锈蚀钢筋混凝土构件与建筑结构设计的影响

尹卓群

[摘要]首先从钢筋锈蚀对结构的影响角度论述了钢筋锈蚀的主要原因，然后分析和探讨了腐蚀对钢筋混凝土结构构件受力性能及粘结性能方面的影响。

[关键词]结构破坏 钢筋锈蚀 建筑结构设计

中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0420101－01

国内外工程调查表明，大量服役仅十几到二十几年钢筋混凝土结构，由于长期处于腐蚀环境下工作，虽然没有遭受地震等破坏性自然灾害，但已经出现了严重破坏现象，有的不得不大修或拆除，有的甚至因钢筋锈断而倒塌，造成人员伤亡、财产损失。统计资料显示，钢筋混凝土结构的腐蚀失效每年造成了越来越巨大的经济损失。因此，受腐蚀钢筋混凝土结构的耐久性问题日益受到关注和重视，成为国际上活跃的本学科的前沿。再加上腐蚀问题带来的随机性和不确定性使这一问题显得愈加复杂、且涉及学科范围十分广泛，目前存在很多问题有待研究解决。

一、钢筋腐蚀对结构影响及主要原因

钢筋锈蚀后会影响柱的配筋率，梁柱锈蚀率不一样，那么十年后钢筋截面减少会对“强柱弱梁”产生影响。建筑结构一般都没有承受满载，一旦地震发生，水平地震力就会很大，会导致建筑物的破坏。影响锈蚀钢筋混凝土受弯构件正截面承载力的因素有多个，但主要影响因素是钢筋的锈蚀程度。鉴于试验资料的限制，全面考虑其他影响因素的作用仍有困难。在影响耐久性的因素中，裂缝起着主要的作用。据统计钢筋锈蚀已成为导致混凝土破坏的首要因素。

（一）钢筋腐蚀对结构受力的影响

在钢筋混凝土结构内，钢筋受到周围混凝土的保护，一般并不腐蚀。但当保护层破坏或保护层厚度不足时，钢筋在一定条件下将产生腐蚀。钢筋腐蚀对结构受力影响在于：（1）削弱钢筋的受力，尤其是预应力混凝土结构内的高强度钢丝，表面积大、截面小、应力高，一旦发生腐蚀，危险性更大，严重者会导致构件断裂的危险。（2）钢筋腐蚀体积膨胀大约增大2.2倍，会使混凝土保护层破裂甚至脱落，从而降低结构的受力性能和耐久性能。（3）钢筋腐蚀降低了与混凝土间的粘接力，影响钢筋与混凝土共同工作的性能，降低结构的强度安全。

（二）钢筋腐蚀的主要原因

（1）混凝土不密实或有裂缝存在造成钢筋的腐蚀。混凝土密实度不良和构件上产生的裂缝，往往是造成钢筋腐蚀的很重要原因，尤其当水泥用量偏小，水灰比不当和振捣不良，或在混凝土浇筑中产生露筋、蜂窝、麻面等情况，都会加速钢筋的锈蚀。（2）混凝土碳化和侵蚀性气体、介质的侵入造成钢筋腐蚀。空气中的二氧化碳气体，在混凝土表面层中逐渐为氢氧化钙的碱性溶液所吸收，相互反应生成碳酸钙（CaCO3）。这种现象称为混凝土的碳化。碳化的速度除与二氧化碳浓度有关外，还取决于相对湿度。生成的碳酸钙很难溶解，其饱和溶液的PH值为9。因此，混凝土碳化的结果，就是PH值不断下降，并不断向内部深化；当碳化深度达到或超过钢筋保护层时，钢筋表面的钝化膜遭到局部破坏，钢筋开始腐蚀。当大气中遇有工业废气，如氯化氢、氯等酸性气体，将同样被混凝土吸收而与氢氧化钙结合，从而使混凝土碱度迅速下降，使钢筋遭受腐蚀。（3）与环境湿度密切相关，上述三种因素中，空气中二氧化碳、侵蚀性气体及相对湿度，有时因生产需要难以控制，因而要重视和做好混凝土的密实度。混凝土密实度好，混凝土碳化难以深入，钢筋也难腐蚀。尤其对于薄壳钢筋混凝土结构和预应力高强度钢丝构件等，不然会造成严重的结构损坏事故。

二、锈蚀钢筋混凝土构件的力学性能

腐蚀作用造成钢筋的局部坑蚀将严重影响钢筋的力学性能，实际工程中钢筋的锈蚀是由最初的点蚀坑逐渐扩大发展的，锈蚀坑产生的缺口效应力集中将引起锈蚀钢筋屈服强度、极限强度、延伸率和粘结强度等力学性能指标的变化，蚀坑处应力集中现象对构件的受力性能有着严重的影响。钢筋锈蚀影响结构耐久性主要体现在两个方面：一是导致钢筋有效截面面积的减少；二是锈蚀后体积膨胀（约为锈蚀前的2-4倍）引起顺筋裂缝、保护层脱落以及粘结力下降等，最终导致构件承载力下降、服役寿命缩短。因此，研究不同锈蚀情况下钢筋的力学性能有着实际的理论意义和应用价值。国内外不少学者对锈蚀钢筋的力学性能进行了广泛的试验研究，主要讨论了锈蚀钢筋屈服强度、极限强度、伸长率等物理力学特征随钢筋锈蚀率的变化规律。研究表明，对于表面有浮锈的钢筋，当其截面损失率小于1%时，钢筋的应力一应变曲线以及钢筋的抗拉强度、屈服强度与母材相同，此类轻微锈蚀钢筋对结构没有影响；对于截面损失率小于5%且均匀锈蚀的弱腐蚀钢筋，应力－应变曲线仍有明显的屈服点，钢筋的伸长率基本大于规范最小允许值，钢筋抗拉强度和屈服强度可以与母材相同来考虑，承受荷载的计算需考虑截面的折减，对结构计算影响不大；对于截面损失率5%-10%的钢筋，由于钢筋锈蚀的不均匀性，钢筋屈服强度、抗拉强度、伸长率均开始下降；对于截面损失率大于10%且小于60%的腐蚀严重的钢筋，钢筋的屈服点不很明显，伸长率小于规范的最小允许值，钢筋的各项力学性能指标严重下降。

三、锈蚀钢筋混凝土构件的粘结性能退化

钢筋混凝土结构是一种钢筋和混凝土的复合材料结构，结构的各项性能不仅取决于钢筋与混凝土的物理力学性能，而且与钢筋与混凝土之间的协调工作能力有关。在承载能力和使用极限状态下，钢筋强度能否得到利用取决于粘结的有效长度。钢筋与混凝土之间粘结性能的退化往往造成构件刚度降低，丧失强度以及在理论分析中诸如裂缝宽度、塑性铰转动能力、剪切破坏及非线性有限元分析等问题的解决都要求对粘结性能进行深入的试验和研究，以便充分了解粘结应力沿锚固长度上的分布规律及在不同荷载作用下粘结应力与相对滑移的本构关系。

电化学加速腐蚀的试验方法使钢筋混凝土试件中钢筋发生不同程度的锈蚀，而后再对这些受腐蚀钢筋混凝土试件进行锈蚀钢筋混凝土粘结性能试验，分别研究受腐蚀钢筋与混凝土之间的极限粘结强度及粘结滑移本构关系。由于受腐蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能的影响因素众多，可分别考虑保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、钢筋类型及钢筋位置的影响。然而，由于钢筋与混凝土之间的粘结性能受多种因素的综合影响，且各影响因素与粘结性能之间是一种非常复杂的非线性关系，因此考虑影响因素越多，粘结性能模型的建立就愈困难，考虑因素过少又不能较好地反映锈蚀钢筋混凝土之间的粘结性能。

参考文献：

[1]陈丽华、李爱群、赵玲，型钢混凝土梁柱节点的研究现状[J].工业建筑，2005,35(1):56-58.

[2]王来、王铁成、邓梵，方钢管混凝土框架内隔板节点抗震性能的试验研究[J].地震工程与工程振动，2005,25(1):76-80.

[3]傅剑平、张川、白绍良，钢筋混凝上抗震框架节点各机构传递剪力的定量分析[J].建筑结构学报，2005,26(1):17-18.

[4]金国芳、李视令、李思明，框架节点加固的抗.震性能试验研究[J].工程抗震，2000(1):14-17.