混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究綜述

農(nóng)云開(kāi) 沈春亮 張永青 廣西大學(xué)，南寧 530004

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究綜述

農(nóng)云開(kāi) 沈春亮 張永青 廣西大學(xué)，南寧 530004

本文從鋼筋的銹蝕機(jī)理、鋼筋銹蝕對(duì)混凝土構(gòu)件的影響、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估以及提高耐久性的措施這四個(gè)方面對(duì)近幾年的研究進(jìn)行綜述。

銹蝕；耐久性；評(píng)估

引言

鋼筋作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它具有一個(gè)不容忽視的特點(diǎn)就是易受到腐蝕，如在混凝土碳化及氯離子侵蝕的條件下，鋼筋表面的鈍化膜因受到破壞而漸漸失去保護(hù)作用，使得鋼筋銹蝕進(jìn)一步加劇?；炷两Y(jié)構(gòu)本身是一種抗拉強(qiáng)度很低的材料，所以在鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)中，很多構(gòu)件是帶裂縫工作的，當(dāng)裂縫擴(kuò)展到一定程度時(shí)，會(huì)引起鋼筋銹蝕、混凝土碳化等現(xiàn)象，從而降低結(jié)構(gòu)的耐久性。另外，在工程中使用氯鹽早強(qiáng)劑，在北方冬季使用的化冰鹽或是結(jié)構(gòu)使用環(huán)境中存在氯離子時(shí)，鋼筋銹蝕和混凝土碳化的現(xiàn)象更為明顯，而氯離子擴(kuò)散導(dǎo)致的耐久性損失也是眾多原因中最大的。近年來(lái)，鋼筋銹蝕引起的結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞已經(jīng)受到全世界的普遍關(guān)注，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，為了解決眾多人口的居住問(wèn)題及加快工業(yè)發(fā)展，從20世紀(jì)中葉開(kāi)始進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)建設(shè)，對(duì)這些已有幾十年使用時(shí)間的建筑進(jìn)行耐久性評(píng)估及加固維修等顯得尤為重要。

本文從鋼筋的銹蝕機(jī)理、鋼筋銹蝕對(duì)混凝土構(gòu)件的影響、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估以及提高耐久性的措施四個(gè)方面對(duì)近幾年的研究進(jìn)行綜述。

1、鋼筋銹蝕機(jī)理研究

在一般情況下，混凝土本身是一種pH值約為13的高堿性環(huán)境，鋼筋在這種高堿性的環(huán)境下，表面會(huì)迅速形成氧化鐵鈍化膜，厚度約200～600 nm。該膜內(nèi)部是一種致密、穩(wěn)定的共格結(jié)構(gòu)，水及氧氣無(wú)法通過(guò)該結(jié)構(gòu)滲透過(guò)去，內(nèi)部不能形成腐蝕電池；而且，即使陰極區(qū)有足夠的水和氧氣，也會(huì)因?yàn)樵撯g化膜抵制了鐵離子的釋放、阻止了陽(yáng)極反應(yīng)，進(jìn)而避免電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。很顯然，混凝土的正常堿度能很好地阻止鋼筋銹蝕。但是當(dāng)鋼筋混凝土被Cl-侵蝕時(shí)，如海洋環(huán)境橋梁結(jié)構(gòu)冬季撒除冰鹽后, Cl-通過(guò)混凝土面的孔隙逐漸擴(kuò)散至鋼筋表面， Cl-可以破鋼筋表面鈍性，鋼筋由鈍態(tài)轉(zhuǎn)為活化態(tài)，隨即發(fā)生銹蝕。

氯離子的侵蝕是造成鋼筋銹蝕的主要原因之一，關(guān)于氯離子的擴(kuò)散及對(duì)鋼筋的銹蝕機(jī)理，眾多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究并取得了豐碩的成果。施惠生[1]等研究了氯離子含量對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕的影響規(guī)律。研究表明：混凝土中氯離子含量越高，鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間越早；鋼筋開(kāi)始銹蝕后以及進(jìn)入穩(wěn)定銹蝕階段時(shí)氯離子含量越高，鋼筋銹蝕速率發(fā)展的速率越快，鋼筋銹蝕速率越大；混凝土一旦發(fā)生開(kāi)裂后，鋼筋銹蝕就進(jìn)入加速銹蝕階段。姬永生[2]等通過(guò)干濕循環(huán)和氯鹽浸泡對(duì)比試驗(yàn)，表明在干濕循環(huán)作用下，氯離子在混凝土中的傳輸速度遠(yuǎn)大于飽水混凝土內(nèi)外氯離子濃差引起的離子擴(kuò)散速度，氯離子在上部非飽水混凝土中和在飽水混凝土中的傳輸機(jī)理不同。對(duì)上部非飽水混凝土中氯離子的滲透行為進(jìn)行了機(jī)理分析，并建立了干濕循環(huán)作用下氯離子傳輸速度模型，可為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際工況混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命提供參考。

2、鋼筋銹蝕對(duì)混凝土構(gòu)件的影響

鋼筋銹蝕嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成混凝土構(gòu)件的承載力退化以致失效，其原因主要有以下三個(gè)方面：1)鋼筋銹蝕使得鋼筋凈截面面積減小，構(gòu)件的配筋率下降，銹蝕鋼筋的力學(xué)性能退化；2)鋼筋銹蝕產(chǎn)生銹脹力，造成混凝土截面損傷；3)鋼筋銹蝕會(huì)使鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能退化[3]。針對(duì)上述三方面的影響，利用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析，圍繞鋼筋銹蝕對(duì)構(gòu)件承載力的影響，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列的研究。

以往在研究鋼筋銹蝕構(gòu)件承載力的時(shí)候，都是通過(guò)電化學(xué)原理對(duì)鋼筋進(jìn)行一定程度的銹蝕，然后再對(duì)試件進(jìn)行加載，比較其承載力的變化特點(diǎn)。但是這種實(shí)驗(yàn)方法并不能很好的模擬實(shí)際工程的情況，因?yàn)樵趯?shí)際工程中，鋼筋在銹蝕的整個(gè)過(guò)程里都受到持續(xù)荷載的作用，為了使實(shí)驗(yàn)更接近工程的實(shí)際情況，張喜德[4]進(jìn)行了鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在作用荷載下的銹蝕破壞全過(guò)程模擬試驗(yàn)研究，對(duì)試件變形發(fā)展過(guò)程以及鋼筋和混凝土應(yīng)變發(fā)展過(guò)程進(jìn)行分析，并總結(jié)了持續(xù)荷載作用下的銹蝕破壞特點(diǎn)，得出以下結(jié)論：（1）銹蝕破壞過(guò)程分為黏結(jié)滑移、銹蝕裂化和銹蝕破壞三個(gè)階段；(2)銹蝕破壞形態(tài)有黏結(jié)錨固破壞型態(tài)、斜截面破壞型態(tài)和折斷破壞型態(tài)三種類型；（3）鋼筋混凝土梁作用荷載越接近極限荷載，梁破壞時(shí)的撓度越大，但鋼筋的塑性性能越低；（4）鋼筋極限拉應(yīng)變均隨作用荷載的增加而減小；（5）混凝土最大壓應(yīng)變隨銹蝕量的增加而增加；（6）在全梁均勻銹蝕量時(shí)，梁的破壞接近于塑性破壞，但當(dāng)只發(fā)生局部銹蝕破壞時(shí)，接近脆性破壞。

易偉建、趙新[5]對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行在鋼筋加速銹蝕條件下的準(zhǔn)長(zhǎng)期靜力荷載試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)縱向受力鋼筋通穩(wěn)壓直流電，采用氯化鈉溶液作為電解液等實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了被混凝土所包裹的主筋的快速均勻銹蝕。在長(zhǎng)期恒定荷載條件下，觀測(cè)了試驗(yàn)梁的固有頻率、撓度、混凝土應(yīng)變隨時(shí)間的變化。通過(guò)對(duì)比，建立了恒載作用下，鋼筋銹蝕量與試驗(yàn)梁固有頻率、撓度、混凝土受壓區(qū)應(yīng)變變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在疲勞荷載作用下鋼筋混凝土構(gòu)件的剛度降低、裂縫開(kāi)展，其中主要原因之一是鋼筋與混凝土間黏結(jié)力的退化。范進(jìn)、董福興[6]對(duì)疲勞荷載作用下鋼筋銹蝕混凝土構(gòu)件的黏結(jié)滑移性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：疲勞荷載強(qiáng)度相同的情況下，極限黏結(jié)強(qiáng)度和滑移差值在銹蝕率小于2%呈上升狀態(tài)，當(dāng)銹蝕率大于4%時(shí)則呈現(xiàn)下降狀態(tài)。

在鋼筋銹蝕引起的構(gòu)件剛度變化研究方面，衛(wèi)軍[7]等對(duì)15根柱進(jìn)行受壓實(shí)驗(yàn)，15根柱分別以不同的銹蝕率和不同的偏心距作為參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)破壞特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在破壞形式上，鋼筋銹蝕平不能引起破壞形式的轉(zhuǎn)變，破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土的偏心受壓破壞形態(tài)基本相同，但是當(dāng)銹蝕率大于6%時(shí)，鋼筋銹蝕對(duì)剛度則產(chǎn)生較大影響，且大偏心受壓構(gòu)件比小偏心受壓構(gòu)件更容易受影響。

3、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性破壞,與其他破壞過(guò)程相比較，既有相同的地方，又有著自身的特點(diǎn)。第一，耐久性破壞是由量變到質(zhì)變這樣一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，它對(duì)結(jié)構(gòu)的影響需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能體現(xiàn)出來(lái)。第二，在眾多影響耐久性的因素當(dāng)中，許多因素過(guò)于復(fù)雜和模糊，并不能通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)精確地表達(dá)出來(lái)。第三，這些影響耐久性的因素不僅本身起著影響作用，還會(huì)相互作用從而共同產(chǎn)生影響，這就進(jìn)一步增加了我們對(duì)影響程度進(jìn)行計(jì)算的難度。根據(jù)使用條件的不同和對(duì)建筑物壽命要求的差異，目前對(duì)混凝土耐久性的評(píng)估中主要使用以下幾種準(zhǔn)則：碳化壽命準(zhǔn)則、銹脹開(kāi)裂壽命準(zhǔn)則、裂縫寬度與鋼筋銹蝕量限值壽命準(zhǔn)則、承載力壽命準(zhǔn)則[8]。

由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估具有隨機(jī)性、灰色性的特點(diǎn)，薛鵬飛、項(xiàng)貽強(qiáng)[9]以灰色關(guān)聯(lián)分析為基礎(chǔ)，結(jié)合模糊識(shí)別理論，利用信息熵和復(fù)合權(quán)重的概念，綜合考慮了專家經(jīng)驗(yàn)和檢測(cè)數(shù)據(jù)固有信息的重要性，這種評(píng)估方法使評(píng)估結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。

對(duì)于氯離子環(huán)境下的耐久性評(píng)估方法，吳瑾[10]等將混凝土表面氯離子濃度和保護(hù)層厚度作為隨機(jī)變量，將擴(kuò)散系數(shù)作為隨機(jī)過(guò)程，建立了混凝土保護(hù)層中氯離子濃度分布的隨機(jī)模型，推導(dǎo)出了氯離子濃度的均值，用于計(jì)算鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間。

現(xiàn)在的耐久性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)大多采用“優(yōu)、良、中、差”這樣的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分，但是這樣的劃分標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際工程中的準(zhǔn)確性并不高，比如處在兩個(gè)等級(jí)邊界的構(gòu)件該如何評(píng)估等級(jí)，這說(shuō)明這樣的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分只是屬于模糊劃分，為了找到一個(gè)更有效的評(píng)估方法，史長(zhǎng)瑩[11]等將基于模糊數(shù)學(xué)理論的模糊綜合評(píng)估系統(tǒng)用于結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估，在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性模糊綜合評(píng)估體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)熵的概念，在耐久性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)已知的前提下，充分挖掘?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)中的信息，提出了一種確定指標(biāo)權(quán)值的新方法。

4、如何提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

要提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，就要從影響耐久性的因素著手，找出提高結(jié)構(gòu)耐久性的方法。

混凝土的抗?jié)B性對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性有很大的影響，抗?jié)B性好的混凝土可以有效地減少氯離子的滲透，從而降低鋼筋的銹蝕速度，提高耐久性。在工程中可以將密實(shí)抗?jié)B劑摻入混凝土中，以形成某種膠體或絡(luò)合物填充、堵塞毛細(xì)孔縫，從而提高混凝土的抗?jié)B能力。

在設(shè)計(jì)混凝土的時(shí)候，如果能夠降低水泥的用量，就可以減小溫度開(kāi)裂的影響，這樣也就可以有效地減少腐蝕性物質(zhì)通過(guò)這些裂縫腐蝕鋼筋所帶來(lái)的影響。在實(shí)際工程中，一些礦物摻和料如硅灰、粉煤灰、礦渣等不但可以提高混凝土的強(qiáng)度，還可以降低水泥用量。

堿骨料的反應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的危害是很嚴(yán)重的，一旦發(fā)生則很難修復(fù)。堿骨料反應(yīng)是指材料中的水泥、外加劑、混合材和水中的堿與骨料中活性氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的堿硅酸凝膠在吸水后產(chǎn)生膨脹壓力，最終導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂的現(xiàn)象。要抑制這種現(xiàn)象的發(fā)生，就要嚴(yán)格控制混凝土中骨料的總含堿量。

鋼筋的銹蝕導(dǎo)致的耐久性損失是眾多影響耐久性因素中最大的，要提高鋼筋的耐銹蝕性，可以采用鋼筋阻銹劑。主要有以下幾種類型：陽(yáng)極型鋼筋陰銹劑，陰極型鋼筋阻銹劑，綜合型鋼筋阻銹劑。

除了以上一些措施之外，嚴(yán)格控制保護(hù)層厚度，加強(qiáng)混凝土早期養(yǎng)護(hù)，改善結(jié)構(gòu)使用環(huán)境等也可以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

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凝土中鋼筋銹蝕的影響[J].水泥技術(shù).2009年5月

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This paper mainly reviews the rencent develepments of the corrosion mechanism of steel,the impact of stell corrosion on reinforced concrete structures,the durability assessments of the reinforced concrete structure and the measures to improve the durability of reinforced concrete structure .

Corrosion；Durability；Assessment

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.045

農(nóng)云開(kāi)，男，廣西南寧人，碩士研究生，從事結(jié)構(gòu)耐久性研究。