混凝土結構耐久性研究綜述

農云開 沈春亮 張永青 廣西大學，南寧 530004

混凝土結構耐久性研究綜述

農云開 沈春亮 張永青 廣西大學，南寧 530004

本文從鋼筋的銹蝕機理、鋼筋銹蝕對混凝土構件的影響、鋼筋混凝土結構耐久性的評估以及提高耐久性的措施這四個方面對近幾年的研究進行綜述。

銹蝕；耐久性；評估

引言

鋼筋作為鋼筋混凝土結構的重要組成部分，它具有一個不容忽視的特點就是易受到腐蝕，如在混凝土碳化及氯離子侵蝕的條件下，鋼筋表面的鈍化膜因受到破壞而漸漸失去保護作用，使得鋼筋銹蝕進一步加劇。混凝土結構本身是一種抗拉強度很低的材料，所以在鋼筋混凝土梁結構中，很多構件是帶裂縫工作的，當裂縫擴展到一定程度時，會引起鋼筋銹蝕、混凝土碳化等現象，從而降低結構的耐久性。另外，在工程中使用氯鹽早強劑，在北方冬季使用的化冰鹽或是結構使用環境中存在氯離子時，鋼筋銹蝕和混凝土碳化的現象更為明顯，而氯離子擴散導致的耐久性損失也是眾多原因中最大的。近年來，鋼筋銹蝕引起的結構過早破壞已經受到全世界的普遍關注，結合我國國情，為了解決眾多人口的居住問題及加快工業發展，從20世紀中葉開始進行了大量的基礎建設，對這些已有幾十年使用時間的建筑進行耐久性評估及加固維修等顯得尤為重要。

本文從鋼筋的銹蝕機理、鋼筋銹蝕對混凝土構件的影響、鋼筋混凝土結構耐久性的評估以及提高耐久性的措施四個方面對近幾年的研究進行綜述。

1、鋼筋銹蝕機理研究

在一般情況下，混凝土本身是一種pH值約為13的高堿性環境，鋼筋在這種高堿性的環境下，表面會迅速形成氧化鐵鈍化膜，厚度約200～600 nm。該膜內部是一種致密、穩定的共格結構，水及氧氣無法通過該結構滲透過去，內部不能形成腐蝕電池；而且，即使陰極區有足夠的水和氧氣，也會因為該鈍化膜抵制了鐵離子的釋放、阻止了陽極反應，進而避免電化學反應的發生。很顯然，混凝土的正常堿度能很好地阻止鋼筋銹蝕。但是當鋼筋混凝土被Cl-侵蝕時，如海洋環境橋梁結構冬季撒除冰鹽后, Cl-通過混凝土面的孔隙逐漸擴散至鋼筋表面， Cl-可以破鋼筋表面鈍性，鋼筋由鈍態轉為活化態，隨即發生銹蝕。

氯離子的侵蝕是造成鋼筋銹蝕的主要原因之一，關于氯離子的擴散及對鋼筋的銹蝕機理，眾多學者已經進行了大量的研究并取得了豐碩的成果。施惠生[1]等研究了氯離子含量對混凝土中鋼筋銹蝕的影響規律。研究表明：混凝土中氯離子含量越高，鋼筋開始銹蝕的時間越早；鋼筋開始銹蝕后以及進入穩定銹蝕階段時氯離子含量越高，鋼筋銹蝕速率發展的速率越快，鋼筋銹蝕速率越大；混凝土一旦發生開裂后，鋼筋銹蝕就進入加速銹蝕階段。姬永生[2]等通過干濕循環和氯鹽浸泡對比試驗，表明在干濕循環作用下，氯離子在混凝土中的傳輸速度遠大于飽水混凝土內外氯離子濃差引起的離子擴散速度，氯離子在上部非飽水混凝土中和在飽水混凝土中的傳輸機理不同。對上部非飽水混凝土中氯離子的滲透行為進行了機理分析，并建立了干濕循環作用下氯離子傳輸速度模型，可為準確地預測實際工況混凝土結構的使用壽命提供參考。

2、鋼筋銹蝕對混凝土構件的影響

鋼筋銹蝕嚴重時會造成混凝土構件的承載力退化以致失效，其原因主要有以下三個方面：1)鋼筋銹蝕使得鋼筋凈截面面積減小，構件的配筋率下降，銹蝕鋼筋的力學性能退化；2)鋼筋銹蝕產生銹脹力，造成混凝土截面損傷；3)鋼筋銹蝕會使鋼筋與混凝土間的黏結性能退化[3]。針對上述三方面的影響，利用物理模型試驗和數值計算分析，圍繞鋼筋銹蝕對構件承載力的影響，國內外開展了一系列的研究。

以往在研究鋼筋銹蝕構件承載力的時候，都是通過電化學原理對鋼筋進行一定程度的銹蝕，然后再對試件進行加載，比較其承載力的變化特點。但是這種實驗方法并不能很好的模擬實際工程的情況，因為在實際工程中，鋼筋在銹蝕的整個過程里都受到持續荷載的作用，為了使實驗更接近工程的實際情況，張喜德[4]進行了鋼筋混凝土受彎構件在作用荷載下的銹蝕破壞全過程模擬試驗研究，對試件變形發展過程以及鋼筋和混凝土應變發展過程進行分析，并總結了持續荷載作用下的銹蝕破壞特點，得出以下結論：（1）銹蝕破壞過程分為黏結滑移、銹蝕裂化和銹蝕破壞三個階段；(2)銹蝕破壞形態有黏結錨固破壞型態、斜截面破壞型態和折斷破壞型態三種類型；（3）鋼筋混凝土梁作用荷載越接近極限荷載，梁破壞時的撓度越大，但鋼筋的塑性性能越低；（4）鋼筋極限拉應變均隨作用荷載的增加而減小；（5）混凝土最大壓應變隨銹蝕量的增加而增加；（6）在全梁均勻銹蝕量時，梁的破壞接近于塑性破壞，但當只發生局部銹蝕破壞時，接近脆性破壞。

易偉建、趙新[5]對鋼筋混凝土梁進行在鋼筋加速銹蝕條件下的準長期靜力荷載試驗。通過對縱向受力鋼筋通穩壓直流電，采用氯化鈉溶液作為電解液等實驗方法，實現了被混凝土所包裹的主筋的快速均勻銹蝕。在長期恒定荷載條件下，觀測了試驗梁的固有頻率、撓度、混凝土應變隨時間的變化。通過對比，建立了恒載作用下，鋼筋銹蝕量與試驗梁固有頻率、撓度、混凝土受壓區應變變化的對應關系。

在疲勞荷載作用下鋼筋混凝土構件的剛度降低、裂縫開展，其中主要原因之一是鋼筋與混凝土間黏結力的退化。范進、董福興[6]對疲勞荷載作用下鋼筋銹蝕混凝土構件的黏結滑移性能進行了試驗研究，研究結果表明：疲勞荷載強度相同的情況下，極限黏結強度和滑移差值在銹蝕率小于2%呈上升狀態，當銹蝕率大于4%時則呈現下降狀態。

在鋼筋銹蝕引起的構件剛度變化研究方面，衛軍[7]等對15根柱進行受壓實驗，15根柱分別以不同的銹蝕率和不同的偏心距作為參數，在實驗結束后對破壞特征進行分析，結果表明：在破壞形式上，鋼筋銹蝕平不能引起破壞形式的轉變，破壞形態與普通鋼筋混凝土的偏心受壓破壞形態基本相同，但是當銹蝕率大于6%時，鋼筋銹蝕對剛度則產生較大影響，且大偏心受壓構件比小偏心受壓構件更容易受影響。

3、鋼筋混凝土結構耐久性的評估

鋼筋混凝土結構構件的耐久性破壞,與其他破壞過程相比較，既有相同的地方，又有著自身的特點。第一，耐久性破壞是由量變到質變這樣一個逐漸發展的過程，它對結構的影響需要較長的時間才能體現出來。第二，在眾多影響耐久性的因素當中，許多因素過于復雜和模糊，并不能通過數學函數精確地表達出來。第三，這些影響耐久性的因素不僅本身起著影響作用，還會相互作用從而共同產生影響，這就進一步增加了我們對影響程度進行計算的難度。根據使用條件的不同和對建筑物壽命要求的差異，目前對混凝土耐久性的評估中主要使用以下幾種準則：碳化壽命準則、銹脹開裂壽命準則、裂縫寬度與鋼筋銹蝕量限值壽命準則、承載力壽命準則[8]。

由于混凝土結構耐久性評估具有隨機性、灰色性的特點，薛鵬飛、項貽強[9]以灰色關聯分析為基礎，結合模糊識別理論，利用信息熵和復合權重的概念，綜合考慮了專家經驗和檢測數據固有信息的重要性，這種評估方法使評估結果更加客觀、準確。

對于氯離子環境下的耐久性評估方法，吳瑾[10]等將混凝土表面氯離子濃度和保護層厚度作為隨機變量，將擴散系數作為隨機過程，建立了混凝土保護層中氯離子濃度分布的隨機模型，推導出了氯離子濃度的均值，用于計算鋼筋開始銹蝕時間。

現在的耐久性評估標準大多采用“優、良、中、差”這樣的等級標準劃分，但是這樣的劃分標準在實際工程中的準確性并不高，比如處在兩個等級邊界的構件該如何評估等級，這說明這樣的等級標準劃分只是屬于模糊劃分，為了找到一個更有效的評估方法，史長瑩[11]等將基于模糊數學理論的模糊綜合評估系統用于結構的耐久性評估，在混凝土結構耐久性模糊綜合評估體系的基礎上，根據熵的概念，在耐久性等級劃分標準已知的前提下，充分挖掘實測數據中的信息，提出了一種確定指標權值的新方法。

4、如何提高鋼筋混凝土結構的耐久性

要提高混凝土結構的耐久性，就要從影響耐久性的因素著手，找出提高結構耐久性的方法。

混凝土的抗滲性對結構的耐久性有很大的影響，抗滲性好的混凝土可以有效地減少氯離子的滲透，從而降低鋼筋的銹蝕速度，提高耐久性。在工程中可以將密實抗滲劑摻入混凝土中，以形成某種膠體或絡合物填充、堵塞毛細孔縫，從而提高混凝土的抗滲能力。

在設計混凝土的時候，如果能夠降低水泥的用量，就可以減小溫度開裂的影響，這樣也就可以有效地減少腐蝕性物質通過這些裂縫腐蝕鋼筋所帶來的影響。在實際工程中，一些礦物摻和料如硅灰、粉煤灰、礦渣等不但可以提高混凝土的強度，還可以降低水泥用量。

堿骨料的反應對結構的危害是很嚴重的，一旦發生則很難修復。堿骨料反應是指材料中的水泥、外加劑、混合材和水中的堿與骨料中活性氧化硅發生化學反應，生成的堿硅酸凝膠在吸水后產生膨脹壓力，最終導致混凝土開裂的現象。要抑制這種現象的發生，就要嚴格控制混凝土中骨料的總含堿量。

鋼筋的銹蝕導致的耐久性損失是眾多影響耐久性因素中最大的，要提高鋼筋的耐銹蝕性，可以采用鋼筋阻銹劑。主要有以下幾種類型：陽極型鋼筋陰銹劑，陰極型鋼筋阻銹劑，綜合型鋼筋阻銹劑。

除了以上一些措施之外，嚴格控制保護層厚度，加強混凝土早期養護，改善結構使用環境等也可以提高結構的耐久性。

[1]施惠生,郭曉潞,張賀.氯離子含量對混

凝土中鋼筋銹蝕的影響[J].水泥技術.2009年5月

[2]姬永生,袁迎曙.干濕循環作用下氯離子在混凝土中的侵蝕過程分析[J]. 工業建筑.2006年第36卷第12期

[3]張偉平.混凝土結構的鋼筋銹蝕損傷預測及其耐久性評估[D].上海:同濟大學博士學位論文.1999

[4]張喜德.鋼筋混凝土構件耐久性的若干問題研究[D] .廣西大學博士學位論文.2004

[5]易偉建,趙新.持續荷載作用下鋼筋銹蝕對混凝土梁工作性能的影響[J].土木工程學報. 2 0 0 6年1月,第39卷第1期

[6]范進,董福興.疲勞荷載下鋼筋銹蝕混凝土構件黏結性能試驗研究[J]. 南京理工大學學報(自然科學版).第33卷第6期，2009年12月

[7]衛軍,張華,李鵬程,黃瀅. 鋼筋銹蝕引起的混凝土偏壓構件剛度退化研究[J].武漢理工大學學報.第31卷第13期,2009年7月

[8]陳建國,王海龍,劉杰. 鋼筋混凝土梁耐久性的評估研究[J]. 四川建筑.第26卷4期2006年

[9]薛鵬飛,項貽強.基于灰色關聯度和模糊識別的混凝土結構耐久性評估[J] . 混凝土.2009年第2期

[10]吳瑾,吳勝興.氯離子環境下鋼筋混凝土結構耐久性壽命評估[J]. 土木工程學報.第38卷第2期2 0 0 5年2月

[11]史長瑩,焦峰華,王麗娟. 混凝土結構耐久性模糊綜合評估系統中指標權值計算模型[J]. 西安建筑科技大學學報(自然科學版). 第38卷 第1期,2006年2月

This paper mainly reviews the rencent develepments of the corrosion mechanism of steel,the impact of stell corrosion on reinforced concrete structures,the durability assessments of the reinforced concrete structure and the measures to improve the durability of reinforced concrete structure .

Corrosion；Durability；Assessment

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.045

農云開，男，廣西南寧人，碩士研究生，從事結構耐久性研究。