海域混凝土桥梁腐蚀及劣化机理研究

白 杜 娟

(陕西凯达公路桥梁工程建设有限公司，陕西 西安 710068)

1 概述

近年来，我国交通事业不断发展，随着人民生活水平的提高，对交通方式的要求也进一步增强。跨海桥梁作为连接两岸的最佳方式，例如港珠澳大桥、杭州湾大桥等也相继落成，并将进一步发展。然而，由于钢筋混凝土本身的特性，在海洋环境中，其结构耐久性容易降低，受海洋环境中氯离子的影响，钢筋易被侵蚀，进而形成恶性循环，结构耐久性不断下降。

钢筋锈蚀对混凝土结构的影响是普遍的，而且一旦发生，受劣化区域隐蔽的影响，结构往往难以维修，钢筋混凝土耐久性将加速降低。对于沿海地区、跨海区域混凝土桥梁结构，氯离子含量充足，氯离子一旦到达钢筋并浓度增加到一定程度，将会对钢筋表层的钝化膜造成损害，进而钢筋发生锈蚀，桥梁结构发生劣化，严重时将影响桥梁结构正常使用，大大降低桥梁结构的使用寿命。因此，在桥梁设计及日常养护过程中，沿海地区、跨海区域桥梁结构腐蚀问题成为桥梁工作者无法回避的一个问题。对海域混凝土桥梁腐蚀及劣化机理进行研究，进而指导桥梁结构的安全性能评估与病害治理，具有非常重要的理论价值和指导意义。

2 海域环境下钢筋混凝土的腐蚀机理研究

2.1 海域混凝土桥梁腐蚀现状

本文以福建地区沿海大量的桥梁为研究对象，通过对其调查分析发现，腐蚀最严重部位在设计高水位以上1.0 m至设计高水位以下0.5 m的区段。而终年在水下的部位腐蚀损坏较少，其他部位介于二者之间。

海域环境水下水域宽阔，受潮汐影响水位落差较小，以溪尾特大桥为例，对其下部结构进行水下腐蚀性检测，如图1所示。9号 墩右幅1号桩的立柱在福鼎方向与右侧转角处，桩帽往上破损，长约为15 cm，高约为10 cm，深约为3 cm；在福鼎方向与左侧转角处，桩帽往上破损，长约为40 cm，高约为10 cm，深约为20 cm；立柱在宁德方向与右侧转角处，桩帽往上破损，长约为25 cm，高约为15 cm，深约为10 cm。

2.2 海域环境下钢筋混凝土的腐蚀机理

混凝土耐久性受多种因素的影响，海域环境中，影响钢筋混凝土桥梁耐久性主要因素为钢筋锈蚀，海域混凝土构件长期处于潮湿环境中，该环境对氯离子自由扩散及传播具有促进作用，氯离子一旦侵蚀钢筋混凝土结构，该病害将难以治理，并将加速结构耐久性的破坏。

假定混凝土为均匀构件，氯离子的扩散为一维扩散，则有：

(1)

其中，t为时间；C为距混凝土表面x处的氯离子浓度；D为氯离子扩散系数；x为距混凝土表面的距离。

当t=0，x>0时，C=0；当x=0，t>0时，C=Cs。可知，上述方程的解为：

(2)

其中，Cs为氯离子浓度，等于混凝土构件在暴露环境介质的氯离子浓度；erf为误差函数。

氯离子扩散系数是反映混凝土耐久性的重要指标。通过测量不同工作时间的扩散系数，可以建立扩散系数与时间之间的关系，从而可以预测结构的未来服务时间。因此，菲克第二定律中的扩散系数实际上是当结构从开始暴露到检测时扩散系数的平均值。它是有效的扩散系数，随时间变化。

3 海域环境中钢筋混凝土构件劣化研究

3.1 锈蚀钢筋性能退化研究

钢筋表面与气体或其他物质接触将发生化学作用，之后钢筋发生锈蚀现象，该现象为化学腐蚀，此时，腐蚀仅作用在构件表面，未发生电子之间的移动，腐蚀区域较小。然而，当钢筋表面处于潮湿空气，或者是溶液环境中，钢筋锈蚀将大大加快，该锈蚀属于电化学锈蚀，在此过程中，电子将发生运动，如图2所示。

钢筋发生锈蚀后，其屈服荷载降低，直接影响到桥梁结构承载力，通过理论计算，钢筋的锈蚀率分别为0%，5%，10%，15%，20%时，其荷载—位移曲线如图3所示。

可以看出：随着锈蚀率的增大，钢筋的屈服荷载迅速下降，二者呈线性关系。

3.2 劣化构件力学性能

为了研究锈蚀构件刚度演化规律，进而确切的掌握已锈蚀钢筋混凝土构件的力学性能指标，试验制作了15根混凝土短柱试件，编号为G1～G15，构件截面尺寸b×h×l=180 mm×220 mm×1 300 mm，混凝土保护层厚度G1～G10为20 mm，G11～G15压区为35 mm，拉区为40 mm；纵筋全截面配筋螺纹钢4φ12对称布置，箍筋采用圆钢φ6，柱身中段箍筋间距为100 mm，搭接区段为50 mm。

为了模拟已锈蚀钢筋混凝土构件，对构件进行加速锈蚀，加速试验采用半干法通电加速锈蚀，在环境湿度方面，本次试验拟采用室温20 ℃环境，将覆盖用湿沙在5%的NaCl溶液中浸泡，试验中提取6%湿度的含盐湿沙覆盖在试件的试验区域，在湿沙上面再盖上5%盐水湿润的半干棉布。15根试验柱的锈蚀情况如表1所示。

表1 试件柱锈蚀情况

根据荷载试验结果，绘制15根试验柱的荷载—挠度曲线，如图4，图5所示。

根据实验过程中，构件的破坏形态及荷载—挠度曲线可知：

1)构件破坏之前，当钢筋锈蚀率低于6%时，作用相同的荷载，偏心受压构件变形差异较小；构件破坏之前，当钢筋锈蚀率高于6%时，作用相同的荷载，偏心受压构件变形差异较大，并随着锈蚀率的增大，变形较大；

2)当钢筋混凝土构件锈蚀率相同时，偏心距增大，结构刚度变化较为明显；当加载仪加载点一致时，随着锈蚀率增加，钢筋混凝土构件屈服中点挠度较小；

3)通过G2,G3钢筋混凝土构件受压试验可知，构件受压区域钢筋锈蚀率对结构抗弯刚度影响较小。

4 结语

1)海域环境下钢筋混凝土构件锈蚀最严重的区域发生在设计高水位以下0.5 m及以上1.0 m之间的区段；

2)随着锈蚀率的增大，钢筋的屈服荷载迅速下降，二者呈线性关系；

3)锈蚀率高于6%时，构件的抗弯刚度退化显著，相较于受拉区钢筋混凝土构件，受压区主筋的锈蚀对构件的抗弯刚度影响较小。