抗滑樁中鋼筋銹蝕深度及其體積變化過程分析

陳慶玉 趙華

【摘要】基于電化學(xué)原理，結(jié)合抗滑樁中鋼筋銹蝕的實(shí)際過程推導(dǎo)了不同服役時(shí)間，鋼筋各部位的銹蝕深度及銹蝕后體積變化情況，對(duì)鋼筋的整個(gè)銹蝕過程給予了形象直觀的描述。

【關(guān)鍵詞】電化學(xué)；電流密度；銹蝕深度；體積膨脹；抗滑樁

1 引言

目前國內(nèi)外對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕的研究大多以鋼筋的銹蝕為均勻銹蝕這一假設(shè)[1]為前提。抗滑樁中的鋼筋往往處于非均勻銹蝕狀態(tài)，本文以電化學(xué)原理為基礎(chǔ)，以混凝土的碳化為鋼筋銹蝕的誘導(dǎo)因素，根據(jù)不同銹蝕部位的銹蝕電流密度和銹蝕時(shí)間的關(guān)系推導(dǎo)了鋼筋的銹蝕深度以及相應(yīng)的體積變化關(guān)系，形象的再現(xiàn)了混凝土中鋼筋的腐蝕過程。

2 任意時(shí)刻鋼筋的銹蝕深度分析

鋼筋銹蝕是一種電化學(xué)過程，由法拉第定律

可得 （1）

即： （2）

式中： 為腐蝕電流密度， 為腐蝕時(shí)間。

可見在其余條件一致的情況下，材料的腐蝕深度與腐蝕時(shí)間成正比。對(duì)于一般環(huán)境中的抗滑樁而言，其鋼筋的銹蝕主要由氧氣的擴(kuò)散來控制，則在鋼筋某點(diǎn)處的腐蝕電流密度可表示為：

（3）

銹蝕范圍某點(diǎn)處的腐蝕電流密度表示成角度 的函數(shù)形式為：

（4）

式中 為鋼筋半徑， 為混凝土保護(hù)層厚度。如果假定混凝土的碳化是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的唯一因素，則鋼筋的銹蝕范圍是碳化深度的函數(shù)，如果以 表示碳化深度，則上式中角度 的極限值為： ， 為銹蝕輪廓對(duì)應(yīng)的圓心角，稱為銹蝕角。于是式（4）中的角度 取值范圍為： 。

不同碳化深度的碳化時(shí)間為：

（5）

由此在鋼筋的銹蝕范圍內(nèi)， 時(shí)刻角度 處的銹蝕時(shí)間為：

（6）

為混凝土碳化至此點(diǎn)所需時(shí)間.

將其代入式（2）中，則t時(shí)刻，角度 處的鋼筋銹蝕深度為：

（7）

3 抗滑樁內(nèi)鋼筋的銹蝕體積膨脹過程分析

抗滑樁中鋼筋銹蝕的前提是碳化至鋼筋表面，銹蝕首先在靠近混凝土表面一側(cè)發(fā)生，然后逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，相應(yīng)的銹蝕角度也逐漸擴(kuò)大。因此越靠近頂點(diǎn)位置，其銹蝕時(shí)間越長(zhǎng)相應(yīng)的銹蝕深度也就越大。

在任意角度 處取一微小角度 ，對(duì)該部分面積進(jìn)行分析，如果 處的鋼筋銹蝕深度為 ，則相應(yīng)的 范圍內(nèi)的銹蝕體積為：

（8）

如果忽略銹蝕產(chǎn)物沿切向擴(kuò)展量，則微元 范圍內(nèi)的鋼筋在銹蝕后的總體積為：

（9）

由此得出在銹蝕后，該處的半徑為：

（10）

式中的 為鐵銹蝕后的體積膨脹倍數(shù)，其取值范圍為2～6； 為銹蝕后 處的半徑。

將式（7）代入上式，便可得到 時(shí)刻銹蝕角度為 時(shí)銹蝕外輪廓線方程：

（12）

（13）

為某點(diǎn)處的保護(hù)層厚度。

取鋼筋半徑 ，保護(hù)層厚度 ，混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取16.7Mpa，碳化系數(shù)按照文獻(xiàn)進(jìn)行選取，可計(jì)算碳化至鋼筋表面的時(shí)間 年，銹蝕后的體積膨脹系數(shù) ，假定碳化至鋼筋表面鋼筋即開始銹蝕，則分別計(jì)算鋼筋不同服役時(shí)間各角度下的銹蝕深度及銹蝕后的半徑，其結(jié)果如下圖所示：

30年 40年

50年 60年

圖1 鋼筋銹蝕體積變化過程圖

上圖完整顯示了鋼筋在混凝土中的銹蝕及其體積變化過程、鋼筋剩余體積及其外輪廓線的變化過程，在鋼筋的銹蝕過程中，靠近混凝土表面一側(cè)的鋼筋由于碳化最先到達(dá)，因此該處首先發(fā)生銹蝕，且其腐蝕電流密度也最大，因而其銹蝕深度較大，而背離混凝土表面一側(cè)則反之。

5 結(jié)論

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合抗滑樁中鋼筋銹蝕過程的實(shí)際情況建立了考慮銹蝕順序的鋼筋銹蝕過程模型，通過分析發(fā)現(xiàn)鋼筋在靠近混凝土表面一側(cè)銹最為嚴(yán)重，從而體積擴(kuò)展量也最大，而背離混凝土表面一側(cè)則反之，這一結(jié)果比采用均勻銹蝕假設(shè)計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金偉良，趙羽習(xí)，鄢飛.鋼筋混凝土構(gòu)件的均勻鋼筋銹脹力的機(jī)理研究[J].水利學(xué)報(bào)，2001（7）

[2] 李永和.地下鋼筋混凝土與錨噴結(jié)果碳化斷裂損傷及其耐久性研究[D].中國科學(xué)院博士學(xué)位論文，1999