结构耐久性的主要原因之一。由于到目前为止,还没有找到能够完全替代除冰盐的除冰方法,除冰盐仍将继续使用。
三、钢筋锈蚀对钢筋混凝土耐久性的影响
1.锈蚀后钢筋的力学性能。锈蚀钢筋抗力的降低直接影响服役结构和构件的承载能力,严重时可能造成结构提前失效甚至倒塌。沿钢筋长度发生均匀锈蚀时,钢筋的失重率近似等于钢筋的截面面积损失率,钢筋所能抵抗的极限拉力的降低与钢筋截面面积锈损率基本成正比,此时,可以简单地用锈损钢筋的实际截面面积乘以未锈钢筋的极限抗拉强度获得锈蚀钢筋的极限抗拉能力。由于混凝土材料的不均匀性、使用环境的不稳定性、钢筋各部位受力程度的不同等因素,实际上混凝土中的钢筋锈蚀很少有均匀锈蚀的情况,通常钢筋截面面积损失率大于重量损失率,随着钢筋锈蚀的发展,锈蚀的不均匀性和离散性增大,重量损失率与截面面积损失率的差异也越大。钢筋极限抗拉能力的下降,除钢筋截面的锈损、有效截面面积减小外,还有一个因素:锈损钢筋的表面凹凸不平,受力以后缺口处产生应力集中,使锈蚀钢筋的屈服强度和极限强度降低;且锈损越严重,应力集中引起的强度降低越多。
2.钢筋锈蚀后对钢筋与混凝土协同工作性能的影响。钢筋锈蚀后,钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能降低。试验研究结果表明,锈蚀钢筋混凝土主梁抗弯承载力试验值小于只考虑锈蚀后钢筋截面积减小、屈服强度降低计算得到的抗弯承载力值,说明钢筋和混凝土的粘结强度降低也是锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力降低的主要影响因素之一。对受拉钢筋必须乘以协同工作系数,以考虑粘结退化对钢筋混凝土梁抗弯承载力的影响。理论上,考虑粘结强度降低的影响,锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力应介于未锈蚀构件和无粘结构件之间,相同条件下无粘结受弯构件承载力约为正常构件的70%～80%左右,那么kb则应处于0.7～1之间。
3.钢筋锈蚀后对钢筋混凝土结构性能的影响。混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀,在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物,并且同时向周围混凝土孔隙中扩散。锈蚀产物体积比腐蚀钢筋的体积要大得多,一般可达钢筋腐蚀量的2～4倍。锈蚀产物的体积膨胀使钢筋外围混凝土产生环向拉应力,当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时,在钢筋与混凝土界面处将出现内部径向裂缝,随着钢筋锈蚀的进一步加剧、钢筋锈蚀量的增加,径向内裂缝向混凝土表面发展,直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝,甚至保护层剥落,严重影响钢筋混凝土结构的正常使用。钢筋与混凝土的粘结是一种复杂的相互作用,通过它来传递二者之间的应力,协调变形,钢筋与混凝土之间粘结锚固性能是保证钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的基本前提。钢筋与混凝土间锈蚀层的润滑作用、钢筋表面横肋的锈损、混凝土保护层的开裂或剥落都会导致钢筋混凝土粘结锚固性能降低甚至完全丧失,最终影响钢筋混凝土结构的安全性、适用性和耐久性。
在许多情况下,钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构耐久性损失最直接和最主要的原因,广大工程人员必须高度重视,并采取有力措施。
参考文献
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