尹卓群

[摘要]首先從鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能及粘結(jié)性能方面的影響。

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)破壞 鋼筋銹蝕 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

國內(nèi)外工程調(diào)查表明，大量服役僅十幾到二十幾年鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于長期處于腐蝕環(huán)境下工作，雖然沒有遭受地震等破壞性自然災(zāi)害，但已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重破壞現(xiàn)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(chǎn)損失。統(tǒng)計資料顯示，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕失效每年造成了越來越巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題日益受到關(guān)注和重視，成為國際上活躍的本學(xué)科的前沿。再加上腐蝕問題帶來的隨機(jī)性和不確定性使這一問題顯得愈加復(fù)雜、且涉及學(xué)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(jié)構(gòu)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(qiáng)柱弱梁”產(chǎn)生影響。建筑結(jié)構(gòu)一般都沒有承受滿載，一旦地震發(fā)生，水平地震力就會很大，會導(dǎo)致建筑物的破壞。影響銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)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(jù)統(tǒng)計鋼筋銹蝕已成為導(dǎo)致混凝土破壞的首要因素。

（一）鋼筋腐蝕對結(jié)構(gòu)受力的影響

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，鋼筋受到周圍混凝土的保護(hù)，一般并不腐蝕。但當(dāng)保護(hù)層破壞或保護(hù)層厚度不足時，鋼筋在一定條件下將產(chǎn)生腐蝕。鋼筋腐蝕對結(jié)構(gòu)受力影響在于：（1）削弱鋼筋的受力，尤其是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的高強(qiáng)度鋼絲，表面積大、截面小、應(yīng)力高，一旦發(fā)生腐蝕，危險性更大，嚴(yán)重者會導(dǎo)致構(gòu)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(hù)層破裂甚至脫落，從而降低結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(gòu)件上產(chǎn)生的裂縫，往往是造成鋼筋腐蝕的很重要原因，尤其當(dāng)水泥用量偏小，水灰比不當(dāng)和振搗不良，或在混凝土澆筑中產(chǎn)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(zhì)的侵入造成鋼筋腐蝕?？諝庵械亩趸?xì)怏w，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(yīng)生成碳酸鈣（CaCO3）。這種現(xiàn)象稱為混凝土的碳化。碳化的速度除與二氧化碳濃度有關(guān)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(jié)果，就是PH值不斷下降，并不斷向內(nèi)部深化；當(dāng)碳化深度達(dá)到或超過鋼筋保護(hù)層時，鋼筋表面的鈍化膜遭到局部破壞，鋼筋開始腐蝕。當(dāng)大氣中遇有工業(yè)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(jié)合，從而使混凝土堿度迅速下降，使鋼筋遭受腐蝕。（3）與環(huán)境濕度密切相關(guān)，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(chǎn)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(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲構(gòu)件等，不然會造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞事故。

二、銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能

腐蝕作用造成鋼筋的局部坑蝕將嚴(yán)重影響鋼筋的力學(xué)性能，實際工程中鋼筋的銹蝕是由最初的點(diǎn)蝕坑逐漸擴(kuò)大發(fā)展的，銹蝕坑產(chǎn)生的缺口效應(yīng)力集中將引起銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、延伸率和粘結(jié)強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)的變化，蝕坑處應(yīng)力集中現(xiàn)象對構(gòu)件的受力性能有著嚴(yán)重的影響。鋼筋銹蝕影響結(jié)構(gòu)耐久性主要體現(xiàn)在兩個方面：一是導(dǎo)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(hù)層脫落以及粘結(jié)力下降等，最終導(dǎo)致構(gòu)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(xué)性能有著實際的理論意義和應(yīng)用價值。國內(nèi)外不少學(xué)者對銹蝕鋼筋的力學(xué)性能進(jìn)行了廣泛的試驗研究，主要討論了銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長率等物理力學(xué)特征隨鋼筋銹蝕率的變化規(guī)律。研究表明，對于表面有浮銹的鋼筋，當(dāng)其截面損失率小于1%時，鋼筋的應(yīng)力一應(yīng)變曲線以及鋼筋的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與母材相同，此類輕微銹蝕鋼筋對結(jié)構(gòu)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(yīng)力－應(yīng)變曲線仍有明顯的屈服點(diǎn)，鋼筋的伸長率基本大于規(guī)范最小允許值，鋼筋抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(yán)重的鋼筋，鋼筋的屈服點(diǎn)不很明顯，伸長率小于規(guī)范的最小允許值，鋼筋的各項力學(xué)性能指標(biāo)嚴(yán)重下降。

三、銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的粘結(jié)性能退化

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一種鋼筋和混凝土的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的各項性能不僅取決于鋼筋與混凝土的物理力學(xué)性能，而且與鋼筋與混凝土之間的協(xié)調(diào)工作能力有關(guān)。在承載能力和使用極限狀態(tài)下，鋼筋強(qiáng)度能否得到利用取決于粘結(jié)的有效長度。鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能的退化往往造成構(gòu)件剛度降低，喪失強(qiáng)度以及在理論分析中諸如裂縫寬度、塑性鉸轉(zhuǎn)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(jié)性能進(jìn)行深入的試驗和研究，以便充分了解粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度上的分布規(guī)律及在不同荷載作用下粘結(jié)應(yīng)力與相對滑移的本構(gòu)關(guān)系。

電化學(xué)加速腐蝕的試驗方法使鋼筋混凝土試件中鋼筋發(fā)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(jìn)行銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)性能試驗，分別研究受腐蝕鋼筋與混凝土之間的極限粘結(jié)強(qiáng)度及粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。由于受腐蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能的影響因素眾多，可分別考慮保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)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(jié)性能受多種因素的綜合影響，且各影響因素與粘結(jié)性能之間是一種非常復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此考慮影響因素越多，粘結(jié)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(jié)性能。

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