寒冷地区混凝土桥梁钢筋锈蚀预测方法

郭 骞

(辽宁大通公路工程有限公司)

1 一般大气环境下混凝土桥梁钢筋锈蚀损伤的机理

1.1 钢筋锈蚀机理

混凝土具有高碱性中会生成一层致密的Fe3O4-γFe2O3膜，这层膜牢牢地吸附于钢筋表面上，使钢筋由活态转化为钝态，故被称为钝化膜。在一般大气环境下，混凝土碳化会促使钝化膜破坏。在一般大气环境中，碳化是使钢筋发生锈蚀的先决条件。钢筋表面的钝化膜一旦遭到破坏并同时满足以下三个条件时，钢筋就开始发生锈蚀。

(1)在钢筋表面存在电位差，不同电位的区段之间形成阳极—阴极。

(2)阳极区段的钢筋表面处于活化状态，金属被溶解，以离子形态转入溶液。

(3)存在水分和溶解氧，在阴极发生阴极反应。

混凝土碳化破坏了钢筋表面的钝化膜后，在有水和氧的条件下就会发生腐蚀电池反应，阳极产生的Fe2+和阴极产生的OH-结合生成Fe(OH)2。Fe(OH)2与水中的氧作用生成Fe(OH)3。随着时间的推移，部分Fe(OH)3进一步氧化，生成mFe2O3·nH2O(即红锈)，部分氧化不完全的变成Fe3O4(即黑锈)。

1.2 钢筋锈蚀对混凝土桥梁结构性能的影响

钢筋锈蚀对混凝土结构的影响主要有三个方面。(1)使钢筋的截面面积减小。(2)使钢筋的力学性能发生退化。(3)可能破坏混凝土与钢筋之间的粘结性能，这些都将导致混凝土结构承载能力的降低。

1.2.1 锈蚀对钢筋力学性能的影响

(1)当钢筋截面损失率小于1%时，钢筋的各项力学性能指标基本不变。

(2)均匀锈蚀的钢筋，当锈蚀的程度不大时，钢筋仍有明显屈服点，随着锈蚀量的增大，钢筋的屈服台阶逐渐缩短，延性降低。

(3)锈蚀严重的钢筋几乎没有明显的屈服点，极限抗拉强度与屈服强度非常接近。

(4)随着锈蚀量的增大，钢筋的极限强度与屈服强度降低。

以上结论表明，钢筋锈蚀后，不仅钢筋的强度有所降低，其延性也下降，可能导致混凝土结构从有预兆的塑性破坏转变为无预兆的脆性破坏。

1.2.2 锈蚀对混凝土力学性能的影响

混凝土中钢筋发生锈蚀后，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后，在钢筋与混凝土界面处将出现内部径向裂缝，随着径向裂缝向表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋裂缝。当裂缝达到一定宽度，混凝土开始剥落。无论是顺筋开裂还是剥落，都使混凝土截面减损，影响了构件的承载能力。

2 寒冷地区混凝土桥梁钢筋锈蚀规律

2.1 钢筋开始锈蚀时间的确定

钢筋开始锈蚀的时间取决于混凝土碳化速度、周围环境条件及混凝土自身特性。对于室内或室外干燥环境，即使混凝土保护层完全碳化，钢筋也不易锈蚀;当环境潮湿或干湿交替，钢筋锈蚀明显加快。以辽宁地区为例，混凝土桥梁钢筋锈蚀一般发生在边梁的外侧面上，或渗水特别严重的内梁上。鉴于这样的情况，可认为当边梁的混凝土保护层完全碳化后钢筋就开始锈蚀。

2.2 混凝土锈胀开裂时钢筋截面锈蚀率的确定

目前，很多研究均给出了锈蚀率计算的公式。文献给出确定锈蚀开裂时钢筋锈蚀率的计算公式，即

式中:ηcr为锈蚀开裂时钢筋的截面损失率，%;k1为钢筋种类修正系数，对螺纹钢筋取k1=1.23，对光圆钢筋取k1=1.0;k2为钢筋位置修正系数，对边中位置取k2=1.33;c为混凝土保护层厚度，mm;R为钢筋半径，mm;fcu为混凝土立方体抗压强度，MPa。

文献认为混凝土内钢筋锈蚀后其铁锈层的厚度δ为

式中:d为钢筋初始直径，mm;n为钢筋锈蚀后的膨胀率，可取为3;ηs为钢筋的重量损失率。

2.3 混凝土锈胀开裂前钢筋锈蚀量的预测

文献结合快速锈蚀试验和大量工程检测结果，拟合出混凝土保护层锈胀开裂前钢筋锈蚀深度的模型，即

式中:δe为锈胀开裂前的钢筋锈蚀深度，mm;λe为锈胀开裂前的钢筋锈蚀速度，mm/a;t为结构使用年限，a;t0为钢筋开始锈蚀时间，a;kcr为钢筋位置修正系数，角部钢筋kcr=1.6，中部钢筋kcr=1.0;kce为小环境条件修正系数，潮湿室外环境kce=4.0，干燥室外环境kce=3.0;T为环境温度，℃;RH为环境湿度，%;c为混凝土保护层厚度，mm;fcu为混凝土立方体强度，MPa。

以辽宁地区环境为例，T=5～10℃，RH=60% ～65%，属于比较干燥的地区，所以式(2-4)可以进一步简化为

若假设钢筋锈蚀前的直径为d，锈蚀后的剩余直径为d*，则保护层锈胀开裂前锈蚀钢筋截面损失率为

若令ηcr=η，可求出混凝土保护层锈胀开裂的时间

2.4 混凝土锈胀开裂后钢筋锈蚀量的预测

在结构耐久性试验中，可直接对试件进行破型，测量钢筋的锈蚀深度，计算截面损失率。但在检测中，不可能进行破坏取样进行锈蚀评估。而顺筋裂缝的宽度在实际工程中能够比较容易地获得，因此，如何通过耐久性宏观调查结果进行钢筋锈蚀量估计，是对混凝土结构进行耐久性分析与可靠性评价的关键问题。

文献的试验结果表明:混凝土保护层开裂后，其锈蚀程度主要取决于顺筋裂缝宽度和钢筋直径。位于角部的螺纹钢筋的预测公式为

式中:ηs为钢筋锈蚀重量损失率，%;c为保护层厚度，mm;d为钢筋直径，mm;fcu为混凝土立方体抗压强度，MPa;w为顺筋裂缝宽度，mm。

由文献，锈蚀钢筋截面损失率η与重量损失率ηs之间的关系为

大量试验和实际工程调查结果表明，混凝土保护层锈胀开裂后，钢筋锈蚀速度明显加快。根据文献提供的数据，根据保护层厚度与钢筋直径之比c/d分析了钢筋开裂前后锈蚀速度影响，其结果如表1及图1所示。

表1 c/d对钢筋开裂后与开裂前锈蚀速度之比的影响

图1 c/d对钢筋开裂后与开裂前锈蚀速度之比的影响

因此，在预测锈蚀开裂后钢筋的锈蚀速度时，可在式(5)的基础上引入影响系数α

式中:λ裂后为保护层锈胀开裂后钢筋的锈蚀速度，mm/a;λe为保护层锈胀开裂前钢筋的锈蚀速度，mm/a;α为保护层锈胀开裂前后c/d对钢筋锈蚀速度的影响系数

所以，混凝土锈胀开裂后总的锈蚀率为

4 工程实例

为了验证以上各式，根据桥梁实测数据，找出产生顺筋裂缝的7根梁，主筋为角部螺纹钢筋，其基本数据见表2所示。由上述各式(1)～ (12)计算了 ηcr、t0、tcr、λe和 α 等值，结果列入表3。

表2 桥梁实测基本数

表3 钢筋锈蚀计算结果

由表3计算可知，η测/η计的平均值为1.099。说明本方法基本预测钢筋锈蚀率与实际锈蚀率误差不超过10%。计算结果对掌握混凝土桥梁锈蚀规律，初步判断钢筋锈蚀趋势有直接的指导作用。

5 结束语

在现有混凝土锈蚀规律的基础上，提出了适合寒冷地区的混凝土桥梁锈蚀规律计算方法。通过既有桥梁检测和试验得到了验证，证明该方法准确、简单、可靠，具有很好的应用前景。

［1］黄士元，杨全兵.我国寒冷地区混凝土路桥结构的耐久性问题［C］.土建结构工程的安全性与耐久性(论文集).北京:中国建筑工业出版社，2003.

［2］牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测［M］.北京:科学出版社，2003.

［3］张平生，卢梅，李晓燕.锈损钢筋的力学性能［J］.工业建筑，1995，(9):41-44.

［4］惠云玲，林志伸，李荣.锈蚀钢筋性能试验研究分析［J］.工业建筑，1997，(6):10-13.