淺談鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土橋梁耐久性的影響

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論文關(guān)鍵詞:鋼筋銹蝕；橋梁；耐久性

  論文摘要:鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的最主要和最直接因素，也是混凝土橋梁耐久性破壞的主要形式之一。本文從銹蝕機理、影響因素和影響后果等方面進行了綜述性討論。   鋼筋銹蝕是一個比較普遍、并且嚴重威脅結(jié)構(gòu)安全的耐久性問題。它在影響結(jié)構(gòu)物耐久性因素中，占據(jù)主導(dǎo)地位。美國、英國、德國和日本等國每年均花費巨資用于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性修復(fù)，其中鋼筋銹蝕占有相當(dāng)大的比例。我國也有相當(dāng)數(shù)量的鋼筋混凝土橋梁相繼進入老化期，鋼筋銹蝕的研究和防治顯得非常重要。   鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的最主要和最直接因素，也是混凝土橋梁耐久性破壞的主要形式之一。鋼筋銹蝕對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞分為三個時期：前期是鋼筋表面局部銹蝕出現(xiàn)銹斑、銹片等；中期是鋼筋整個表面銹蝕，并產(chǎn)生膨脹，與保護層脫離，發(fā)生層裂；后期表現(xiàn)為鋼筋鐵銹進一步膨脹，混凝土本身發(fā)生破壞，出現(xiàn)順筋脹裂，混凝土脫離，直至鋼筋不斷銹蝕，有效截面不斷減小，橋梁結(jié)構(gòu)承載力不斷下降，鋼筋混凝土構(gòu)件喪失基本承載能力。   一、鋼筋混凝土橋梁中鋼筋銹蝕機理   正常情況下，由于初始混凝土的高堿性，鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)力筋表面形成一層致密的鈍化膜，使其處于鈍化狀態(tài)。但隨著環(huán)境介質(zhì)的侵入，鈍化膜逐漸遭到破壞，從而導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。   力筋發(fā)生銹蝕需要三大基本要素：   （一）力筋表面鈍化膜的破壞；   （二）充足氧的供應(yīng)；   （三）適宜的濕度（RH＝60～80％）。   三個要素缺一不可，第一要素為誘發(fā)條件，而腐蝕速度則取決于氧氣及水分的供應(yīng)。   鋼筋的銹蝕一般為電化學(xué)銹蝕。發(fā)生電化學(xué)銹蝕必須具備3個條件：   1、在鋼筋表面形成電位差；   2、在陰極部位鋼筋表面存在足夠的氧氣和水；   3、在陽極區(qū)，使陽極部位的鋼筋表面處于活化狀態(tài)，即鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞。   在氧氣和水的共同作用下，鋼筋表面不斷失去電子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，逐漸被銹蝕，在鋼筋表面生成紅銹，引起混凝土開裂。   對于鋼筋混凝土橋梁，在一般環(huán)境條件下，鋼筋的銹蝕通常由兩種作用引起：一種是混凝土碳化作用；一種是氯離子的侵蝕。二氧化碳和氯離子對混凝土本身都沒有嚴重的破壞作用，但是這兩種環(huán)境物質(zhì)都是混凝土中鋼筋鈍化膜破壞的最重要又最常遇到的環(huán)境介質(zhì)：混凝土碳化使混凝土孔隙溶液中的Ca(OH)2含量逐漸減少，PH值逐漸下降，鈍化膜逐漸變得不再穩(wěn)定以至于完全被破壞，使鋼筋處于脫鈍狀態(tài)；周圍環(huán)境中的氯離子從混凝土表面逐漸滲入到混凝土內(nèi)部，當(dāng)?shù)竭_鋼筋表面的混凝土孔溶液中的游離氯離子濃度超過一定值（臨界濃度）時，即使混凝土堿度再高，pH值大于11.5值，Cl-也能破壞鈍化膜，從而使鋼筋發(fā)生銹蝕。氯鹽引起鋼筋銹蝕的發(fā)展速度很快，遠比碳化銹蝕嚴重，這種情況常發(fā)生在近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境以及冬季經(jīng)常使用除冰鹽的環(huán)境。   二、影響鋼筋混凝土橋梁鋼筋銹蝕的主要因素   （一）混凝土的保護層厚度及完好程度和混凝土的密實度   這三個方面都與侵蝕性介質(zhì)的侵蝕速度有關(guān)，保護層厚度對鋼筋銹蝕的影響呈線性關(guān)系，因此世界各國規(guī)范對保護層厚度都作了規(guī)定。我國新修訂的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中，對鋼筋的最小保護層厚度規(guī)定中，隨著使用環(huán)境條件的劣化，混凝土保護層厚度也在增加?；炷恋拿軐嵍扔绊懼炷恋臐B透性，滲透性高的混凝土更容易發(fā)生銹蝕。   （二）混凝土的碳化程度   混凝土的碳化降低了混凝土的堿度，造成PH值降低，給鋼筋脫鈍提供了可能。鋼筋的失重率與混凝土的碳化深度差不多呈線性關(guān)系，由此混凝土的碳化程度對鋼筋銹蝕有重大影響。   （三）環(huán)境條件   環(huán)境對鋼筋銹蝕的影響主要有以下幾個方面：溫度、濕度、二氧化碳的濃度、氧氣的濃度以及侵蝕性介質(zhì)的濃度。對于鋼筋混凝土橋梁來說，影響最大的是濕度，當(dāng)橋梁處在濕度較大的環(huán)境下，尤其是水位浮動的橋墩部位和浪濺區(qū)，最容易發(fā)生銹蝕。   （四）氯離子的影響   氯化物是一種很危險的侵蝕介質(zhì)，但是在我國北方地區(qū)，為保證冬季交通暢行，向道路、橋梁及城市立交橋等撒除冰鹽，大量使用的氯化鈉和氯化鈣，使得氯離子滲入混凝土，引起鋼筋銹蝕破壞。   北方地區(qū)許多的工程經(jīng)驗教訓(xùn)表明，大量地使用除冰鹽是影響鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因之一。根據(jù)國外的相關(guān)研究報道，使用除冰鹽的橋梁結(jié)構(gòu)一般在5~10年就開始腐蝕破損造成鋼筋銹蝕，混凝土脹裂。由于到目前為止，還沒有找到能夠完全替代除冰鹽的除冰方法，除冰鹽仍將繼續(xù)使用。因此采取針對除冰鹽的防腐蝕措施是十分重要的。   三、鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土橋梁耐久性的影響   鋼筋銹蝕的直接結(jié)果是鋼筋的截面積減少，不均勻銹蝕導(dǎo)致鋼筋表面凹凸不平，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使鋼筋的力學(xué)性能退化，如強度降低、脆性增大、延性變差，導(dǎo)致構(gòu)件承載力降低。   （一）銹蝕后鋼筋的力學(xué)性能   銹蝕鋼筋抗力的降低直接影響服役結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載能力，嚴重時可能造成結(jié)構(gòu)提前失效甚至倒塌。沿鋼筋長度發(fā)生均勻銹蝕時，鋼筋的失重率近似等于鋼筋的截面面積損失率，鋼筋所能抵抗的極限拉力的降低與鋼筋截面面積銹損率基本成正比，此時，可以簡單地用銹損鋼筋的實際截面面積乘以未銹鋼筋的極限抗拉強度獲得銹蝕鋼筋的極限抗拉能力。   但是，由于混凝土材料的不均勻性、使用環(huán)境的不穩(wěn)定性、鋼筋各部位受力程度的不同等因素，實際上混凝土中的鋼筋銹蝕很少有均勻銹蝕的情況，通常鋼筋截面面積損失率大于重量損失率，而且隨著鋼筋銹蝕的發(fā)展，銹蝕的不均勻性和離散性增大，重量損失率與截面面積損失率的差異也越大。因此，鋼筋極限抗拉能力的下降，除鋼筋截面的銹損、有效截面面積減小外，還有一個因素：銹損鋼筋的表面凹凸不平，受力以后缺口處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使銹蝕鋼筋的屈服強度和極限強度降低；且銹損越嚴重，應(yīng)力集中引起的強度降低越多。       （二）鋼筋銹蝕后對鋼筋與混凝土協(xié)同工作性能的影響   鋼筋銹蝕后，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固性能降低。試驗研究結(jié)果表明，銹蝕鋼筋混凝土主梁抗彎承載力試驗值小于只考慮銹蝕后鋼筋截面積減小、屈服強度降低計算得到的抗彎承載力值,說明鋼筋和混凝土的粘結(jié)強度降低也是銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力降低的主要影響因素之一。因此，對受拉鋼筋必須乘以協(xié)同工作系數(shù)，以考慮粘結(jié)退化對鋼筋混凝土梁抗彎承載力的影響。   理論上，考慮粘結(jié)強度降低的影響，銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力應(yīng)介于未銹蝕構(gòu)件和無粘結(jié)構(gòu)件之間，而相同條件下無粘結(jié)受彎構(gòu)件承載力約為正常構(gòu)件的70%~80%左右，那么kb則應(yīng)處于0.7~1之間。   （三）鋼筋銹蝕后對鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響   混凝土中的鋼筋一旦發(fā)生銹蝕，在鋼筋表面生成一層疏松的銹蝕產(chǎn)物，并且同時向周圍混凝土孔隙中擴散。銹蝕產(chǎn)物體積比腐蝕鋼筋的體積要大得多，一般可達鋼筋腐蝕量的2—4倍。銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹使鋼筋外圍混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力達到混凝土的抗拉強度時，在鋼筋與混凝土界面處將出現(xiàn)內(nèi)部徑向裂縫，隨著鋼筋銹蝕的進一步加劇、鋼筋銹蝕量的增加，徑向內(nèi)裂縫向混凝土表面發(fā)展，直到混凝土保護層開裂產(chǎn)生順筋方向的銹脹裂縫，甚至保護層剝落，嚴重影響鋼筋混凝土橋梁的正常使用。   鋼筋與混凝土的粘結(jié)是一種復(fù)雜的相互作用，通過它來傳遞二者之間的應(yīng)力，協(xié)調(diào)變形，因此鋼筋與混凝土之間粘結(jié)錨固性能是保證鋼筋與混凝土兩種不同材料共同工作的基本前提。鋼筋與混凝土間銹蝕層的潤滑作用、鋼筋表面橫肋的銹損、混凝土保護層的開裂或剝落都會導(dǎo)致鋼筋混凝土粘結(jié)錨固性能降低甚至完全喪失，最終影響鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。