海洋環境下鋼筋混凝土結構腐蝕疲勞分析

李 穎

(河南省桃花峪黃河大橋投資有限公司，河南鄭州 450001)

0 引言

目前國內外跨海大橋的橋墩主要采用鋼筋混凝土結構，鋼筋混凝土結構耐久性問題一直是國內外廣大研究者關注的重點。在20世紀初，Haigh教授首先提出了腐蝕疲勞現象，在以后EvansV.R.認為在工程實踐中這種現象是一個很重要的問題，截止目前，國內外對于腐蝕疲勞已經做了很多的研究工作，但都集中在航空和機械領域，而結構工程領域的研究資料相對較少。早在1988年，美國曾報道，一年用于維修和加固鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復費用高達2 500億美元，其中橋梁修復費用約占60%，是初建費用的4倍;類似的鋼筋腐蝕破壞的情形在歐洲、澳大利亞等沿海國家非常普遍，在我國也已經發現許多海港碼頭的混凝土結構使用不過十年已普遍發生順筋銹脹開裂、剝落等破壞，相關部門不得不斥巨資修復[1]。而對于海洋環境中的鋼筋混凝土橋墩，氯鹽的外侵導致結構性能的降低，是造成腐蝕破壞的主要原因，腐蝕現象較內陸更加嚴重。因此，鋼筋混凝土構件的腐蝕疲勞問題是一個非常重要同時也是十分迫切需要解決的問題，鑒于此，本文對跨海環境下鋼筋混凝土結構做一些初步的探討。

1 鋼筋混凝土結構的腐蝕疲勞性能研究

對于普通的鋼筋混凝土構件，荷載頻率相對偏低，對鋼筋混凝土構件的影響較小，但對于受到腐蝕的鋼筋混凝土構件，荷載頻率卻對其疲勞極限強度影響較大，且荷載頻率越低，混凝土結構的疲勞極限強度將越低[2]。腐蝕與疲勞荷載的耦合作用直接導致了受彎構件承載能力的降低。

1.1 鋼筋疲勞性能

鋼筋的銹蝕機理主要是Cl－的外侵，大致分為三步，首先是酸化水泥表面的堿性環境，破壞其表面的鈍化膜，然后形成以鐵為陽極，以殘余鈍化膜為陰極的“腐蝕電池”使鋼筋表面徹底暴露，此外，氯離子還可作為中間載體不斷地使 Fe2+和 OH－生成Fe(OH)2，運走Fe2+，加速腐蝕電池反應，產生鋼筋的銹蝕。

近幾年，研究者展開了對鋼筋銹蝕率與鋼筋疲勞壽命關系的研究，首先是孫曉東等[4]在不同銹蝕率下鋼筋混凝土梁的疲勞試驗中，初步得到了特定應力幅下鋼筋銹蝕率與鋼筋疲勞壽命之間的關系，而后張偉平等人[5]還在銹蝕鋼筋的軸向拉伸疲勞試驗中發現，對于光圓鋼筋，在不同應力幅下，腐蝕率與鋼筋疲勞壽命比的函數關系也存在一定差異，見表1。對于腐蝕對鋼筋疲勞壽命影響的具體表達式還有待進一步研究。

表1 銹蝕鋼筋疲勞試驗疲勞壽命比數據

1.2 混凝土疲勞性能

混凝土本身的疲勞強度較靜力強度低很多，對于處于海洋腐蝕環境中的混凝土疲勞強度更低，一方面，混凝土自身疲勞性能降低;另一方面，由于腐蝕引起的鋼筋膨脹使得混凝土開裂，加重了混凝土疲勞性能的降低程度。陳栓發等[6]學者通過一系列的混凝土疲勞試驗用腐蝕疲勞因子和腐蝕介質因子的取值說明了腐蝕會降低混凝土疲勞性能，但具體量化的關系式還需要進一步研究確定。

1.3 鋼筋與混凝土粘結性能

鋼筋與混凝土之間的粘結性能受腐蝕環境的影響很大，鋼筋的銹蝕和混凝土的脆化使得鋼筋與混凝土之間的咬合力和摩擦力大幅度下降，鋼筋與混凝土粘結力的下降導致鋼筋混凝土結構整體的疲勞性能的降低，潘振華等人[9]得到考慮銹蝕率影響下疲勞荷載下鋼筋粘結強度可以用粘結退化系數β與銹蝕后鋼筋粘結強度的乘積表示，即。但粘結退化系數β的影響因素較多，具體取值尚需進一步的試驗確定。

2 提高鋼筋混凝土結構耐久性的措施

2.1 提高材料本身性能

從材質本身的性能出發，采用高性能混凝土，將優質混凝土礦物摻合料和新型高效減水劑復合，配以與之相適應的水泥和級配良好的粗細骨料，形成高性能混凝土。高性能海工混凝土以較高的密實度和較強的抗氯離子滲透性為特征，技術手段可靠，抗銹效果顯著，已有較多的成功實例，但是對施工場地和施工技術要求較高，必須確保養護時間大于15 d。

2.2 構造措施

根據規范盡可能提高鋼筋保護層厚度(一般不小于50 mm)，見表2。實驗表明，對于暴露于海洋環境中的混凝土，表面30 mm～50 mm深度范圍內的Cl－濃度遠低于15 mm深度處的Cl－濃度，但保護層厚度的增加也應有限制。國內外已建和在建的跨海大橋幾乎均適當的加大了保護層來提高混凝土結構的耐久性。

2.3 保護涂層

2.3.1 混凝土保護涂層

混凝土保護涂層可以在使用壽命內有效地阻絕腐蝕性介質與混凝土接觸，從而延長混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命，但由于海洋環境的腐蝕作用，一般涂層系統自身壽命在5年～10年左右，通常僅作為防腐蝕的輔助措施。一方面，可選用能與混凝土表面的強堿性相適應的薄層涂料作為保護混凝土中鋼筋的措施，該類涂層與混凝土的粘結力不小于1.5 N/m2，并且涂層系統自身壽命和對混凝土的有效防護時間不低于10年;另一方面，可選用自身壽命短的涂層系統用于早齡期混凝土的防護，在混凝土的水化尚未充分完成的齡期內，減輕氯鹽等腐蝕物質侵入混凝土內部。

表2 最小保護層厚度 mm

2.3.2 鋼筋保護涂層

通過在鋼筋表面敷涂致密的環氧樹脂涂層，將鋼筋與外界環境隔離，達到延長鋼筋使用壽命的目的，但結構的整體力學性能較差。而且由于生產環氧涂層鋼筋時除去了鋼筋表面的氧化膜，一旦銹蝕開始，銹蝕速率較快。因此在施工過程中對環氧涂層鋼筋的保護要求極其嚴格，從而加大了施工難度，一般不推薦采用。

2.4 化學方法

2.4.1 鋼筋阻銹劑

作為外加劑中的一種，一定量的鋼筋阻銹劑即可有效抑制混凝土中氯離子的活化作用，并且可以通過單分子的緩慢化學反應，生成具有隔離保護作用的鈍化層，從而能拖延鋼筋出現銹蝕的時間并降低鋼筋銹蝕速度。我國的鋼筋阻銹劑使用可參照YB J231-91鋼筋阻銹劑使用技術規程。

與其他混凝土外加劑相比，鋼筋阻銹劑主要有以下幾個特點:1)在有效抑制鋼筋腐蝕的同時還具有增強混凝土密實度的作用;2)操作過程簡單，對鋼筋混凝土結構的施工沒有過多的要求;3)一次添加可以長期發揮阻銹功用，添加了阻銹劑的鋼筋混凝土結構在壽命期內可滿足鋼筋防銹功能且不需進行特殊養護，全壽命經濟效果十分可觀。

表3 國內外跨海大橋耐久性措施實例

2.4.2 陰極保護

根據電化腐蝕氧化還原反應原理，鋼筋腐蝕(陽極反應)的同時釋放出自由電子，陰極防護即通過引入一個外加犧牲陽極或直流電源來抑制鋼筋在電化學腐蝕反應過程中釋放電子從而延長海工混凝土的使用壽命。在相同的電解質中將需保護的結構物作為陰極，用石墨等不溶性的物質作陽極，外加與原電池極性相反的直流電源，在通電后，將負電荷(電子)在鋼鐵表面積累，抑制鋼鐵發生失去電子的作用，從而防止了鋼鐵的腐蝕，這種方式的保護就是外加電流型陰極保護。陰極保護系統的制造、安裝和維護費用較為昂貴且穩定性不高。

3 國內外海洋環境下橋梁防腐措施實例

表3中列舉了國內外部分跨海大橋的防腐措施，不難看出，國內外已建和在建的橋梁對于延緩鋼筋混凝土構件的腐蝕病害、提高混凝土結構耐久性的最常用方法即改善混凝土性能、配合比，并且加大鋼筋混凝土的保護層厚度。諸如混凝土表層浸涂防護、添加鋼筋阻銹劑、鋼筋環氧涂層等手段只能作為附加措施，大多應用于特殊部位的耐久性良好的密實混凝土中。而對于陰極防護系統可應用于處于極端惡劣環境下并且十分重要的工程結構中。此外，嚴格控制施工技術和施工質量，也能起到保護橋梁結構避免腐蝕的作用。

4 結語

影響鋼筋混凝土結構腐蝕疲勞的因素較多，本文只是做了試探性的初步介紹總結，國內外的研究方向大多集中在腐蝕對疲勞性能的影響方面，而在疲勞加載參數對腐蝕速度的影響上，至今還是很少。隨著科技的發展，對疲勞現象研究的深入，將來定會有更好的防腐和維護措施，確保鋼筋混凝土的質量。

[1] 仲偉秋，王海超，何世欽.受腐蝕鋼筋混凝土結構性能的研究[J].遼寧工程技術大學學報，2003，22(1):50-53.

[2] Jaske C E，Payer J H，Balint V S.CORROSION FATIGUE OF METALS INMARINE ENVIRONMENTS[M].BATTELLE PRESS，1981.

[3] 曹建安，文雨松.銹蝕鋼筋的疲勞試驗研究[J].長沙鐵道學院學報，1998，16(4):15-18.

[4] 孫曉東.銹蝕鋼筋混凝土梁疲勞性能研究[D].長沙:湖南大學，2006:5.

[5] 張偉平，李士彬，顧祥林，等.勉自然銹蝕鋼筋的軸向拉伸疲勞試驗[J].中國公路學報，2009，22(2):53-58.

[6] 陳栓發，高 蕾.高性能混凝土腐蝕疲勞評價指標研究[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版)，2005，37(2):265-269.

[7] 李 鵬.腐蝕環境下鋼筋混凝土疲勞性能研究[D].長沙:中南大學，2009.

[8] 王海超.鋼筋混凝土構件腐蝕疲勞實驗研究與理論分析[D].大連:大連理工大學，2010.

[9] 潘振華，牛荻濤，王慶霖.銹蝕率與極限粘結強度關系的試驗研究[J].工業建筑，2000，30(5):9-12.