氯离子侵蚀下锈蚀结构性能劣化研究综述

杨路

摘 要：氯离子侵蚀引发的钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土（RC）结构抗震性能劣化的主要原因，在实际工程中最为常见。本文首先介绍了氯离子侵蚀下钢筋锈蚀导致RC结构抗震性能劣化的机理，随后从锈蚀钢筋、锈蚀混凝土、锈蚀钢筋与混凝土粘结滑移三方面综述了国内外研究现状，最后对当前研究进行总结，为进一步研究氯离子侵蚀下RC材料、构件及结构的力学与抗震性能奠定理论基础。

关键词：锈蚀;钢筋混凝土;粘结滑移;抗震分析;研究进展

0 引言

服役环境和服役龄期对结构性能劣化影响显著，近海大气环境中的有害氯离子侵蚀是引发结构性能劣化的关键因素。目前国内外学者针对氯离子侵蚀引发的结构性能劣化模型进行了较为深入的研究。氯离子侵蚀对RC结构性能的影响，如图1所示。结构性能劣化主要体现为：钢筋有效受力截面的损失、钢筋强度和延性的劣化、混凝土强度和延性的退化，以及钢筋-混凝土界面粘结应力的退化。

1 钢筋性能劣化

按照锈蚀钢筋表面特征，可将钢筋的腐蚀分为：均匀腐蚀与局部腐蚀。当腐蚀沿着钢筋均匀分布时，就会发生均匀腐蚀，而局部腐蚀会使钢筋产生局部凹坑，称为点蚀。针对氯离子侵蚀引发钢筋局部坑蚀导致钢筋的力学性能退化的研究主要采用试验方法。Du基于108根锈蚀钢筋（通电锈蚀、自然锈蚀）拉伸试验数据，得到了锈蚀钢筋极限强度与屈服强度表达式。Andisheh通过对锈蚀钢筋（通电锈蚀、机械锈坑）拉伸试验研究，指出钢筋锈蚀并不会引发强度的退化，认为钢筋锈蚀直接导致有效截面积削减，进而引发承载力下降，强调相对于强度而言，锈蚀钢筋延性的降低更应该被关注。

吴庆等通过对56根不同锈蚀程度的钢筋（人工气候环境模拟腐蚀、恒电流加速腐蚀）开展拉伸试验，研究不同锈蚀方法对钢筋各项力学性能影响。研究表明，在相同的锈蚀程度下，不同锈蚀方法得到的钢筋特性并不一致，且随着钢筋锈蚀程度的增加，之间的差异更为显著。基于试验数据，提出了锈蚀率与钢筋性能（极限强度、屈服强度、延性）的定量关系，得到了锈蚀钢筋的本构模型。李风兰等通过对54根锈蚀钢筋（恒电流加速腐）进行拉伸试验，结果显示：钢筋有效截面积损失是钢筋力学性能退化的主要原因，钢筋的最小剩余截面积决定了钢筋的屈服强度和极限强度。随着钢筋锈蚀程度增加，钢筋的屈服强度、极限强度以及伸长率均降低。张伟平等通过对267根锈蚀钢筋（157根实验室外加电流、35根大气环境自然腐蚀、75根实际现有构件中）进行拉伸试验，同时结合已有的钢筋锈蚀试验数据得到了不同腐蚀条件下的锈蚀钢筋本构模型。

3 混凝土性能劣化

随着钢筋锈蚀产物堆积于钢筋表面，钢筋出现体积膨胀现象，造成周围混凝土承受锈胀拉应力。当锈胀拉应力达到保护层可承受的抗拉强度时，保护层发生开裂直至脱落。裂缝的产生将加速氯离子的扩散，进而导致钢筋锈蚀速率加快。随着箍筋锈蚀程度的增加，核心区混凝土的约束效应逐渐降低、性能逐渐劣化。Coronelli等提出了随服役龄期的增加混凝土强度退化公式。在该公式中，保护层开裂引起的横向应变是导致混凝土强度退化的关键，主要取决于截面宽度、钢筋数量以及平均裂缝宽度。

Vu等基于电化学方法对RC棱柱体试件进行腐蚀，对腐蚀试件开展了轴压试验，分析了钢筋锈蚀程度对混凝土强度的影响规律，并提出了考虑箍筋锈蚀效应的约束混凝土本构模型。

4 钢筋与混凝土粘结性能劣化

钢筋-混凝土界面粘结力是钢筋与混凝土材料协同工作的基础，是构件具备良好抗震性能的前提。钢筋-混凝土界面粘结力包括四部分：化学胶着力、摩阻力、混凝土与钢筋之间的机械咬合力以及钢筋端部的锚固力。

Fang等人对40个腐蚀率为0～9%的试件进行了拉拔试验。结果表明，腐蚀作用对配制箍筋试件的粘结应力的退化影响较小，但对未配制箍筋试件的粘结应力影响较大。在未配置箍筋的情况下，锈蚀率为9%的试件粘结强度较未发生锈蚀试件降低了2/3。杨海峰等对23组通电加速锈蚀获得的混凝土试件进行拉拔试验，通过对试验数据统计分析，总结了不同锈蚀程度下钢筋-混凝土界面粘结应力与滑移量分布情况，得到了考虑锈蚀效应的RC构件的粘结-滑移本构关系。粘结强度是钢筋-混凝土粘结性能中最受关注的一部分，国内外学者结合试验研究与理论分析，提出了不同适应情况下的腐蚀粘结强度计算公式。

5 结语

随着使用年限的增长，钢筋混凝土（RC）结构会暴露一系列耐久性问题，钢筋锈蚀造成的RC结构损伤最为严重，在工程结构中也最为常见。本文首先介绍了氯离子侵蚀下RC结构的性能劣化情况，并进而从锈蚀钢筋、混凝土、钢筋与混凝土间粘结性能三方面对国内外研究现状进行综述，可为进一步研究氯离子侵蚀下RC材料、构件及结构的力学与抗震性能奠定理论基础。

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