現役橋梁混凝土鋼筋在自然環境下的銹蝕特征及分級評價＊

郝保紅 曾 丁 盛敏徽 宋夕洋

（北京石油化工學院機械工程學院1） 北京 102617 交通運輸部公路科學研究院2） 北京 100088）

0 引 言

鋼筋混凝土結構在長期的服役過程中，隨著時間的推移鋼筋會發生銹蝕，這是一種常見的自然現象［1］.造成鋼筋銹蝕的環境因素比較多，主要有自然環境（如潮濕的空氣、含侵蝕性介質的地下水、海洋環境等）以及工業生產中的酸、堿、鹽腐蝕等.前期已經在實驗室采用模擬加速試驗的方法［2-3］，研究了不同pH 情況，有無氯鹽的環境下混凝土中鋼筋的銹蝕規律.然而，自然腐蝕過程是一個復雜的過程，遠比實驗室的因素要復雜得多，橋梁外部環境如空氣干濕度、周邊污染程度、混凝土有無涂層以及橋梁使用年限，甚至南北地域的差異等都會對腐蝕速率的預測及測量造成十分復雜的影響.

本課題在前期工作的基礎上運用多種電化學檢測手段，對服役實橋內部配筋進行了無損量化檢測，分析總結了自然環境下鋼筋銹蝕的特征，通過與前期實驗室結果對比分析，揭示了自然環境與加速模擬環境的區別與聯系.

1 實橋資料

根據圖紙及雷達探查情況，確定該實橋2＃蓋梁測點位置見圖1.

圖1 實橋定位測點坐標圖

2 結果和討論

2.1 蓋梁實測結果分析

圖2為實橋蓋梁內部配筋電化學實測結果失重率分布圖及鋼筋裸露情況照片.

圖2 實橋2＃蓋梁電化學檢測結果分析

由圖2a）可見，15根內置鋼筋銹蝕情況大致接近，失重率基本落在8.3%～20.8%的區間中，均值為13.3%.其中（0.2，0.4，1.8 m）等處出現的個別鋼筋數值偏大的情況，是由于混凝土剝落致使該處鋼筋外露導致的腐蝕加劇.參見圖2b）鋼筋裸露實景圖，表明銹蝕率實測結果與鋼筋裸露情況基本吻合.

2.2 橋臺實測結果分析

圖3是實橋0＃橋臺電化學實測結果失重率分布柱狀圖及實橋場景照片.

圖3 實橋0＃橋臺電化學檢測結果分析

由圖3 可見，整體地看：失重率基本落在18.6%～33%的區間中，均值為24.9%.整體數據偏大.原因是由于橋臺處于嚴重積水潮濕環境侵蝕狀態下，銹蝕速率大于干燥地帶；由圖3a）還可發現，脈沖電流法實測結果比線性極化法實測結果普遍偏大，這表明線性極化比脈沖電流法更具精準性，數據出入反映出2種檢測方法存在的檢測誤差；但數據的基本接近又表明了檢測數據的科學性和可信賴性.2種檢測結果均顯示：橋臺兩側的鋼筋失重率檢測結果高于中間部位檢測結果，這與兩側地勢偏低，積攢的雨水使鋼筋常年處于濕度較高的環境中導致銹蝕程度加重有關.參見圖3b），檢測出的銹蝕率與環境惡劣程度相吻合.

2.3 箱梁實測結果分析

圖4為用2種電化學方法檢測的箱梁無損量化實測結果對比圖及箱梁鋼筋裸露處局部放大圖.

圖4 實橋箱梁鋼筋銹蝕率檢測結果圖

由圖4可見，1＃位鋼筋失重率明顯高于后四根.這是因為在一號鋼筋末端位置有一段裸露在空氣中的鋼筋，促使了1＃鋼筋位的加速腐蝕，但整體看，所有鋼筋的銹蝕率都處于較低的水平，這是因為該箱梁表面涂有防水涂層，使得橋體處于干燥服役狀況下，在經歷了20 多年的服役之后依然維持了一個較低的銹蝕速率.由實測結果還可發現：2種方法測得的結果很接近，這也說明了干燥的環境不僅有利于降低鋼筋的銹蝕程度，而且對測量的精準性也很有利，可有效降低測量誤差及系統分析誤差.

2.4 護欄實測結果分析

圖5是用2種電化學方法檢測的實橋護欄的失重率計算結果.

圖5 電化學方法檢測三洪奇舊橋護欄銹蝕率圖

由圖5 可見，1＃和2＃護欄銹蝕率大致在8%～12%，相對較低，而且上下兩段鋼筋失重率最大，中間部位較小.這是因為兩段鋼筋所處位置容易受到空氣、雨水、風等自然環境的侵蝕的緣故.

2.5 然氣候條件下的鋼筋銹蝕速率時變模型

自然氣候條件下的鋼筋銹蝕速率時變模型及鋼筋腐蝕破壞的階段分區圖見圖6～7［4-6］.

圖6 銹蝕速率時變過程模式

圖7 鋼筋腐蝕破壞的幾個階段

由圖6可見，在不同條件下，鋼筋銹蝕速率的時變過程比較相似，銹蝕電流密度曲線的演變規律基本一致；而且銹蝕速率具有時變性特征；鋼筋銹蝕速率的時變過程可以劃分為6個階段，依次為上升階段TP-1、下降階段TP-2、平穩階段TP-3、上升階段TP-4、平穩階段TP-5以及下降階段TP-6；通過實橋分析檢測基本驗證了上述時變模型的正確性，即：無論是蓋梁還是橋臺，無論是潮濕還是干燥，也不論有無涂層，銹蝕率的整體變化規律都基本一致.都經歷了快速銹蝕之后的穩定期.由圖7可見：鋼筋腐蝕破壞經歷了腐蝕開始、混凝土開始脹裂、混凝土開裂、徹底破壞4 個階段.通過實橋檢測，蓋梁處于碳化前沿達到侵蝕介質在混凝土與鋼筋界面的臨界值，但鋼筋鈍化膜未被破壞，屬于t0期，處于真正的結構安全使用期.橋臺由于腐蝕介質在局部區域超過臨界值而發生了局部腐蝕，腐蝕產物的積累導致混凝土局部開裂，屬于t1，需要做必要的維護和加固處理.有涂層的箱梁屬于干燥狀態下的腐蝕，年限雖長，但也屬于t0期，護欄風化加劇了腐蝕，屬t2段：需進行必要的維修加固［7］.

3 結 論

1）通過用脈沖電流法和線性極化法的實橋檢測對比分析可知：線性極化法的檢測精度高于脈沖電流法.

2）實橋檢測結果表明：蓋梁箱梁螺紋鋼的銹蝕程度低于橋臺和護欄的光圓鋼的銹蝕程度，這一結果與前期實驗室加速模擬結果似乎不同.主要是因為外部環境不同和尺寸差異導致的.橋臺常年處于潮濕且有氯鹽的環境中，自然會比處于干燥環境下的蓋梁混凝土螺紋鋼腐蝕嚴重.特別是暴露在空氣中的鋼筋銹蝕情況要明顯高于實橋內部配筋的銹蝕率.此外，因為橋臺和護欄使用的光圓鋼筋直徑為8cm，而蓋梁和箱梁使用的螺紋鋼直徑為16cm.二者沒有可比性.

3）實橋測量結果得知：潮濕處的橋臺鋼筋的失重率最高達到33%，最低為18%；而干燥處的蓋梁鋼筋失重率則分布在8%～15%之間.有涂層的護欄鋼筋和箱梁鋼筋則具有更小的失重率.僅為4%～8%，表明環境對鋼筋銹蝕的影響作用是非常之大的.涂刷了防水層的箱梁及護欄，有助于保護混凝土內部配筋，有效降低內部配筋的腐蝕速率.此外，承重的因素也是影響鋼筋銹蝕的主要因素，橋臺高于護欄鋼筋銹蝕率，蓋梁高于箱梁的銹蝕率就與承載輕重有關.

［1］姬永生，袁迎曙，宋 萌，等.混凝土中鋼筋銹蝕層發展和細觀結構分析［J］.建筑結構學報，2009，37（11）：303-308.

［2］HAO Baohong，ZENG Ding，LI Hang，et al.Model research of concrete reinforcement corrosion mechanism and corrosion rate under the corrosion of chloride ion［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，470：847-853.

［3］HAO Baohong，DOU Yantao，ZENG Ding，et al.Linear polarization method research of quantitative de-tection based on concrete reinforcement corrosion［J］.Applied Mechanics and Materials，2014，526：64-69.

［4］丁國清，蔡建軍，張 波.橋梁鋼結構的大氣腐蝕特征［J］.公路交通科技，2010，27（9）：10-19.

［5］WEI J，FU X X，DONG H，et al.Corrosion evolution of reinforcing steel in concrete under dry／wet cyclic conditions contaminated with chloride［J］.Mater.Sci.Technol，2012，28（10）：905-912.

［6］何仲文，鄭 宏，李培軍，等.環保型裂縫修復材料對混凝土構件抗滲性能的影響研究［J］.新型建筑材料，2013，4（1）：71-73.

［7］吳 順.公路橋梁鋼筋銹蝕原因及防治方法［J］.山西建筑，2012，38（27）：190-192.