钢筋锈蚀对桥梁桩基础混凝土性能的影响研究

姚剑虹

（甘肃恒石公路检测科技有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 试验基本原理

1.1 钢筋锈蚀对混凝土结构性能的影响机理

钢筋发生锈蚀后, 导致钢筋混凝土构件性能下降的原因主要有以下两方面[1]：a.锈蚀对钢筋屈服强度的影响。钢筋锈蚀从点蚀开始，后期逐渐演变成坑蚀，然后逐步蔓延开来，最终将形成全面锈蚀。锈蚀后，钢筋体积会膨胀，混凝土内部将逐渐沿着主筋，逐渐形成裂缝，一旦形成裂缝，将造成钢筋锈蚀进一步加快，情况严重时，甚至会造成保护层剥落，最终导致构件有效横截面面积不足，承载力降低。b.锈蚀对粘结性能的影响。粘结性能主要表现为钢筋与混凝土之间的化学胶着力、相互间的摩擦力以及机械咬合力三大部分。良好的粘结性能是这两种不同材料能否很好地共同作用的基本前提。发生锈蚀后，在钢筋表面将形成一层铁锈层，其存在使得钢筋混凝土结构内部的粘结性能大幅降低。并且钢筋发生锈蚀后体积会膨胀，铁锈的体积约为钢筋的2～4 倍[2]，并且它与混凝土相互作用，从而导致粘结性能降低，并最终造成构件承载力减小。

1.2 钢筋电化学快速锈蚀试验原理

钢筋电化学快速锈蚀方法是通过对钢筋施加外加电流，达到钢筋在短期内快速锈蚀的目的的一种方法。在一定试验条件下，电化学快速锈蚀方法与自然锈蚀原理基本相同，都是一种较长的电化学反应，因此可以用表达电化学反应规律的法拉第定律[3]来进行定量描述。法拉第定律认为，电极上发生化学变化的物质的量与通过该电极的电量成正比。经过推导，则可得出电流密度、锈蚀时间、钢筋直径和锈蚀率之间的关系，如下式所示。

2 试验设计

综合考虑各方面的因素，通过配制一定数量的钢筋混凝土试块，对试块进行快速锈蚀试验，对锈蚀后的试块进行屈服强度和粘结强度的实验，然后对其锈蚀后的退化规律进行分析处理，使得试验所得到结果能够近似反映衬砌结构性能退化的基本规律。

2.1 试验模型。制作2 组尺寸为150mm×150mm×300mm的立方体试件，保护层厚度分别为2cm、5cm。如图1 所示。

图1 试验构件示意图

2.2 试验材料。试验用的NaCl 溶液由工业用氯盐鄂精盐和自来水配制而成；采用P Ⅱ42.5 号普通硅酸盐水泥，粗集料最大公称直径16mm，按C30 标号配置混凝土。配合比为水泥：砂：石：水=1：1.75：2.98：0.55；受拉主筋采用Φ10 钢筋。拆模后标养28d。

2.3 试验设备及仪器。采用直流稳压电压，规格为0～30V, 0～3A,负极采用3mm 后不锈钢板,绝缘水箱采用塑料水箱。用万能试验机来测定钢筋屈服强度,拉拔仪测定钢筋与混凝土的粘结强度。

3 锈蚀试验研究

试件编号与分组。根据试验方案，试块的通电锈蚀时间分别为2d，4d，6d，8d，根据钢筋的混凝土保护层厚度的不同，将试块分为2 组，一组保护层厚度为20mm，另一组保护层厚度为50mm。试验试件分组如表1 所示。

表1 试验锈蚀试件分组

4 试验成果

4.1 试验结果

从整体来看,锈蚀部位主要集中在沿纵筋分布的范围[4]。随着快速锈蚀试验通电时间的增长,试块的锈蚀状况随之加剧,主要表现为局部混凝土保护层剥落和沿纵向钢筋产生锈胀裂缝,局部区域已损坏很严重。主要原因为随着通电时间的加长,钢筋的锈蚀程度加深,锈蚀产物累积,而且锈蚀后的钢筋会产生体积膨胀,铁锈的体积是相应钢筋体积的2～4 倍,并且它与混凝土相互作用,产生钢筋锈胀力,最终导致沿钢筋布置位置出现混凝土胀裂,而裂缝的开展又加大了钢筋锈蚀的速度,如此形成恶性循环,最终导致试块损坏。在相同的锈蚀时间下,不同的混凝土保护层厚度的试块锈蚀状况不同,保护层厚度大,锈蚀状况较轻微。这是因为混凝土保护层能有效减缓混凝土中钢筋的锈蚀,延长钢筋开始锈蚀的时间,从而使得钢筋锈蚀的速率减慢[5]。

通过测试，得到保护层厚度为20mm 和50mm 的试块，在不同锈蚀时间、不同锈蚀电流下每根钢筋的锈蚀率如表2 和表3 所示，实测钢筋锈蚀率变化曲线如图2 和图3 所示。

表2 不同锈蚀条件下的钢筋锈蚀率（c=20mm）

表3 不同锈蚀条件下的钢筋锈蚀率(c=50mm)

图2 不同锈蚀时间下锈蚀率曲线（c=20mm）

图3 不同锈蚀时间下锈蚀率曲线（c=50mm）

结果表明，随着通电电流的增大和锈蚀时间的增长,钢筋的锈蚀率逐渐增大,而且保护层厚度小的钢筋的锈蚀率高于保护层厚度大的钢筋,说明混凝土保护层厚度有效地减缓了混凝土中的钢筋锈蚀。在锈蚀后期,由于试块裂缝的增长使得后期钢筋锈蚀的速度增长。

4.2 钢筋锈蚀对桥梁桩基础性能的影响

4.2.1 钢筋屈服强度变化规律。通过钢筋加速锈蚀试验,对不同锈蚀程度的钢筋进行拉拔试验,分别测得各钢筋的屈服强度如表4 和表5 所示。

表4 不同锈蚀率下的钢筋屈服强度（c=20mm）

表5 不同锈蚀率下的钢筋屈服强度（c=50mm）

从表中我们可以看到,在钢筋锈蚀初期,而且通电电流较小的情况下,钢筋的屈服强度几乎没有变化,而在锈蚀后期,通电电流比较大的情况下,屈服强度降低了很多,严重的甚至在混凝土内部就被锈断。这是因为在钢筋的锈蚀率比较小的情况下,几乎没有坑蚀现象,也不会有应力集中发生,而到了后期,锈蚀率明显增大,坑蚀现象比较严重,在截面薄弱部位很容易因应力集中而导致钢筋提前屈服。

各钢筋屈服强度变化曲线如图4 和图5 所示。

图4 不同锈蚀率下的钢筋屈服强度变化曲线（c=20mm）

图5 不同锈蚀率下的钢筋屈服强度变化曲线（c=50mm）

从图可以看出，钢筋的屈服强度整体呈现下降趋势，图4下降幅度比图5 的下降幅度要大，这是因为混凝土保护层厚度较厚的试块有效地减缓了钢筋的锈蚀，从而使钢筋的屈服强度退化的较慢。对同一保护层厚度，相同锈蚀时间的试块来说，通电电流越大，钢筋的锈蚀速率就越快，从而导致钢筋坑蚀严重，屈服强度下降。

4.2.2 钢筋锈蚀对混凝土构件性能的影响。钢筋截面积的减少或钢筋屈服强度的降低，直接导致混凝土构件的性能退化。现选取混凝土保护层厚度为20mm，通电电流为0.40A的试块，研究其性能的退化规律。钢筋锈蚀后钢本身材料的性质不会发生改变，而之所以导致屈服强度的降低，是因为钢筋锈蚀使得钢筋实际的有效截面积发生减小，然而钢筋屈服应力的测定仍然采用未锈蚀时的截面积，所以计算出来的屈服应力会变小。通过试验，得到在不同锈蚀率下屈服强度的变化曲线如图6 所示。

图6 不同锈蚀率下的钢筋屈服强度变化曲线

5 结论

通过室内电化学快速锈蚀试验,对不同锈蚀条件下,钢筋的锈蚀率随时间和电流的变化规律、不同保护层厚度对钢筋快速锈蚀时锈蚀率影响的大致规律研究。从结果来看,钢筋保护层的存在会对钢筋的锈蚀起到减缓作用,并且随着保护层厚度的增大,这种减缓作用将愈加明显。综合考虑钢筋材料性能的退化和钢筋与混凝土之间粘结强度的退化对构件性能的影响,对锈蚀后的试块进行屈服强度和粘结强度的试验,然后对其锈蚀后的退化规律进行分析处理,从而使得试验所得结果能够近似反映衬砌结构性能退化的基本规律。