銹蝕鋼筋混凝土構件與建筑結構設計的影響

尹卓群

[摘要]首先從鋼筋銹蝕對結構的影響角度論述了鋼筋銹蝕的主要原因，然后分析和探討了腐蝕對鋼筋混凝土結構構件受力性能及粘結性能方面的影響。

[關鍵詞]結構破壞 鋼筋銹蝕 建筑結構設計

中圖分類號：TU3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420101－01

國內外工程調查表明，大量服役僅十幾到二十幾年鋼筋混凝土結構，由于長期處于腐蝕環境下工作，雖然沒有遭受地震等破壞性自然災害，但已經出現了嚴重破壞現象，有的不得不大修或拆除，有的甚至因鋼筋銹斷而倒塌，造成人員傷亡、財產損失。統計資料顯示，鋼筋混凝土結構的腐蝕失效每年造成了越來越巨大的經濟損失。因此，受腐蝕鋼筋混凝土結構的耐久性問題日益受到關注和重視，成為國際上活躍的本學科的前沿。再加上腐蝕問題帶來的隨機性和不確定性使這一問題顯得愈加復雜、且涉及學科范圍十分廣泛，目前存在很多問題有待研究解決。

一、鋼筋腐蝕對結構影響及主要原因

鋼筋銹蝕后會影響柱的配筋率，梁柱銹蝕率不一樣，那么十年后鋼筋截面減少會對“強柱弱梁”產生影響。建筑結構一般都沒有承受滿載，一旦地震發生，水平地震力就會很大，會導致建筑物的破壞。影響銹蝕鋼筋混凝土受彎構件正截面承載力的因素有多個，但主要影響因素是鋼筋的銹蝕程度。鑒于試驗資料的限制，全面考慮其他影響因素的作用仍有困難。在影響耐久性的因素中，裂縫起著主要的作用。據統計鋼筋銹蝕已成為導致混凝土破壞的首要因素。

（一）鋼筋腐蝕對結構受力的影響

在鋼筋混凝土結構內，鋼筋受到周圍混凝土的保護，一般并不腐蝕。但當保護層破壞或保護層厚度不足時，鋼筋在一定條件下將產生腐蝕。鋼筋腐蝕對結構受力影響在于：（1）削弱鋼筋的受力，尤其是預應力混凝土結構內的高強度鋼絲，表面積大、截面小、應力高，一旦發生腐蝕，危險性更大，嚴重者會導致構件斷裂的危險。（2）鋼筋腐蝕體積膨脹大約增大2.2倍，會使混凝土保護層破裂甚至脫落，從而降低結構的受力性能和耐久性能。（3）鋼筋腐蝕降低了與混凝土間的粘接力，影響鋼筋與混凝土共同工作的性能，降低結構的強度安全。

（二）鋼筋腐蝕的主要原因

（1）混凝土不密實或有裂縫存在造成鋼筋的腐蝕。混凝土密實度不良和構件上產生的裂縫，往往是造成鋼筋腐蝕的很重要原因，尤其當水泥用量偏小，水灰比不當和振搗不良，或在混凝土澆筑中產生露筋、蜂窩、麻面等情況，都會加速鋼筋的銹蝕。（2）混凝土碳化和侵蝕性氣體、介質的侵入造成鋼筋腐蝕。空氣中的二氧化碳氣體，在混凝土表面層中逐漸為氫氧化鈣的堿性溶液所吸收，相互反應生成碳酸鈣（CaCO3）。這種現象稱為混凝土的碳化。碳化的速度除與二氧化碳濃度有關外，還取決于相對濕度。生成的碳酸鈣很難溶解，其飽和溶液的PH值為9。因此，混凝土碳化的結果，就是PH值不斷下降，并不斷向內部深化；當碳化深度達到或超過鋼筋保護層時，鋼筋表面的鈍化膜遭到局部破壞，鋼筋開始腐蝕。當大氣中遇有工業廢氣，如氯化氫、氯等酸性氣體，將同樣被混凝土吸收而與氫氧化鈣結合，從而使混凝土堿度迅速下降，使鋼筋遭受腐蝕。（3）與環境濕度密切相關，上述三種因素中，空氣中二氧化碳、侵蝕性氣體及相對濕度，有時因生產需要難以控制，因而要重視和做好混凝土的密實度。混凝土密實度好，混凝土碳化難以深入，鋼筋也難腐蝕。尤其對于薄殼鋼筋混凝土結構和預應力高強度鋼絲構件等，不然會造成嚴重的結構損壞事故。

二、銹蝕鋼筋混凝土構件的力學性能

腐蝕作用造成鋼筋的局部坑蝕將嚴重影響鋼筋的力學性能，實際工程中鋼筋的銹蝕是由最初的點蝕坑逐漸擴大發展的，銹蝕坑產生的缺口效應力集中將引起銹蝕鋼筋屈服強度、極限強度、延伸率和粘結強度等力學性能指標的變化，蝕坑處應力集中現象對構件的受力性能有著嚴重的影響。鋼筋銹蝕影響結構耐久性主要體現在兩個方面：一是導致鋼筋有效截面面積的減少；二是銹蝕后體積膨脹（約為銹蝕前的2-4倍）引起順筋裂縫、保護層脫落以及粘結力下降等，最終導致構件承載力下降、服役壽命縮短。因此，研究不同銹蝕情況下鋼筋的力學性能有著實際的理論意義和應用價值。國內外不少學者對銹蝕鋼筋的力學性能進行了廣泛的試驗研究，主要討論了銹蝕鋼筋屈服強度、極限強度、伸長率等物理力學特征隨鋼筋銹蝕率的變化規律。研究表明，對于表面有浮銹的鋼筋，當其截面損失率小于1%時，鋼筋的應力一應變曲線以及鋼筋的抗拉強度、屈服強度與母材相同，此類輕微銹蝕鋼筋對結構沒有影響；對于截面損失率小于5%且均勻銹蝕的弱腐蝕鋼筋，應力－應變曲線仍有明顯的屈服點，鋼筋的伸長率基本大于規范最小允許值，鋼筋抗拉強度和屈服強度可以與母材相同來考慮，承受荷載的計算需考慮截面的折減，對結構計算影響不大；對于截面損失率5%-10%的鋼筋，由于鋼筋銹蝕的不均勻性，鋼筋屈服強度、抗拉強度、伸長率均開始下降；對于截面損失率大于10%且小于60%的腐蝕嚴重的鋼筋，鋼筋的屈服點不很明顯，伸長率小于規范的最小允許值，鋼筋的各項力學性能指標嚴重下降。

三、銹蝕鋼筋混凝土構件的粘結性能退化

鋼筋混凝土結構是一種鋼筋和混凝土的復合材料結構，結構的各項性能不僅取決于鋼筋與混凝土的物理力學性能，而且與鋼筋與混凝土之間的協調工作能力有關。在承載能力和使用極限狀態下，鋼筋強度能否得到利用取決于粘結的有效長度。鋼筋與混凝土之間粘結性能的退化往往造成構件剛度降低，喪失強度以及在理論分析中諸如裂縫寬度、塑性鉸轉動能力、剪切破壞及非線性有限元分析等問題的解決都要求對粘結性能進行深入的試驗和研究，以便充分了解粘結應力沿錨固長度上的分布規律及在不同荷載作用下粘結應力與相對滑移的本構關系。

電化學加速腐蝕的試驗方法使鋼筋混凝土試件中鋼筋發生不同程度的銹蝕，而后再對這些受腐蝕鋼筋混凝土試件進行銹蝕鋼筋混凝土粘結性能試驗，分別研究受腐蝕鋼筋與混凝土之間的極限粘結強度及粘結滑移本構關系。由于受腐蝕鋼筋與混凝土之間的粘結性能的影響因素眾多，可分別考慮保護層厚度、混凝土強度、鋼筋直徑、鋼筋類型及鋼筋位置的影響。然而，由于鋼筋與混凝土之間的粘結性能受多種因素的綜合影響，且各影響因素與粘結性能之間是一種非常復雜的非線性關系，因此考慮影響因素越多，粘結性能模型的建立就愈困難，考慮因素過少又不能較好地反映銹蝕鋼筋混凝土之間的粘結性能。

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