混凝土結構損傷的主要形態及其對結構性能的影響研究

章學寧

（寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，寧夏 銀川750011）

0 引言

鋼筋混凝土結構的性能劣化問題十分復雜，包括大氣和近海環境的鋼筋銹蝕、凍融循環、化學腐蝕、淡水溶蝕、物理磨損以及各種因素的綜合作用。

1 混凝土碳化及對結構性能的影響

混凝土中的鋼筋銹蝕問題是造成混凝土結構耐久性損傷的主要因素，而在一般大氣環境下，混凝土碳化則是混凝土中鋼筋銹蝕的前提條件。因此研究混凝土碳化對混凝土結構耐久性的影響具有重要的現實意義。

1.1 混凝土碳化機理及條件

混凝土碳化是指大氣中的CO2與暴露在空氣中的混凝土表面接觸并且不斷向混凝土內部擴散，與水泥石中的堿性物質相互作用，使其成分、組織和性能發生變化，使用機能下降的一種很復雜的物理化學過程。混凝土碳化的主要化學反應方程式如下:

由于碳化反應的主要產物碳酸鈣屬非溶解性鈣鹽，比原反應物的體積膨脹約17%，因此，混凝土的凝膠孔隙和部分毛細孔隙將被碳化產物堵塞，使混凝土的密實度和強度有所提高，一定程度上阻礙了二氧化碳和氧氣向混凝土內部的擴散。另一方面，混凝土碳化使混凝土的pH值降低，完全碳化混凝土的pH值約為8.5-9.0，使混凝土中的鋼筋脫鈍，使鋼筋因失去混凝土對其的保護作用而生銹，從而影響其結構的耐久性。

1.2 混凝土碳化影響因素

碳化的主要影響因素為環境和混凝土質量。環境因素主要指周圍介質的相對濕度、溫度、CO2濃度等。1）相對濕度大，混凝土含水率高，滲透性低，碳化速度慢；2）溫度和CO2濃度越高，碳化速度越快。混凝土質量對碳化的影響主要取決于混凝土設計和施工（攪拌、振動、養護等）兩個方面。在鑒定過程中發現混凝土質量越好，抗碳化能力越強，碳化速度越慢；3）水灰比是決定混凝土孔結構的重要因素，在一定程度上決定了CO2在混凝土中的擴散程度。混凝土的碳化速度與水灰比成正比，水灰比越大，碳化速度越快；4）水泥用量影響混凝土吸收CO2的量，水泥用量越大，碳化速度越慢；5）施工質量決定混凝土的密實性。施工質量越好，密實性越好，其碳化速度越慢。

1.3 碳化混凝土結構性能特點

從對混凝土碳化機理的研究可看出，碳化引起了混凝上強度的提高，并使得混凝土變脆，延性降低，影響了構件的耗能能力。這對抗震極為不利。同時也影響了鋼筋混凝土結構構件的剛度、強度、裂縫、變形的計算。混凝土碳化不可避免的引起混凝土堿性降低，削弱了對鋼筋的保護作用，引起鋼筋的銹蝕，因而影響結構耐久性。另外，碳化使混凝土產生的碳化收縮以及使混凝土與鋼筋的粘結力降低，也對抗震不利。

2 鋼筋銹蝕及對結構性能的影響

2.1 鋼筋銹蝕機理

鋼材的銹蝕是指其表面與周圍介質發生化學反應而遭到的破壞。銹蝕可發生于許多引起銹蝕的介質中，如濕潤空氣、土壤、工業廢氣。鋼材的銹蝕分為化學銹蝕和電化學銹蝕，鋼材在存放和使用中發生的銹蝕主要屬于后者。埋于混凝土中的鋼筋，正常情況下處于堿性介質條件（新澆注混凝土的pH值約為12.5或更高），鈍化保護膜為堿性，鋼筋不會銹蝕。但是混凝土發生碳化或者有氯離子的侵入時，混凝土的pH值下降，鋼筋就有發生銹蝕的可能性。

當二氧化碳、氯離子等介質侵入時，混凝土中的堿性降低或者混凝土保護層受拉開裂等都將造成全部或局部的鋼筋表面鈍化膜的破壞，鋼筋表面的不同部位會出現較大的電位差，形成陽極和陰極，在一定的環境條件下（如氧和水的存在）鋼筋就開始銹蝕。混凝土中的鋼筋銹蝕一般為電化學銹蝕，根據電化學的原理，混凝土中的鋼筋銹蝕發生必須具備以下三個條件:在鋼筋的表面存在電位差，構成腐蝕電池；鋼筋表面的鈍化膜破壞，處于活化狀態；在鋼筋表面有腐蝕反應所需要的水和溶解氧。當以上三個條件均滿足時，就會發生電化學反應，化學反應方程式如下:

銹蝕過程的全反應就是陽極與陰極的組合，在鋼筋的表面會析出氫氧化二鐵，該化合物被溶解氧化后生成氫氧化三鐵，進一步生成了三氧化二鐵（紅銹）與四氧化三鐵（黑銹），黑銹體積可膨脹到原來的兩倍，紅銹則為四倍，鐵銹體積的膨脹對周圍的混凝土產生壓力，使混凝土沿保護層開裂，進而加速鋼筋的銹蝕。

2.2 銹蝕鋼筋的強度

銹蝕后鋼筋的的截面發生損失，導致鋼筋拉伸時會在最薄弱截面產生應力集中現象而提早拉壞，因此通常定義名義強度來反映鋼筋截面面積不均勻退化造成的鋼筋強度退化的影響。銹蝕鋼筋的名義屈服強度和名義極限強度分別為銹蝕鋼筋的實際屈服荷載和極限荷載與鋼筋公稱截面面積之比，即:

式中：fys和fus分別為銹蝕鋼筋的名義屈服強度和名義極限強度；Fy和Fu分別為銹蝕鋼筋的屈服荷載和極限荷載；As為未銹鋼筋截面面積，即公稱截面面積。

2.3 銹蝕鋼筋的應力-應變曲線特征

為保證結構的安全結構中所使用的鋼材除必要的強度性能外，還應保證正常的應力應變特性。一般來說，在正常的工藝制度和化學成分范圍內生產出的熱軋鋼筋都有明顯的屈服點和一定長度的屈服臺階。當鋼筋的銹蝕較輕，截面損失率較小時，鋼筋的應力應變曲線與未銹蝕鋼筋相同；對中等銹蝕且銹蝕均勻的鋼筋，其應力-應變曲線仍有明顯的屈服點；然而當鋼筋嚴重銹蝕后應力應變曲線發生很大的變化，沒有明顯的屈服點，屈服強度與抗拉強度非常接近，容易引起結構的突然破壞。即鋼筋銹蝕后，其塑性性能變差。

2.4 銹蝕對鋼筋延伸率的影響

鋼筋的延伸率是表征鋼筋內在質量的一個重要指標，它的變化會引起結構構件工作性能的改變。鋼筋的不均勻銹蝕造成截面局部削弱，在應力作用下鋼筋的最薄弱部位首先達到屈服，隨著荷載的增加，在其余部位尚未充分變形時，該部位已過早的達到抗拉強度而斷裂，導致鋼筋的延伸率降低。銹蝕率越大，這種局部削弱的效應也就越顯著，鋼筋延伸率降低得也越大。

2.5 銹蝕對鋼筋與混凝土粘結性能的影響

鋼筋混凝土結構是一種復合材料結構，鋼筋與混凝土兩種材料共同作用的基礎，在于它們之間具有足夠的粘結強度，使得鋼筋與混凝土之間可以有效的傳遞應力并協調變形。因此，銹蝕鋼筋與混凝土間粘結性能的退化是關系到鋼筋混凝土構件能否正常工作的關鍵，并決定著銹蝕鋼筋混凝土構件的受力性能。鋼筋輕微銹蝕時，鋼筋銹蝕產物的體積膨脹使混凝土對鋼筋的約束力增大，鋼筋與混凝土之間的摩擦系數也因鋼筋表面變得凹凸不平而增大，粘結力隨銹蝕量增加而有所增大；但隨著鋼筋銹蝕的進一步發展，疏松的鐵銹層破壞了鋼筋表面與水泥膠體之間的化學膠著力，變形鋼筋肋高的銹損則降低了鋼筋與混凝上之間的機械咬合力，銹蝕產物膨脹使混凝土保護層開裂、剝落，降低了外圍混凝土對鋼筋的約束力，在這幾方面的綜合影響下，粘結力隨鋼筋銹蝕量的增加而逐漸減小。

3 結束語

總之，結構損傷后，結構耗能能力、剛度、承載力和延性等逐漸降低，抗震能力下降，可見工程損傷對結構的抗震性能影響顯著，研究其損傷后性能的退化規律可以更好的指導相應設計、評估，以減少地震災害的危害。

［1］牛荻濤.混凝土結構耐久性與壽命預測[M].北京:科學出版社,2003.

［2］袁迎曙,賈福萍,蔡躍.銹蝕鋼筋的力學性能退化研究[J].工業建筑,2000,30（l）:43-46.