基于大气环境下锈蚀钢筋力学性能试验探讨

文/马荣军 云南省迪庆州质量监督综合检测中心 云南迪庆州 674412

基于大气环境下锈蚀钢筋力学性能试验探讨

文/马荣军 云南省迪庆州质量监督综合检测中心 云南迪庆州 674412

随着现代建筑工程技术的发展，钢筋混凝土构件成为了建筑工程中广泛使用的结构，对于建筑工程的耐久性和使用寿命提高做出了重要贡献。但是随着钢筋混凝土构件服役时间的增加，钢筋出现锈蚀的现象也十分普遍。本文立足于钢筋混凝土结构的锈蚀现场，对不同锈蚀程度的钢筋进行除锈处理和力学性能试验，根据试验结果，得出钢筋锈蚀的力学性能会随着锈蚀率的增加而下降，从而为找到合理方法防控钢筋混凝土的锈蚀，提高钢筋混凝土结构的耐久性和可靠性奠定了坚实的基础。

大气环境；锈蚀钢筋；钢筋混凝土；力学性能试验

钢筋混凝土构件中钢筋的锈蚀对于混凝土结构耐久性和可靠性具有严重威胁，据不完全统计，全世界每年因为钢筋锈蚀而产生的维护和加固费用就高达1000亿美元。随着钢筋锈蚀的不断发展，混凝土结构的使用性能和安全性能均不断下降。尤其是，钢筋锈蚀后，由于铁锈的存在，钢筋的体积会出现膨胀现象，从而在混凝土结构内部产生内压力，如果由于这个压力所产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土保护层就会出现开裂问题，对于混凝土结构的使用性能威胁极大。随着钢筋锈蚀的不断发展，裂缝问题会越来越严重，钢筋与混凝土之间的粘结性能和结构刚度会不断退化，混凝土构件的承载力会不断被削弱，对于建筑物的使用寿命构成严重威胁。

一、钢筋锈蚀机理

在混凝土孔隙中普遍存在氢氧化钙饱和溶液，pH值很高，碱度高，再加上混凝土中氧化钠、氧化钾的存在，实际的pH值还会有所增加。在这样的高碱性环境下，钢筋表面会发生氧化反应，形成一层水化氧化膜，并附着在钢筋表面，也称为“钝化膜”，即使是在有水分和氧气的环境中，钢筋也不会被锈蚀。但是，钢筋之所以还能够发生锈蚀，主要是由两个因素导致的，分别是混凝土中性化使钢筋位置的pH值降低和游离氯离子的浓度增加并扩散到钢筋表面，使钝化膜失效。

在钝化膜失效以后，混凝土中钢筋的锈蚀是一个典型的电化学过程：阳极发生氧化反应：Fe-2e←→Fe2+；阴极发生还原反应：O2+2H20+4e←→4OH-。阴极和阳极所生成的物质发生反应，生成Fe（OH）2，如果氧气充分，Fe（OH）2会进一步被氧化，生成Fe （OH）3，即4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe （OH）3，脱水后形成红锈（Fe2O3)，如果氧气不充分，则会生成黑锈（Fe3O4），即6Fe（OH）2+O2→2Fe3O4+6H2O[1]。在大气环境下，钢筋锈蚀的机理还可以用下图1来形象表示。

图1 大气环境下混凝土内部钢筋锈蚀机理

二、大气环境下锈蚀钢筋力学性能试验方法

1.试验取样

本次试验所选用的是某地一服役20年的休息长廊处的钢筋混凝土构件，通过构件原位替换、现场取样的方法，从中取出存在不同锈蚀程度的钢筋作为试件。首先用弱酸对试件进行清洗，后用清水对其进行清洗，并用石灰水来进行中和，之后还要用清水进行洗涤，待清洗完毕后将试件做烘干处理，之后用天平进行质量测定，并测定钢筋的长度，方可放入干燥器中备用。

2.钢筋锈蚀率的确定

关于钢筋锈蚀率的测定，如果钢筋锈蚀均匀，可以采用界面损失率和质量损失率来进行锈蚀程度的判断；如果钢筋锈蚀不均匀，尤其是在大气环境条件下，钢筋的锈蚀往往不是均匀呈现的，而是多表现为坑蚀，锈蚀的不均匀性和离散性随着锈蚀量的增加而增加，质量损失率和截面损失率的差异也会增加。对于本次试验，对于钢筋锈蚀率的确定，以质量损失率为准。钢筋质量损失率ρ的计算公式为

ρ=[(Mo-Mr)/Mo]*100%，

其中，Mo表示钢筋初始质量，Mr表示锈蚀后质量。

3.试验方法

在试验过程中，充分借助万能试验机的优势，对钢筋的主要力学性能进行测定，包括钢筋的屈服强度、抗拉强度、伸长率等[2]。在试验过程中，必须保证所有钢筋试件的拉伸试验所使用的加载速率相同，钢筋的锈蚀率通过对比分析计算的方式获得。

三、试验结果分析

1.钢筋极限伸长率与锈蚀率的关系

通过试验，不难看出，在钢筋发生锈蚀后，伸长率明显下降，如下图2所示。在试验过程中，伸长率均为钢筋的极限伸长率，钢筋发生锈蚀后，钢筋的伸长率呈现快速下降趋势，当锈蚀率低于4%-6%时，伸长率基本上已经超过规范最小允许值。当锈蚀率超过8%-10%时，伸长率也会低于规范最小允许值。对于I级钢筋和 和II级钢筋，其锈蚀率分别取下限值和上限值。当锈蚀率超过5%时，具有局部坑蚀的钢筋，其伸长率和锈蚀率之间的关系可以表示为

δ1=aρ+δIu，

其中，a表示锈蚀相关系数，I级钢筋取-0.5，II级钢筋取-0.59，ρ表示钢筋质量损失率，δIu为正常钢筋的极限伸长率。

图2 不同类型钢筋极限伸长率与锈蚀率的关系

2.屈服强度与锈蚀率的关系

通过试验得知，随着锈蚀率的增加，钢筋的屈服强度不断下降，详见图3，锈蚀后钢筋屈服强度与锈蚀率之间的关系用公式表示为

σys=cρ+310，

其中，σys为钢筋屈服强度，单位为MPa，ρ表示钢筋的质量损失率，用%表示，c为影响系数，I级钢筋取-3.1，II级钢筋取-7.5。

图3 钢筋屈服强度与锈蚀率的关系

3.钢筋抗拉强度与锈蚀率的关系

详见图3，钢筋锈蚀率增加，抗拉强度越来越低，但是又呈现出波动趋势。之所以出现这样的现象，主要还是跟钢筋锈蚀的不均匀性有关系，由于存在坑蚀现象，应力集中，所以钢筋的抗拉强度在波动中随着锈蚀程度的加深而下降。根据试验结果，抗拉强度与锈蚀率的关系可以用公式表示为

σts=k1x+k2，其中，σts为钢筋锈蚀后的抗拉强度，x为钢筋质量损失率，k1和k2为锈蚀影响系数，关于k1，I级钢筋取-4.0，II级钢筋取-5.6；关于k2，I级钢筋取315，II级钢筋取445。

4.锈蚀钢筋力学性能试验的结论综述

在大气环境条件下，钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀主要以坑蚀为主，锈蚀产物也呈现出明显的赤褐色，疏松多孔陪你过，体积膨胀率大[3]。在本次试验过程中所用试件已出现严重锈蚀现象，对于混凝土间的可靠性和粘结度极为不利，严重影响着混凝土结构的安全度和可靠性。与此同时，由于钢筋的不均匀锈蚀和局部坑蚀，钢筋受力性能也受到严重损害，不利于建筑物的可持续发展。

其次，随着钢筋锈蚀程度不断加深，锈蚀率不断增加，钢筋的延性会不断下降，脆性会不断增加。

第三，随着钢筋锈蚀程度的不断加深，钢筋的力学性能呈现出不断下降的趋势，在这一方面，II级钢筋的下降趋势明显高于I级钢筋。

结语：

综上，在大气环境下，钢筋混凝土结构内部钢筋的锈蚀受到多种因素的干扰，不能以一个力学性能试验来解释所有问题，其中，锈蚀后钢筋粘结性能下降、钢筋锈蚀物膨胀率的测定等问题仍然需要进一步研究。但是，随着现阶段科学技术的进步，建筑工程施工工艺的完善，钢筋锈蚀问题应该全面重视起来，不断提高钢筋的抗锈蚀能力，提高钢筋混凝土的稳定性，促进建筑工程实现可持续发展。

[1]沈德建,吴胜兴.大气环境下严重锈蚀钢筋混凝土梁力学性能试验研究[J].桥梁建设,2007,(1):28-31.

[2]李凤兰,侯维玲,侯朋兵,等.锈蚀钢筋的力学性能试验研究[J].华北水利水电学院学报,2013,34(4):61-64.

[3]陈辉,张伟平,顾祥林,等.高应变率下锈蚀钢筋力学性能试验研究[J].建筑材料学报,2013,16(5):869-875.