腐蚀对钢筋混凝土梁桥抗弯承载力的耦合影响

唐 琳，肖盛燮

(重庆交通大学 土木工程学院 ，重庆 400074)



腐蚀对钢筋混凝土梁桥抗弯承载力的耦合影响

唐 琳，肖盛燮

(重庆交通大学 土木工程学院 ，重庆 400074)

通过阐述裂缝、混凝土碳化和氯化对钢筋混凝土腐蚀的过程和影响，分析了由于腐蚀所导致的钢筋屈服强度下降、有效截面降低以及钢筋与混凝土协同工作能力降低的变化趋势和过程，并详细的讨论了钢筋屈服强度下架系数和协同工作系数的不同取值对钢筋混凝土梁抗弯承载力的耦合影响，提出并对比了几种有效防止或降低腐蚀对钢筋混凝土结构破坏的措施，能为实际的桥梁防腐工程提供一定的参考和借鉴。

桥梁工程；钢筋混凝土安全；腐蚀；承载力；耦合影响；防护

钢筋混凝土结构是土木工程界最常用的结构形式，混凝土中的钢筋腐蚀每年给国民经济带来巨大的经济损失。美国国家研究委员会的公路战略研究项目的研究报告指出：每年因腐蚀造成的经济损失超过200亿美元，并且以每年5亿美元的速度递增[1]。在1991年的第2届混凝土耐久性国际会议上，著名专家梅塔教授总结世界50年混凝土耐久性状况时说：“当今世界，如果把影响混凝土耐久性的因素按重要性递减的顺序排列的话，那么它们分别是：钢筋腐蚀、冻融破坏、侵蚀环境的物理化学作用。”由此可见，腐蚀是影响混凝土耐久性和可靠性的一个重要原因。腐蚀环境下钢筋混凝土结构的表现形式有: 混凝土开裂，钢筋截面损失以及钢筋和混凝土之间的黏结性能降低[2]。研究有效的防护措施，是混凝土耐久性研究的一个重要课题。

1 三种诱因对混凝土的影响

1.1 裂缝的影响

混凝土的裂缝一般分为两种：①混凝土不能满足自身变形所引起的裂缝如收缩裂缝、温度裂缝等；②在外界荷载作用下由于混凝土的承载能力不足所引起的结构裂缝如弯曲裂缝、扭曲裂缝等。在桥梁工程中，人们普遍更加重视的是结构裂缝。当混凝土的抗拉强度超出其承载能力时，混凝土结构就会产生裂缝。刚开始小宽度的裂缝不会对结构的承载能力产生负面的影响，因为混凝土不会承受拉力，所有的拉力都被裂缝附近区域相应的钢筋重新分配。但是随着弯矩的增大或者在周期荷载不断的作用下其裂缝宽度会不断的加大，其长度也会纵向延伸，且裂缝区域还会向两端发展。

裂缝的存在会对混凝土碳化和氯化提供场所。通过裂缝，空气中的CO2和氯离子能轻易的渗透到混凝土的内部。混凝土的碳化和氯离子的含量对于钢的腐蚀至关重要。首先混凝土碳化的发展可以一直延伸到钢筋的位置，从而使得在钢筋的表面由于化学反应出现锈蚀。当氯离子的含量超过临界浓度时，在未发生碳化的混凝土区域也会有发生腐蚀的风险。下面对腐蚀过程中氯化物和碳化对混凝土的影响做出分析。

1.2 碳化的影响

碳化本身对混凝土没有伤害，由于CaCO3晶体的形成它还能加强混凝土的密实性，并且提高其抗压强度。但是碳化作用降低了混凝土的碱性，极有可能导致钢筋的腐蚀。钢筋锈蚀又导致其体积剧烈的膨胀，所产生的膨胀力将使混凝土保护层开裂。开裂的混凝土由于CO2和水的不断的侵入，钢筋的腐蚀又会更加的严重，直至使得混凝土剥落，钢筋裸露。

1.3 氯化的影响

氯离子引起的钢筋腐蚀也是一种电化学腐蚀，其先决条件是钢筋的表面去钝化。氯离子的存在提高了混凝土中电解质的导电率，从而使正在进行中的混凝土碳化范围内的腐蚀的速度显著的增大。由氯离子引起的腐蚀需要同时满足以下三个条件：

1)钢筋周边的氯含量须大于引起腐蚀的临界值；

2)混凝土中有足够的湿度满足于阴极和阳极间的离子交换；

3)足够数量的氧气透过混凝土层接触到钢筋表面。

混凝土表面的氯离子浓度一般通过环境中氯离子的分布曲线反向推导得出，而分布曲线为氯离子长期扩散的累计结果[3]。目前对氯离子含量临界值的取值研究较少，ACI Building Code采用占水泥用量0.15%作为混凝土中自有氯离子含量的允许值[4]。环境中的氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷渗入到混凝土中并到达钢筋表面。氯离子的渗透速度取决于与混凝土接触的氯化物的浓度、混凝土的渗透性和环境的湿度。渗透的速度越大，氯离子集中的趋势越大同时混凝土抵抗渗透的能力就越小。混凝土中氯离子的转移同时受到向内扩散的水的影响，因此两段加湿过程之间的时间间隔就有了很大的意义。当这种溶解过程在没有水饱和或者完全干燥的混凝土上时，由于毛细作用氯离子的渗透速度就会非常的大。当混凝土有裂缝的时候，氯离子渗透到钢筋表面的速度要远远大于其在没有裂缝的混凝土中的渗透速度。

2 腐蚀对抗弯承载力的影响

2.1 耦合因素对承载力的影响

桥梁的承载力验算包含有抗弯、抗剪、抗扭、稳定性和疲劳强度等，其中抗弯能力是最重要的指标。由混凝土细微的裂缝和混凝土的碳化和氯化导致的钢筋腐蚀现象会对桥梁的抗弯承载力产生一定的影响。钢筋发生腐蚀，不但减少了钢筋的有效截面，还会使得钢筋和混凝土之间的黏结性能出现退化，引起混凝土对钢筋的握裹力下降，降低二者之间的协调变形，另外还会降低钢筋的屈服强度，使梁可能发生突然的脆性破坏。其转化关系如图1。

图1 钢筋腐蚀对承载力的转化关系

由图1可知，钢筋混凝土结构承载能力降低是钢筋屈服强度降低、钢筋有效截面面积减小和钢筋与混凝土的协同工作减弱这三方面因素的耦合作用。

因此引伸出钢筋屈服强度降低系数α，钢筋截面腐蚀率η和协同工作系数k。钢筋截面锈蚀会降低钢筋与混凝土之间的黏结能力和改变钢筋的力学性能，从而降低钢筋与混凝土之间的协同工作能力和钢筋的屈服强度。钢筋屈服强度降低，使钢筋混凝土能承受的最大拉应力减小，影响钢筋与混凝土之间的协同工作能力。钢筋与混凝土协同工作能力减低，又有可能会使得混凝土承受较大的拉应力，使底部混凝土出现大量裂缝，进一步加速腐蚀的发生。三者之间的影响关系如图2。

图2 3种参数相互影响关系

2.2 屈服强度降低系数的确定

fd2=(1-α·η)fd1

(1)

式中：fd2为钢筋锈蚀后屈服强度；fd1为未腐蚀钢筋屈服强度；η为钢筋锈蚀率；α为钢筋屈服强度下降系数，对于大气环境中的自然裸露，取值在1.4～1.5之间；对于实际工程锈蚀，取值在1.0～1.7之间[8]。

2.3 耦合因素对协同工作系数的影响

钢筋锈蚀之后，在钢筋表面会生成疏松的锈蚀层。锈蚀产物体积的膨胀会对钢筋周围的混凝土产生径向的拉应力。当径向拉应力达到混凝土抗拉强度时，混凝土保护层会出现裂缝。随着钢筋锈蚀过程不断的发展，裂缝的数量和深度也会随之增加直到混凝土保护层脱落，使混凝土对钢筋的黏结作用降低甚至丧失[9]。混凝土对钢筋黏结性能是保证钢筋和混凝土协同工作的前提，黏结性能的降低对结构承载力的影响使得协同工作系数k准确取值变得较为重要。但是由于影响协同工作系数k的因素很多，例如混凝土的强度、钢筋的类型、保护层的厚度、受力的方向等等，准确的k值很难确定。在实际工程中，协同工作系数k的取值一般在0.7～1.0之间[10]。

2.4 截面抗弯承载力计算模式

为了对腐蚀钢筋混凝土承载力的改变有直观的认识，取某双筋矩形梁，采用C20混凝土，其抗压强度设计值为9.2 N/mm2，钢筋为HRB335，屈服强度335 N/mm2。受压区钢筋为2Φ20，受拉区上层钢筋为2Φ20，下层受腐蚀钢筋为3Φ25，截面尺寸如图3。图中：fsp为受压区钢筋屈服强度；Ap为受压区钢筋面积；fcp为混凝土抗压强度；b为截面宽度；x为受压区高度；fd1为受拉区未腐蚀钢筋屈服强度；Ad1为受拉区未腐蚀钢筋面积；fd2为受拉区腐蚀钢筋屈服强度；Ad2为受拉区腐蚀钢筋面积。

图3 双筋矩形梁截面

1)由∑N=0，得：

fspAp+fcpbx=k(1-α·η)fd2Ad2+fd1Ad1

2.2 不同BMI范围的PCOS患者的PTX3、瘦素、性激素及HOMA-IR水平比较 肥胖组PCOS患者的瘦素、HOMA-IR均高于非肥胖组(P<0.05)，肥胖组PCOS组患者的PTX3低于对照组(P<0.05)。见表2。

(2)

2)由∑M=0，得：

Mj=fcpbx(407.5-x/2)+fspAp×327.5

(3)

将式(2)代入式(3)即可得该梁的正截面抗弯承载力Mj。

由于式(2)中的k和α只有一定的取值范围，并没有确切值，因而不同的取值将会带来不同的计算结果。将分别对两者取不同的值在钢筋截面腐蚀率逐渐增加的情况下来分析其计算结果的合理性。由于钢筋截面腐蚀率小于5%时，其对钢筋力学性能影响不大。因此笔者取钢筋截面腐蚀率范围为5%～15%。

2.4.1α取值一定时

在α取值一定时(α=1.3)，协同工作系数k分别取0.7，0.8，0.9。在这3种取值情况下分析对计算结果的影响。将α和k的值分别代入式(3)中，得到随截面腐蚀率增大而变化的Mj的计算结果和变化趋势如表1和图4。

表1 钢筋混凝土梁抗弯承载力变化

图4 腐蚀率-承载力关系

由图4可以看出，不论k取值多少，该梁的抗弯承载力都在随着截面腐蚀率的增加而减小，k取值越小时，腐蚀后的承载力也越小。除了当k=0.8外，其他两个值的承载力从截面腐蚀率5%发展到10%的减小量均小于从截面腐蚀率10%发展到15%的减小量，也就是说随着截面腐蚀率增大，承载力降低的速度在增快。

不同的k值对计算的结果有一定的影响，其值相差较大，因此如何准确的选取k值还需要进一步的探索。当截面腐蚀率较小，该梁抗弯承载力的变化趋势合理，能准确的反应出承载力的变化。需要指出的是，式(3)并不能反应出当截面腐蚀率较大，钢筋受损程度增加，钢筋力学性能、混凝土本构关系、混凝土梁的配筋率等发生的改变，因而式(3)不具有延伸性。此计算式的使用范围最好是在截面腐蚀率为5%～10%之间。

2.4.2k取值一定时

在k取值一定时(k=0.8)，钢筋屈服强度下降系数α分别取1.1，1.3，1.5。在这3种情况下，Mj计算结果和变化趋势如表2和图5。

表2 钢筋混凝土梁抗弯承载力变化

图5 腐蚀率-承载力关系

由图5可以看出，在这3种情况下其截面抗弯承载力的曲线在5%到10%的区域内几乎重合，其数值大小接近，表明a在所给定范围内的任何取值对最后的Mj计算结果无较大影响。

当图4和图5进行耦合叠加之后，可以由图6看出：钢筋腐蚀后降低的承载力界限在协同工作系数k=0.7和k=0.9两条曲线之间，这说明协同工作系数对承载力的影响要大于钢筋屈服强度系数的影响。

图6 腐蚀率-承载力耦合关系

3 腐蚀防护

通过分析表明：钢筋的腐蚀会降低结构的承载能力和使用年限。因此，有效防腐措施的实施是提高钢筋混凝土结构耐久性的必要条件。值得注意的是，防护措施必须在注意电化学的腐蚀过程以及所处化学、物理的状态前提下进行。

3.1 通过恢复碱性环境防腐

该防护原理的目的是重新在钢筋的表面形成一层新的钝化膜。在实际工程中，可以通过碱性混凝土或砂浆的镀层使其重新碱化或者用碱性混凝土或砂浆现场维修。需要注意的是，对于碳化，用来修补的混凝土或者砂浆必须要有足够的抗碳化的能力；对于氯化，必须要确保不会再有氯元素渗透到旧的混凝土内。

当腐蚀仅出现在局部或者空间狭窄的范围内，可以采用此方法进行修复。如果钢筋位于已经腐蚀的区域旁边，不论它的腐蚀程度是多大，都应挖开其周围的混凝土并重新修复。修复砂浆或混凝土在使用中必须有足够的碱度以及足够的密度和厚度，以确保再次钝化的持久性。

3.2 通过限制混凝土中水的含量防腐

该方法是通过降低混凝土中含水量和在混凝土表面施加足够的保护防止水含量的增加来阻止钢筋的腐蚀。在目前的状况下，安全水含量的临界值通常很难得出准确的解答。根据工程实际经验，当混凝土对水的吸收通过混凝土表面合适的保护措施在大面积被阻止时，进一步的腐蚀就不会再发生。氯元素会增加混凝土的电解的传导能力，所以表面保护措施对降低水含量的影响必须大于由碳化所引起的腐蚀。

3.3 通过钢筋涂层防腐

当钢筋钝化或者限制水含量由于特定的条件不能被使用的时候，可以采取钢筋涂层防腐。其原理是在使用寿命之内的钢筋在出现腐蚀之前通过电绝缘的涂层来保护。其前提条件是：钢筋是未受到损害或者它能被替换。

不同种类的涂料都可以作为防腐蚀保护剂来使用。实际工程中使用得较多的涂料有环氧树脂、环氧砂浆等。环氧树脂涂层具有良好的防腐蚀性和电绝缘性，环氧砂浆涂层具有较好的黏附性、防腐蚀性及握裹力。

3.4 阴极防腐

阴极防腐是一种被广泛应用处理由氯引起钢筋腐蚀，并证明有效的电化学防腐技术。其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。阴极保护可以通过强制电流和牺牲阳极两种方式实现[11]。阴极防腐在对结构的整体寿命提供足够的保证的同时，极大的降低了将来对结构进行维修维护的风险。此外，它也不会影响新旧混凝土之间的复合作用。

在大量的工程实践中已经得到证明，对于在使用过程中的结构物，不论其氯含量的大小，阴极防腐都是最有效的防腐措施。

3.5 各种防腐原理优缺点的比较

通过上述4种钢筋腐蚀的防护措施在工程中的应用情况和对后期使用效果的检测，可以得到各种措施的优缺点，如表3。

表3 4种防腐措施优缺点比较

4 结 语

笔者就造成钢筋混凝土梁腐蚀的3种原因进行了分析，列出了腐蚀钢筋抗弯承载力的计算公式，对比分析了钢筋屈服强度下降系数α、钢筋锈蚀率η和协同工作系数k之间的耦合作用对抗弯承载力的影响；研讨并给出了较合理的抗弯承载力公式使用区间，但该结果仅为理论计算值，其准确性和精确性尚有待进一步验证。

针对钢筋混凝土梁桥防腐提出的4种有效防腐措施的应用，有助于提高钢筋混凝土结构的耐久性，减少因腐蚀带来的损失。

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Coupling Influence of Corrosion on Flexural Capacity of Reinforced Concrete Beam Bridge

Tang Lin, Xiao Shengxie

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Through elaborating the corrosion process and corrosion influence of the cracks, concrete carbonation and chloride on the reinforced concrete, the change trend and process of the decrease of yield strength, the decrease of effective section of the steel bar as well as the decrease of the cooperative working capacity of the reinforced concrete caused by corrosion were analyzed. And the coupling influence of different values of yield strength coefficient and the cooperative working coefficient on the bearing capacity of reinforced concrete was discussed in detail. Several kinds of protective measures to prevent or reduce the damage of the reinforced concrete frame caused by corrosion were proposed, which provided a certain reference for the actual bridge anti-corrosion projects.

bridge engineering; safety of RC; corrosion; bearing capacity; coupling influencing; protect

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.03

2014-08-07；

2014-12-23

国家自然科学基金项目(50879097)

唐 琳(1982—)，男，四川南充人，工程师，主要从事桥梁工程及防灾减灾方面的研究。E-mail: tang_527@126.com。

U445.7

A

1674-0696(2015)06-014-05