钢筋锈蚀对混凝土结构影响研究

郝昌言，周小姿，周清勇

（1. 上饶市国控水利水电工程建设监理有限公司，江西 上饶，334001；2. 江西省水利科学院，江西 南昌，330029）

0 引 言

水利工程的功能性质决定着其工作环境十分复杂，当钢筋混凝土材料长期处于浸泡或干湿交替环境时，钢筋的锈蚀现象不可避免。随着钢筋锈蚀程度不断发展，钢筋混凝土材料耐久性将不断降低，工程结构的承载能力及其工作性能势必受到影响，严重者甚至会导致结构失效破坏发生不可预估的灾害，对当地人民的生命财产安全带来巨大隐患，因此水利工程中的钢筋锈蚀问题不容忽视。

在以往大量的理论及试验研究中，可将钢筋锈蚀对钢筋混凝土材料的影响分为对材料力学性能的影响、对材料粘结滑移性能的影响和锈胀作用三个方面，同时学者们对钢筋锈蚀产生的各类问题进行了归纳分析[1-3]，取得了众多成果。但多数研究成果对于各因素之间的耦合效应考虑不足，这也是未来水工混凝土结构针对钢筋锈蚀产生老化问题的重要研究方向。本文从多角度详细阐述了钢筋锈蚀机理和钢筋锈蚀对于钢筋混凝土结构的影响，以期为钢筋锈蚀方向的研究提供参考。

1 钢筋锈蚀机理

钢筋产生锈蚀的主要原因是钢筋外表面钝化膜破坏导致的电化学反应[4]。混凝土硬化过程中由于水泥水化会形成Ca（OH）2，结合其它盐碱性物质，钢筋包裹其中会被氧化形成一层稳定、致密的水化氧化膜γ-Fe2O3·nH2O，厚度约为2～6nm，其使得钢筋即使在有氧气和水分的环境下也会处于钝化状态而不被锈蚀，因此被称为“钝化膜”。钝化膜破坏的主要原因有两类：当混凝土发生碳化效应后，混凝土孔溶液中的Ca（OH）2含量降低致使pH 值持续下降，当pH 值下降至11.5时，钝化膜逐渐失稳，当pH 值下降至9～10 时，钝化膜将发生破坏，此时钢筋处于脱钝状态并发生锈蚀；当混凝土中掺入了含氯外加剂或是环境中氯离子侵入混凝土，此时混凝土孔溶液中氯离子过高导致其置换出钢筋钝化膜中的氧离子，在膜内层形成易溶解的FeCl2，使钝化膜溶解并在钢筋表层产生锈坑。

脱钝后的钢筋锈蚀是一个典型的电化学过程，当钢筋表面存在一定的电位差构成腐蚀电池，并存在氯离子扩散所需的氧气与水时，即会发生电化学反应。其具体过程主要包括以下四步：

电位差使阳极区铁原子离开晶格变为表面吸附原子Fe2+，并释放出电子：

随后电子进入传输过程沿钢筋至阴极区，在阴极区与氧气和水发生还原反应：

还原反应生成氢离子，与阳极区Fe2+发生反应得到Fe（OH）2，并在富氧条件下反应生成Fe（OH）3：

随后当Fe（OH）3发生脱水反应变为多孔疏松的红锈Fe2O3，在缺氧条件下氧化不完全的红锈将有部分变为黑锈Fe3O4：

钢筋锈蚀的影响因素众多，由上述可知，除去自身材料品质的影响，最主要的影响因素还是环境中的温度、湿度、pH 值和氯离子浓度等。

2 钢筋锈蚀对材料力学性能的影响

钢筋锈蚀对钢筋混凝土材料力学性能的影响主要表现为钢筋强度的降低以及钢筋延性减弱，钢筋锈蚀后表面将形成分布不均且大小不一的锈坑，改变钢筋的有效持力面积，从而影响其整体受力状态，同时随着锈蚀程度的不断加深，钢筋强度与变形能力也将持续下降。当前关于锈蚀引起钢筋力学参数变化趋势的研究成果基本一致，众多学者的研究均显示钢筋锈蚀后其应力-应变曲线与未锈蚀阶段存在较大区别，其中曲线屈服平台段的长度与钢筋锈蚀程度呈反比，同时屈服段将变得平缓甚至消失[5，6]。

钢筋锈蚀率与钢筋基本力学参数的关系也是学者们关心的重点[7]，当前研究成果所得锈蚀后钢筋力学参数的变化趋势基本一致，但对于室内试验而言，由于试件来源和试验环境不同，加上试验方法及其它客观因素综合而成的原因造成定量结果存在一定的离散性，差异较大而尚未出现较为统一的结论。在锈蚀率问题的定性上则较为明确，我国标准《CECS220：2007 混凝土结构耐久性评定标准》[8]中将锈蚀率5%作为模型的界限，认为当钢筋锈蚀率达到5%时，构件已经属于严重锈损构件，在文献[7]中的试验成果中也验证了这一点，其通过人工模拟气候环境来加速钢筋锈蚀的情况下，发现当锈蚀率达到5%时钢筋力学性能变化速率出现拐点，钢筋的名义极限强度和名义屈服强度将急剧下降，而弹模下降的速率则趋于平缓，因此也将锈蚀率为5%作为模型的界限，并给出相应关系式：

式中，Eu,c为锈蚀钢筋的名义弹性模量，GPa；fy,c为锈蚀钢筋的名义屈服强度，MPa；fu,c为锈蚀钢筋的名义极限强度，MPa；δs,c为锈蚀钢筋的伸长率；εy,c为锈蚀钢筋的极限应变；Eu0为未锈蚀钢筋的弹性模量，GPa；fy0为未锈蚀钢筋的屈服强度，MPa；fu0为未锈蚀钢筋的极限强度，MPa；δs0为未锈蚀钢筋的伸长率；εy0为未锈蚀钢筋的极限应变。

3 钢筋锈蚀对材料粘结滑移性能的影响

钢筋锈蚀后锈蚀表面产生的锈蚀产物将在材料的胶结部位形成新的粘结界面，该粘结界面上的力学性能受混凝土强度、混凝土保护层厚度以及钢筋锈蚀物厚度等多个因素的影响[9]。在锈蚀开始阶段，锈蚀产物虽会破坏钢筋与混凝土之间的化学胶着力，但轻微锈胀将增大两者的机械咬合力，同时锈蚀产物与混凝土之间的摩擦系数也会增大，此时钢筋与混凝土之间的粘结强度略有提升；而锈蚀逐步加深后，增强的锈胀力将破坏混凝土保护层，此时钢筋与混凝土之间的机械咬合力将下降，同时逐步稀疏的锈蚀产物与混凝土之间的摩擦系数也将降低，这些因素综合后使得粘结强度随锈蚀率增大而不断退化。文献[1]结合试验拟合钢筋混凝土粘结滑移性能与锈蚀产物厚度、保护层厚度和抗拉强度之间的关系，并建立了相应的计算公式：

式中，τcu为钢筋锈蚀后材料极限粘结强度，kPa；βu为材料极限粘结强度折减系数；τou为材料原始极限粘结强度，kPa；K1为钢筋锈蚀产物厚度t 的影响参数；K2为相对保护层厚度c/d 的影响参数；K3为混凝土抗拉强度的影响参数。

根据其试验拟合，可得：

式中，t 可根据《既有混凝土结构耐久性评定标准》（GB/T 51355-2019）[10]中式5.2.1 求得。

钢筋锈蚀后的钢筋混凝土粘结强度将会出现折减，文献[11]根据滕智明试验结果回归拟合了折减系数相关公式：

式中，ρ 为钢筋锈蚀率；β 为锈后钢筋和混凝土之间的粘结强度降低系数。

4 钢筋锈蚀引起的锈胀作用

如上所述，钢筋锈蚀后将在锈蚀表面产生一层零碎的锈蚀产物，锈蚀产物松散的特性决定其所形成的粘结界面体积将大于所锈蚀钢筋部分的体积，因此将形成挤压混凝土保护层的锈胀作用，而锈胀作用的过程中存在很多成果是试验无法获取的，例如混凝土应力分布状态和裂缝潜在发展路径等。因此目前关于锈胀作用的研究多集中于有限元数值仿真，当前学者模拟锈胀作用的主要方式有三类：施加径向力、施加径向位移和设置温度膨胀环。目前施加径向位移的方法相对而言使用较为广泛，其计算时边界条件与荷载施加均较其它两种方法更为便捷[12]，而无论采用何种方法模拟，均需要充分考虑钢筋锈蚀非均匀的基本特性，即实际工程中钢筋毗邻保护层的一侧总是先发生锈蚀，而钢筋内侧表面锈蚀速度则远低于该侧。

式中，u1是外侧最大位移，mm，u2是内侧最小位移，mm，θ 为各部位与x 轴的夹角°。

图1 非角区钢筋周围径向位移分布

图2 角区钢筋周围径向位移分布

5 算例分析

本文建立梁试件的三维有限元模型，如图3 所示，模型尺寸为100mm×160mm×500mm，共80 693个结点，73 920个单元。将钢筋布设用与钢筋截面相对应的孔洞模拟，由于本算例仅用于对比分析，因此仅考虑底部受拉钢筋的锈胀作用。

充分考虑钢筋锈蚀对材料的影响，分析梁试件在锈胀作用下的变化。如图3 至图5 所示，钢筋锈胀作用下，混凝土角区出现了明显的应力集中现象，在锈胀较为严重时还会出现不同程度的损伤，与未考虑锈胀作用存在明显的区别。

图3 梁试件锈胀作用下位移分布图

图4 梁试件锈胀作用下主拉应力分布图

图5 梁试件锈胀作用下损伤分布图

6 结 语

本文主要针对水工混凝土结构无法规避的钢筋锈蚀问题，从钢筋锈蚀机理和钢筋锈蚀对于钢筋混凝土结构的影响两个方面进行了归纳描述，重点分析了钢筋锈蚀对材料力学性能的影响、钢筋锈蚀对材料粘结滑移性能的影响和钢筋锈蚀引起的锈胀作用，并确定钢筋锈蚀各影响因素之间的耦合效应是未来水工混凝土结构针对钢筋锈蚀产生的老化问题的重要研究方向，未来将在这方面进行深入研究。