腐蝕對(duì)鋼筋混凝土梁橋抗彎承載力的耦合影響

唐 琳，肖盛燮

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 ，重慶 400074)

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腐蝕對(duì)鋼筋混凝土梁橋抗彎承載力的耦合影響

唐 琳，肖盛燮

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 ，重慶 400074)

通過闡述裂縫、混凝土碳化和氯化對(duì)鋼筋混凝土腐蝕的過程和影響，分析了由于腐蝕所導(dǎo)致的鋼筋屈服強(qiáng)度下降、有效截面降低以及鋼筋與混凝土協(xié)同工作能力降低的變化趨勢(shì)和過程，并詳細(xì)的討論了鋼筋屈服強(qiáng)度下架系數(shù)和協(xié)同工作系數(shù)的不同取值對(duì)鋼筋混凝土梁抗彎承載力的耦合影響，提出并對(duì)比了幾種有效防止或降低腐蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的措施，能為實(shí)際的橋梁防腐工程提供一定的參考和借鑒。

橋梁工程；鋼筋混凝土安全；腐蝕；承載力；耦合影響；防護(hù)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程界最常用的結(jié)構(gòu)形式，混凝土中的鋼筋腐蝕每年給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)的公路戰(zhàn)略研究項(xiàng)目的研究報(bào)告指出：每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失超過200億美元，并且以每年5億美元的速度遞增[1]。在1991年的第2屆混凝土耐久性國(guó)際會(huì)議上，著名專家梅塔教授總結(jié)世界50年混凝土耐久性狀況時(shí)說：“當(dāng)今世界，如果把影響混凝土耐久性的因素按重要性遞減的順序排列的話，那么它們分別是：鋼筋腐蝕、凍融破壞、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用。”由此可見，腐蝕是影響混凝土耐久性和可靠性的一個(gè)重要原因。腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式有: 混凝土開裂，鋼筋截面損失以及鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)性能降低[2]。研究有效的防護(hù)措施，是混凝土耐久性研究的一個(gè)重要課題。

1 三種誘因?qū)炷恋挠绊?/h2>

1.1 裂縫的影響

混凝土的裂縫一般分為兩種：①混凝土不能滿足自身變形所引起的裂縫如收縮裂縫、溫度裂縫等；②在外界荷載作用下由于混凝土的承載能力不足所引起的結(jié)構(gòu)裂縫如彎曲裂縫、扭曲裂縫等。在橋梁工程中，人們普遍更加重視的是結(jié)構(gòu)裂縫。當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度超出其承載能力時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生裂縫。剛開始小寬度的裂縫不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力產(chǎn)生負(fù)面的影響，因?yàn)榛炷敛粫?huì)承受拉力，所有的拉力都被裂縫附近區(qū)域相應(yīng)的鋼筋重新分配。但是隨著彎矩的增大或者在周期荷載不斷的作用下其裂縫寬度會(huì)不斷的加大，其長(zhǎng)度也會(huì)縱向延伸，且裂縫區(qū)域還會(huì)向兩端發(fā)展。

裂縫的存在會(huì)對(duì)混凝土碳化和氯化提供場(chǎng)所。通過裂縫，空氣中的CO2和氯離子能輕易的滲透到混凝土的內(nèi)部?；炷恋奶蓟吐入x子的含量對(duì)于鋼的腐蝕至關(guān)重要。首先混凝土碳化的發(fā)展可以一直延伸到鋼筋的位置，從而使得在鋼筋的表面由于化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)銹蝕。當(dāng)氯離子的含量超過臨界濃度時(shí)，在未發(fā)生碳化的混凝土區(qū)域也會(huì)有發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。下面對(duì)腐蝕過程中氯化物和碳化對(duì)混凝土的影響做出分析。

1.2 碳化的影響

碳化本身對(duì)混凝土沒有傷害，由于CaCO3晶體的形成它還能加強(qiáng)混凝土的密實(shí)性，并且提高其抗壓強(qiáng)度。但是碳化作用降低了混凝土的堿性，極有可能導(dǎo)致鋼筋的腐蝕。鋼筋銹蝕又導(dǎo)致其體積劇烈的膨脹，所產(chǎn)生的膨脹力將使混凝土保護(hù)層開裂。開裂的混凝土由于CO2和水的不斷的侵入，鋼筋的腐蝕又會(huì)更加的嚴(yán)重，直至使得混凝土剝落，鋼筋裸露。

1.3 氯化的影響

氯離子引起的鋼筋腐蝕也是一種電化學(xué)腐蝕，其先決條件是鋼筋的表面去鈍化。氯離子的存在提高了混凝土中電解質(zhì)的導(dǎo)電率，從而使正在進(jìn)行中的混凝土碳化范圍內(nèi)的腐蝕的速度顯著的增大。由氯離子引起的腐蝕需要同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：

1)鋼筋周邊的氯含量須大于引起腐蝕的臨界值；

2)混凝土中有足夠的濕度滿足于陰極和陽極間的離子交換；

3)足夠數(shù)量的氧氣透過混凝土層接觸到鋼筋表面。

混凝土表面的氯離子濃度一般通過環(huán)境中氯離子的分布曲線反向推導(dǎo)得出，而分布曲線為氯離子長(zhǎng)期擴(kuò)散的累計(jì)結(jié)果[3]。目前對(duì)氯離子含量臨界值的取值研究較少，ACI Building Code采用占水泥用量0.15%作為混凝土中自有氯離子含量的允許值[4]。環(huán)境中的氯離子通過混凝土的宏觀、微觀缺陷滲入到混凝土中并到達(dá)鋼筋表面。氯離子的滲透速度取決于與混凝土接觸的氯化物的濃度、混凝土的滲透性和環(huán)境的濕度。滲透的速度越大，氯離子集中的趨勢(shì)越大同時(shí)混凝土抵抗?jié)B透的能力就越小?；炷林新入x子的轉(zhuǎn)移同時(shí)受到向內(nèi)擴(kuò)散的水的影響，因此兩段加濕過程之間的時(shí)間間隔就有了很大的意義。當(dāng)這種溶解過程在沒有水飽和或者完全干燥的混凝土上時(shí)，由于毛細(xì)作用氯離子的滲透速度就會(huì)非常的大。當(dāng)混凝土有裂縫的時(shí)候，氯離子滲透到鋼筋表面的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在沒有裂縫的混凝土中的滲透速度。

2 腐蝕對(duì)抗彎承載力的影響

2.1 耦合因素對(duì)承載力的影響

橋梁的承載力驗(yàn)算包含有抗彎、抗剪、抗扭、穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度等，其中抗彎能力是最重要的指標(biāo)。由混凝土細(xì)微的裂縫和混凝土的碳化和氯化導(dǎo)致的鋼筋腐蝕現(xiàn)象會(huì)對(duì)橋梁的抗彎承載力產(chǎn)生一定的影響。鋼筋發(fā)生腐蝕，不但減少了鋼筋的有效截面，還會(huì)使得鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)性能出現(xiàn)退化，引起混凝土對(duì)鋼筋的握裹力下降，降低二者之間的協(xié)調(diào)變形，另外還會(huì)降低鋼筋的屈服強(qiáng)度，使梁可能發(fā)生突然的脆性破壞。其轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖1。

圖1 鋼筋腐蝕對(duì)承載力的轉(zhuǎn)化關(guān)系

由圖1可知，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力降低是鋼筋屈服強(qiáng)度降低、鋼筋有效截面面積減小和鋼筋與混凝土的協(xié)同工作減弱這三方面因素的耦合作用。

因此引伸出鋼筋屈服強(qiáng)度降低系數(shù)α，鋼筋截面腐蝕率η和協(xié)同工作系數(shù)k。鋼筋截面銹蝕會(huì)降低鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)能力和改變鋼筋的力學(xué)性能，從而降低鋼筋與混凝土之間的協(xié)同工作能力和鋼筋的屈服強(qiáng)度。鋼筋屈服強(qiáng)度降低，使鋼筋混凝土能承受的最大拉應(yīng)力減小，影響鋼筋與混凝土之間的協(xié)同工作能力。鋼筋與混凝土協(xié)同工作能力減低，又有可能會(huì)使得混凝土承受較大的拉應(yīng)力，使底部混凝土出現(xiàn)大量裂縫，進(jìn)一步加速腐蝕的發(fā)生。三者之間的影響關(guān)系如圖2。

圖2 3種參數(shù)相互影響關(guān)系

2.2 屈服強(qiáng)度降低系數(shù)的確定

fd2=(1-α·η)fd1

(1)

式中：fd2為鋼筋銹蝕后屈服強(qiáng)度；fd1為未腐蝕鋼筋屈服強(qiáng)度；η為鋼筋銹蝕率；α為鋼筋屈服強(qiáng)度下降系數(shù)，對(duì)于大氣環(huán)境中的自然裸露，取值在1.4～1.5之間；對(duì)于實(shí)際工程銹蝕，取值在1.0～1.7之間[8]。

2.3 耦合因素對(duì)協(xié)同工作系數(shù)的影響

鋼筋銹蝕之后，在鋼筋表面會(huì)生成疏松的銹蝕層。銹蝕產(chǎn)物體積的膨脹會(huì)對(duì)鋼筋周圍的混凝土產(chǎn)生徑向的拉應(yīng)力。當(dāng)徑向拉應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土保護(hù)層會(huì)出現(xiàn)裂縫。隨著鋼筋銹蝕過程不斷的發(fā)展，裂縫的數(shù)量和深度也會(huì)隨之增加直到混凝土保護(hù)層脫落，使混凝土對(duì)鋼筋的黏結(jié)作用降低甚至喪失[9]。混凝土對(duì)鋼筋黏結(jié)性能是保證鋼筋和混凝土協(xié)同工作的前提，黏結(jié)性能的降低對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響使得協(xié)同工作系數(shù)k準(zhǔn)確取值變得較為重要。但是由于影響協(xié)同工作系數(shù)k的因素很多，例如混凝土的強(qiáng)度、鋼筋的類型、保護(hù)層的厚度、受力的方向等等，準(zhǔn)確的k值很難確定。在實(shí)際工程中，協(xié)同工作系數(shù)k的取值一般在0.7～1.0之間[10]。

2.4 截面抗彎承載力計(jì)算模式

為了對(duì)腐蝕鋼筋混凝土承載力的改變有直觀的認(rèn)識(shí)，取某雙筋矩形梁，采用C20混凝土，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為9.2 N/mm2，鋼筋為HRB335，屈服強(qiáng)度335 N/mm2。受壓區(qū)鋼筋為2Φ20，受拉區(qū)上層鋼筋為2Φ20，下層受腐蝕鋼筋為3Φ25，截面尺寸如圖3。圖中：fsp為受壓區(qū)鋼筋屈服強(qiáng)度；Ap為受壓區(qū)鋼筋面積；fcp為混凝土抗壓強(qiáng)度；b為截面寬度；x為受壓區(qū)高度；fd1為受拉區(qū)未腐蝕鋼筋屈服強(qiáng)度；Ad1為受拉區(qū)未腐蝕鋼筋面積；fd2為受拉區(qū)腐蝕鋼筋屈服強(qiáng)度；Ad2為受拉區(qū)腐蝕鋼筋面積。

圖3 雙筋矩形梁截面

1)由∑N=0，得：

fspAp+fcpbx=k(1-α·η)fd2Ad2+fd1Ad1

2.2 不同BMI范圍的PCOS患者的PTX3、瘦素、性激素及HOMA-IR水平比較 肥胖組PCOS患者的瘦素、HOMA-IR均高于非肥胖組(P<0.05)，肥胖組PCOS組患者的PTX3低于對(duì)照組(P<0.05)。見表2。

(2)

2)由∑M=0，得：

Mj=fcpbx(407.5-x/2)+fspAp×327.5

(3)

將式(2)代入式(3)即可得該梁的正截面抗彎承載力Mj。

由于式(2)中的k和α只有一定的取值范圍，并沒有確切值，因而不同的取值將會(huì)帶來不同的計(jì)算結(jié)果。將分別對(duì)兩者取不同的值在鋼筋截面腐蝕率逐漸增加的情況下來分析其計(jì)算結(jié)果的合理性。由于鋼筋截面腐蝕率小于5%時(shí)，其對(duì)鋼筋力學(xué)性能影響不大。因此筆者取鋼筋截面腐蝕率范圍為5%～15%。

2.4.1α取值一定時(shí)

在α取值一定時(shí)(α=1.3)，協(xié)同工作系數(shù)k分別取0.7，0.8，0.9。在這3種取值情況下分析對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。將α和k的值分別代入式(3)中，得到隨截面腐蝕率增大而變化的Mj的計(jì)算結(jié)果和變化趨勢(shì)如表1和圖4。

表1 鋼筋混凝土梁抗彎承載力變化

圖4 腐蝕率-承載力關(guān)系

由圖4可以看出，不論k取值多少，該梁的抗彎承載力都在隨著截面腐蝕率的增加而減小，k取值越小時(shí)，腐蝕后的承載力也越小。除了當(dāng)k=0.8外，其他兩個(gè)值的承載力從截面腐蝕率5%發(fā)展到10%的減小量均小于從截面腐蝕率10%發(fā)展到15%的減小量，也就是說隨著截面腐蝕率增大，承載力降低的速度在增快。

不同的k值對(duì)計(jì)算的結(jié)果有一定的影響，其值相差較大，因此如何準(zhǔn)確的選取k值還需要進(jìn)一步的探索。當(dāng)截面腐蝕率較小，該梁抗彎承載力的變化趨勢(shì)合理，能準(zhǔn)確的反應(yīng)出承載力的變化。需要指出的是，式(3)并不能反應(yīng)出當(dāng)截面腐蝕率較大，鋼筋受損程度增加，鋼筋力學(xué)性能、混凝土本構(gòu)關(guān)系、混凝土梁的配筋率等發(fā)生的改變，因而式(3)不具有延伸性。此計(jì)算式的使用范圍最好是在截面腐蝕率為5%～10%之間。

2.4.2k取值一定時(shí)

在k取值一定時(shí)(k=0.8)，鋼筋屈服強(qiáng)度下降系數(shù)α分別取1.1，1.3，1.5。在這3種情況下，Mj計(jì)算結(jié)果和變化趨勢(shì)如表2和圖5。

表2 鋼筋混凝土梁抗彎承載力變化

圖5 腐蝕率-承載力關(guān)系

由圖5可以看出，在這3種情況下其截面抗彎承載力的曲線在5%到10%的區(qū)域內(nèi)幾乎重合，其數(shù)值大小接近，表明a在所給定范圍內(nèi)的任何取值對(duì)最后的Mj計(jì)算結(jié)果無較大影響。

當(dāng)圖4和圖5進(jìn)行耦合疊加之后，可以由圖6看出：鋼筋腐蝕后降低的承載力界限在協(xié)同工作系數(shù)k=0.7和k=0.9兩條曲線之間，這說明協(xié)同工作系數(shù)對(duì)承載力的影響要大于鋼筋屈服強(qiáng)度系數(shù)的影響。

圖6 腐蝕率-承載力耦合關(guān)系

3 腐蝕防護(hù)

通過分析表明：鋼筋的腐蝕會(huì)降低結(jié)構(gòu)的承載能力和使用年限。因此，有效防腐措施的實(shí)施是提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的必要條件。值得注意的是，防護(hù)措施必須在注意電化學(xué)的腐蝕過程以及所處化學(xué)、物理的狀態(tài)前提下進(jìn)行。

3.1 通過恢復(fù)堿性環(huán)境防腐

該防護(hù)原理的目的是重新在鋼筋的表面形成一層新的鈍化膜。在實(shí)際工程中，可以通過堿性混凝土或砂漿的鍍層使其重新堿化或者用堿性混凝土或砂漿現(xiàn)場(chǎng)維修。需要注意的是，對(duì)于碳化，用來修補(bǔ)的混凝土或者砂漿必須要有足夠的抗碳化的能力；對(duì)于氯化，必須要確保不會(huì)再有氯元素滲透到舊的混凝土內(nèi)。

當(dāng)腐蝕僅出現(xiàn)在局部或者空間狹窄的范圍內(nèi)，可以采用此方法進(jìn)行修復(fù)。如果鋼筋位于已經(jīng)腐蝕的區(qū)域旁邊，不論它的腐蝕程度是多大，都應(yīng)挖開其周圍的混凝土并重新修復(fù)。修復(fù)砂漿或混凝土在使用中必須有足夠的堿度以及足夠的密度和厚度，以確保再次鈍化的持久性。

3.2 通過限制混凝土中水的含量防腐

該方法是通過降低混凝土中含水量和在混凝土表面施加足夠的保護(hù)防止水含量的增加來阻止鋼筋的腐蝕。在目前的狀況下，安全水含量的臨界值通常很難得出準(zhǔn)確的解答。根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)混凝土對(duì)水的吸收通過混凝土表面合適的保護(hù)措施在大面積被阻止時(shí)，進(jìn)一步的腐蝕就不會(huì)再發(fā)生。氯元素會(huì)增加混凝土的電解的傳導(dǎo)能力，所以表面保護(hù)措施對(duì)降低水含量的影響必須大于由碳化所引起的腐蝕。

3.3 通過鋼筋涂層防腐

當(dāng)鋼筋鈍化或者限制水含量由于特定的條件不能被使用的時(shí)候，可以采取鋼筋涂層防腐。其原理是在使用壽命之內(nèi)的鋼筋在出現(xiàn)腐蝕之前通過電絕緣的涂層來保護(hù)。其前提條件是：鋼筋是未受到損害或者它能被替換。

不同種類的涂料都可以作為防腐蝕保護(hù)劑來使用。實(shí)際工程中使用得較多的涂料有環(huán)氧樹脂、環(huán)氧砂漿等。環(huán)氧樹脂涂層具有良好的防腐蝕性和電絕緣性，環(huán)氧砂漿涂層具有較好的黏附性、防腐蝕性及握裹力。

3.4 陰極防腐

陰極防腐是一種被廣泛應(yīng)用處理由氯引起鋼筋腐蝕，并證明有效的電化學(xué)防腐技術(shù)。其原理是向被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面施加一個(gè)外加電流，被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極，從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。陰極保護(hù)可以通過強(qiáng)制電流和犧牲陽極兩種方式實(shí)現(xiàn)[11]。陰極防腐在對(duì)結(jié)構(gòu)的整體壽命提供足夠的保證的同時(shí)，極大的降低了將來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修維護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，它也不會(huì)影響新舊混凝土之間的復(fù)合作用。

在大量的工程實(shí)踐中已經(jīng)得到證明，對(duì)于在使用過程中的結(jié)構(gòu)物，不論其氯含量的大小，陰極防腐都是最有效的防腐措施。

3.5 各種防腐原理優(yōu)缺點(diǎn)的比較

通過上述4種鋼筋腐蝕的防護(hù)措施在工程中的應(yīng)用情況和對(duì)后期使用效果的檢測(cè)，可以得到各種措施的優(yōu)缺點(diǎn)，如表3。

表3 4種防腐措施優(yōu)缺點(diǎn)比較

4 結(jié) 語

筆者就造成鋼筋混凝土梁腐蝕的3種原因進(jìn)行了分析，列出了腐蝕鋼筋抗彎承載力的計(jì)算公式，對(duì)比分析了鋼筋屈服強(qiáng)度下降系數(shù)α、鋼筋銹蝕率η和協(xié)同工作系數(shù)k之間的耦合作用對(duì)抗彎承載力的影響；研討并給出了較合理的抗彎承載力公式使用區(qū)間，但該結(jié)果僅為理論計(jì)算值，其準(zhǔn)確性和精確性尚有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

針對(duì)鋼筋混凝土梁橋防腐提出的4種有效防腐措施的應(yīng)用，有助于提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，減少因腐蝕帶來的損失。

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Coupling Influence of Corrosion on Flexural Capacity of Reinforced Concrete Beam Bridge

Tang Lin, Xiao Shengxie

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Through elaborating the corrosion process and corrosion influence of the cracks, concrete carbonation and chloride on the reinforced concrete, the change trend and process of the decrease of yield strength, the decrease of effective section of the steel bar as well as the decrease of the cooperative working capacity of the reinforced concrete caused by corrosion were analyzed. And the coupling influence of different values of yield strength coefficient and the cooperative working coefficient on the bearing capacity of reinforced concrete was discussed in detail. Several kinds of protective measures to prevent or reduce the damage of the reinforced concrete frame caused by corrosion were proposed, which provided a certain reference for the actual bridge anti-corrosion projects.

bridge engineering; safety of RC; corrosion; bearing capacity; coupling influencing; protect

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.03

2014-08-07；

2014-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50879097)

唐 琳(1982—)，男，四川南充人，工程師，主要從事橋梁工程及防災(zāi)減災(zāi)方面的研究。E-mail: tang_527@126.com。

U445.7

A

1674-0696(2015)06-014-05