钢筋混凝土中钢筋锈蚀损伤综述

张鑫

【摘  要】钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构安全性的重要因素。论文分析混凝土结构中的钢筋锈蚀机理，总结了钢筋锈蚀对混凝土梁力学性能以及承载力的影响，论述了箍筋锈蚀对混凝土梁的影响。

【Abstract】Rebar corrosion is an important factor affecting the safety of reinforced concrete structures. This paper analyzes the mechanism of rebar corrosion in concrete structures， summarizes the effect of rebar corrosion on the mechanical properties and bearing capacity of concrete beams and discusses the effect of stirrup corrosion on concrete beams.

【关键词】钢筋锈蚀;钢筋混凝土;力学性能

【Keywords】rebar corrosion; reinforced concrete; mechanical properties

【中图分类号】TU375                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）10-0158-02

1 引言

钢筋混凝土结构一直以来公认具有良好的耐久性，在实践中得到广泛的应用。结构设计者往往侧重于提高建筑物的强度，忽略对结构耐久性的考虑。随着混凝土结构投入使用年限的增加，在实际工程中，特别是海洋工程中钢筋锈蚀极为严重，对结构的安全性造成很大的影响[1]。Metha教授在混凝土耐久性会议上指出：钢筋锈蚀是影响混凝土构件安全性的首要因素[2]。从此，国内外学者开始重视钢筋锈蚀导致结构破坏的问题。钢筋混凝土结构中若钢筋发生锈蚀，不仅自身力学性能会降低，而且对于建筑物整体的耐久性和安全性也会有很大的影响。总之，钢筋锈蚀一方面会在很大程度上降低结构的安全性，另一方面锈蚀钢筋混凝土梁破坏机理会发生改变。我国基础建设规模庞大，年代久远的建筑、桥梁保有量十分大，因此，研究钢筋混凝土中钢筋锈蚀损伤对结构安全性的影响具有十分重要的意义。

2 研究现状

钢筋锈蚀对建筑物安全性的影响主要有两点：第一，钢筋锈蚀后其横截面较小，钢筋的强度会有不同程度的降低;第二，钢筋锈蚀是电化学反应，过程中会生成锈状物，锈状物体积膨胀会引发保护层剥落，使混凝土与钢筋之间的粘结受损。两者结果导致构件承载力下降、耐久寿命降低[3]。学者王羊洋研究氯離子对混凝土中钢筋锈蚀行为的影响得出，混凝土中氯离子越多，钢筋锈蚀越严重。学者吴桐采用试验方法研究得出，锈蚀裂缝首先沿箍筋方向产生，锈蚀严重时，导致钢筋混凝土梁刚度下降，在锈蚀率较高时刚度下降尤其明显。

3 锈蚀机理

一般情况下，钢筋锈蚀几率很小，目前的钢筋锈蚀大部分是电化学反应引起的，需要钢表面充分接触水和空气。普通混凝土结构中，钢筋表面会形成一层致密的钝化膜，对钢筋有保护作用，可以抑制钢筋锈蚀。

混凝土碳化时，钢筋表面的钝化膜会被破坏，空气中的水和氧气和钢筋接触，从而发生电化学反应，阳极产生的电子以钢筋为导体传到阴极，同时阳极产生的Fe2+通过电解质向周围扩散与阴极附近的OH-发生反应，OH-与Fe2+可生成Fe（OH）2。当氧气充足时，Fe（OH）2可被氧化成Fe（OH）3，Fe（OH）3可进一步脱水成为Fe2O3，这就是红锈，表面上看去稀松多孔;如果钢筋周围氧气不足，会使得Fe（OH）2得不到充分的氧化，进而形成Fe3O4，这就是黑锈。钢筋锈蚀会产生一条沿着钢筋方向的裂缝，锈蚀严重时裂缝会发展为贯穿裂缝致使保护层破坏，如图1所示锈蚀过程中混凝土表面产生的红锈，贯穿裂缝较为明显。

4 锈蚀对钢筋力学性能的影响

钢筋锈蚀后其屈服强度、极限强度、伸长率3种性能均下降，不同锈蚀率对钢筋力学性能影响不同，轻微锈蚀对钢筋的力学性能影响很小，锈蚀率较大时钢筋的名义屈服强度、名义极限强度和伸长率都有所下降。锈蚀对钢筋力学性能影响与钢筋类型、品牌、锈蚀环境有着复杂的关系。研究表明，光圆钢筋要比带肋钢筋抗锈蚀能力好，在同等环境下，直径粗的钢筋由于侧表面积大，钢筋较容易发生锈蚀。

本文研究了众多学者的试验数据，在此基础上归纳整理出了锈蚀率与锈蚀钢筋力学性能的曲线图，如图2所示。从图中可以看出，锈蚀率较小时，钢筋的屈服强度、极限强度、伸长率3种性能呈线性下降，实验室数据规律性较强。钢筋锈蚀率在5%以内时，锈蚀钢筋力学性能下降较为低。锈蚀率在15%以内时，锈蚀钢筋的屈服强度与锈蚀率依然成线性关系，但锈蚀钢筋的锈蚀率与极限强度、伸长率两种性能的关系比较离散，特别是锈蚀率大于10%的情况下。当钢筋锈蚀率大于15%时，锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度、伸长率3种性能均大幅下降，且数据波动区间十分大。研究表明，混凝土中钢筋锈蚀具有不均匀性，这种不均匀性随着锈蚀率增加而显著增加。在锈蚀十分严重时，钢筋表面容易形成坑锈，致使此部分横截面积减小，形成应力集中从而力学性能下降明显。学者孙晓燕研究得出：均匀锈蚀和坑锈的分界锈蚀率为5%[4]。

5 锈蚀对混凝土梁承载力的影响

锈蚀钢筋混凝土梁承载力下降的主要原因是钢筋力学性能、钢筋混凝土两者粘结力下降[5]。在锈蚀钢筋混凝土梁中，钢筋与混凝土梁之间形成的锈状物，不同程度降低了钢筋与混凝土原有的粘结强度，而增大了两者之间的滑移。学者杨晓明，通过对剪跨比分别为1和1.5的两组锈蚀钢筋混凝土梁进行加载试验，研究结果表明剪跨比大的混凝土梁承载力下降幅度大，剪跨比小的混凝土梁承载力下降较小。

本文研究了众多学者的试验数据，在此基础上归纳整理出了锈蚀率与混凝土梁承载力关系，如图3 所示。从图中可以看出，随着钢筋锈蚀率的增大，混凝土梁承载力、屈服荷载均下降，实验室研究数据规律较强。随着锈蚀率增大，梁的屈服荷载、承载力线性下降。在实际工程中随着锈蚀率增大，混凝土梁的承载力变化较为不规律，但当锈蚀率较大时，混凝土梁承载力大幅下降。实验室一般采用电化学锈蚀方法，其钢筋锈蚀较为均匀，而实际工程中锈蚀较为复杂故而承载力下降不规律。

6 箍筋锈蚀对混凝土梁的影响

目前学者对钢筋混凝土锈蚀的研究主要是在实验室进行，通过电化学锈蚀法得到所需主筋锈蚀率的构件，对箍筋锈蚀研究较少。箍筋锈蚀后与混凝土粘结力下降，混凝土梁的抗剪性能下降，再者，锈蚀后的箍筋对主筋的约束力降低，混凝土梁整体性下降。

完好的箍筋有助于钢筋和混凝土的协同工作，由于箍筋和纵筋的构造特征，纵筋为带肋钢筋，而箍筋直径较小，箍筋卡在纵筋肋间距中从而减小纵筋滑移。另一方面箍筋可限制梁斜裂缝发展。但由于箍筋相对于纵筋直径较小，锈蚀对箍筋影响更为严重，箍筋锈蚀严重时锈蚀钢筋混凝土梁的受力情况更复杂。

研究表明，混凝土梁中轻微锈蚀的箍筋对构件整体力学性能影响较小。箍筋锈蚀混凝土梁在实验室进行加载试验时，其弯剪段斜裂缝宽度相比箍筋未锈蚀的混凝土梁更宽，混凝土梁的破坏形态变为脆性破坏，混凝土梁的极限承载力下降。

7 结语

目前學者对锈蚀钢筋混凝土的研究，大部分采用电化学锈蚀法，此方法与实际工程中存在差异，对于实际工程中的锈蚀研究有待进一步。近年来，随着混凝土损伤修复以及加固技术不断成熟，特别是采用碳纤维布加固受损构件在实际工程中应用广泛，相信随着新材料、新工艺的问世，越来越多已锈蚀的结构会得到加固，安全性会提高，使用寿命会得到延长。

【参考文献】

【1】林志伸，惠云玲.我国工业厂房混凝土结构耐久性的宏观调研[J].工业建筑，1997，26（06）：1-5.

【2】P.K.Mehta.Concrete durability-fifty years progress[J].Proc. of 2nd inter. Conf. On. Concrete Durability，ACI SP 126-1，1991：1-31.

【3】CH.Alk.Apostolopoulos，M.P.Papadopoulos，Sp.G.Pantelakis.Tensile behavior of conoded reinforcing steel bars BSt 500sPl[J].Construction and Bufldmg Materials，2006（20）：782-789.

【4】孙晓燕，朱建科，王海龙，等.考虑局部锈蚀特征的钢筋性能退化试验研究[J].建筑材料学报，2004，17（10）：804-810.

【5】孙滨雁.基于PPP-BOTDA分布式光纤传感技术的混凝土结构钢筋锈蚀损伤的试验研究[D].南京：江苏大学，2013.