桥梁钢筋锈蚀（共10篇）
桥梁钢筋锈蚀 篇1
1 概述
钢筋的劣化形式主要是钢筋的锈蚀。钢筋锈蚀是一个比较普遍、并且严重威胁结构安全的耐久性问题。它在影响结构物耐久性因素中, 占据主导地位。美国、英国、德国和日本等国每年均花费巨资用于混凝土结构的耐久性修复, 其中钢筋锈蚀占有相当大的比例。我国也有相当数量的钢筋混凝土桥梁相继进入老化期, 钢筋锈蚀的研究和防治显得非常重要。我们在进行216国道合肥至淮南段改建初步设计过程中发现几乎所有的桥梁都存在钢筋锈蚀的问题。钢筋锈蚀对桥梁结构的破坏分为三个时期:前期是钢筋表面局部锈蚀出现锈斑、锈片等;中期是钢筋整个表面锈蚀, 并产生膨胀, 与保护层脱离, 发生层裂;后期表现为钢筋铁锈进一步膨胀, 混凝土本身发生破坏, 出现顺筋胀裂, 混凝土脱离, 直至钢筋不断锈蚀, 有效截面不断减小, 桥梁结构承载力不断下降, 钢筋混凝土构件丧失基本承载能力。
2 钢筋混凝土桥梁中钢筋锈蚀机理及影响因素
2.1 锈蚀机理
正常情况下, 由于初始混凝土的高碱性, 钢筋混凝土桥梁结构力筋表面形成一层致密的钝化膜, 使其处于钝化状态。但随着环境介质的侵入, 钝化膜逐渐遭到破坏, 从而导致腐蚀的发生。
力筋发生锈蚀需要三大基本要素:1) 力筋表面钝化膜的破坏;2) 充足氧的供应;3) 适宜的湿度 (RH=60%～80%) 。三个要素缺一不可, 第一要素为诱发条件, 而腐蚀速度则取决于氧气及水分的供应。
钢筋的锈蚀一般为电化学锈蚀。发生电化学锈蚀必须具备3个条件:
(1) 在钢筋表面形成电位差;
(2) 在阴极部位钢筋表面存在足够的氧气和水;
(3) 在阳极区, 使阳极部位的钢筋表面处于活化状态, 即钢筋表面的钝化膜遭到破坏。
钢筋锈蚀的电极反应式为[2]:
阳极:
Fe→Fe2++2e (1-1)
阴极:
O2+2H2O+4e→4OH- (1-2)
阳极表面的二次化学过程为:
Fe2++2OH-→Fe (OH) 2 (1-3)
氢氧化亚铁可进一步氧化生成氢氧化铁:
4Fe (OH) 2+O2+2H2O→4Fe (OH) 3 (1-4)
在氧气和水的共同作用下, 钢筋表面不断失去电子发生电化学反应, 逐渐被锈蚀, 在钢筋表面生成红锈, 引起混凝土开裂。钢筋的锈蚀机理如下图所示:
对于钢筋混凝土桥梁, 在一般环境条件下, 钢筋的锈蚀通常由两种作用引起:一种是混凝土碳化作用;一种是氯离子的侵蚀。二氧化碳和氯离子对混凝土本身都没有严重的破坏作用, 但是这两种环境物质都是混凝土中钢筋钝化膜破坏的最重要又最常遇到的环境介质:混凝土碳化使混凝土孔隙溶液中的Ca (OH) 2含量逐渐减少, PH值逐渐下降, 钝化膜逐渐变得不再稳定以至于完全被破坏, 使钢筋处于脱钝状态;周围环境中的氯离子从混凝土表面逐渐渗入到混凝土内部, 当到达钢筋表面的混凝土孔溶液中的游离氯离子浓度超过一定值 (临界浓度) 时, 即使混凝土碱度再高, PH值大于11.5值, Cl-也能破坏钝化膜, 从而使钢筋发生锈蚀。氯盐引起钢筋锈蚀的发展速度很快, 远比碳化锈蚀严重, 这种情况常发生在近海或海洋环境以及冬季经常使用除冰盐的环境。
2.2 影响因素
混凝土桥梁中钢筋锈蚀的影响因素主要是:
1) 混凝土的保护层厚度及完好程度和混凝土的密实度
这三个方面都与侵蚀性介质的侵蚀速度有关, 保护层厚度对钢筋锈蚀的影响呈线性关系, 因此世界各国规范对保护层厚度都作了规定。我国的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中, 对钢筋的最小保护层厚度规定中, 随着使用环境条件的劣化, 混凝土保护层厚度也在增加。混凝土的密实度影响着混凝土的渗透性, 渗透性高的混凝土更容易发生锈蚀。
2) 混凝土的碳化程度
混凝土的碳化降低了混凝土的碱度, 造成PH值降低, 给钢筋脱钝提供了可能。钢筋的失重率与混凝土的碳化深度差不多呈线性关系, 由此混凝土的碳化程度对钢筋锈蚀有重大影响。
3) 环境条件
环境对钢筋锈蚀的影响主要有以下几个方面:温度、湿度、二氧化碳的浓度、氧气的浓度以及侵蚀性介质的浓度。对于钢筋混凝土桥梁来说, 影响最大的是湿度, 当桥梁处在湿度较大的环境下, 尤其是水位浮动的桥墩部位和浪溅区, 最容易发生锈蚀。
4) 氯离子的影响
氯化物是一种很危险的侵蚀介质, 但是在我国北方地区, 为保证冬季交通畅行, 向道路、桥梁及城市立交桥等撒除冰盐, 大量使用的氯化钠和氯化钙, 使得氯离子渗入混凝土, 引起钢筋锈蚀破坏。北方地区许多的工程经验教训表明, 大量地使用除冰盐是影响钢筋混凝土桥梁结构耐久性的主要原因之一。根据国外的相关研究报道, 使用除冰盐的桥梁结构一般在5年～10年就开始腐蚀破损造成钢筋锈蚀, 混凝土胀裂。由于到目前为止, 还没有找到能够完全替代除冰盐的除冰方法, 除冰盐仍将继续使用。因此采取针对除冰盐的防腐蚀措施是十分重要的。
3 钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥梁造成的危害
3.1 对钢筋抗拉强度的危害
沿钢筋长度发生均匀锈蚀时, 钢筋的失重率近似等于钢筋的截面面积损失率, 钢筋所能抵抗的极限拉力的降低与钢筋截面面积锈损率基本成正比, 此时, 可以简单地用锈损钢筋的实际截面面积As乘以未锈钢筋的极限抗拉强度fu获得锈蚀钢筋的极限抗拉能力Pu。
但是, 由于混凝土材料的不均匀性、使用环境的不稳定性、钢筋各部位受力程度的不同等因素, 实际上混凝土中的钢筋锈蚀很少有均匀锈蚀的情况, 通常钢筋截面面积损失率大于重量损失率, 而且随着钢筋锈蚀的发展, 锈蚀的不均匀性和离散性增大, 重量损失率与截面面积损失率的差异也越大。因此, 钢筋极限抗拉能力的下降, 除钢筋截面的锈损、有效截面面积减小外, 还有一个因素:锈损钢筋的表面凹凸不平, 受力以后缺口处产生应力集中, 使锈蚀钢筋的屈服强度和极限强度降低;且锈损越严重, 应力集中引起的强度降低越多。
3.2 钢筋锈蚀后对钢筋与混凝土协同工作性能的危害
钢筋锈蚀后, 钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能降低。试验研究结果表明, 锈蚀钢筋混凝土主梁抗弯承载力试验值小于只考虑锈蚀后钢筋截面积减小、屈服强度降低计算得到的抗弯承载力值, 说明钢筋和混凝土的粘结强度降低也是锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力降低的主要影响因素之一。因此, 对受拉钢筋必须乘以协同工作系数, 以考虑粘结退化对钢筋混凝土梁抗弯承载力的影响。理论上, 考虑粘结强度降低的影响, 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力应介于未锈蚀构件和无粘结构件之间, 而相同条件下无粘结受弯构件承载力约为正常构件的70%～80%左右, 那么Kb则应处于0.7～1之间。
3.3 钢筋锈蚀后对钢筋混凝土桥梁结构性能的影响
混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀, 在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物, 并且同时向周围混凝土孔隙中扩散。锈蚀产物体积比腐蚀钢筋的体积要大得多, 一般可达钢筋腐蚀量的2倍～4倍。锈蚀产物的体积膨胀使钢筋外围混凝土产生环向拉应力, 当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时, 在钢筋与混凝土界面处将出现内部径向裂缝, 随着钢筋锈蚀的进一步加剧、钢筋锈蚀量的增加, 径向内裂缝向混凝土表面发展, 直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝, 甚至保护层剥落, 严重影响钢筋混凝土桥梁的正常使用。钢筋与混凝土的粘结是一种复杂的相互作用, 通过它来传递二者之间的应力, 协调变形, 因此钢筋与混凝土之间粘结锚固性能是保证钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的基本前提。钢筋与混凝土间锈蚀层的润滑作用、钢筋表面横肋的锈损、混凝土保护层的开裂或剥落都会导致钢筋混凝土粘结锚固性能降低甚至完全丧失, 最终影响钢筋混凝土桥梁结构的安全性、适用性和耐久性。
3.3.1 钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥梁抗弯承载能力的影响
经研究发现钢筋锈蚀对桥梁抗弯承载力的影响一般存在以下规律:
1) 随着钢筋锈蚀, 主梁承载力呈线性降低, 在未出现纵向裂缝前, 降低幅度比较小;
2) 在出现纵向裂缝之后, 混凝土保护层未脱落之前, 主梁承载力随着钢筋锈蚀降低幅度稍微增大, 而且随着纵向裂缝宽度开展, 主梁承载力显著降低;
3) 在混凝土保护层脱落之后, 主梁承载力已显著降低, 较未锈蚀前降低约25%以上。
3.3.2 锈蚀对抗剪钢筋提供的抗剪强度的影响
钢筋混凝土梁中的抗剪钢筋主要是箍筋和弯起钢筋。试验研究表明, 箍筋锈蚀比纵向钢筋更严重, 其中又以角部的锈蚀最为严重。实际上, 钢筋的直径对锈蚀非常敏感, 相同锈蚀条件下, 随着钢筋直径越大, 钢筋锈蚀率越小。箍筋锈蚀后屈服强度降低, 截面面积减少, 其结果导致箍筋提供抗剪强度的降低甚至完全丧失。
3.3.3 钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥梁抗弯刚度的耐久性损伤
大量的试验表明, 钢筋锈蚀的程度越大, 特别是混凝土保护层的锈胀开后, 相同荷载作用下混凝土梁的挠度越大, 也就说, 钢筋锈蚀后, 混凝土梁的抗弯刚度下降。这主要是由于:
1) 钢筋锈蚀使得钢筋截面面积减小;
2) 随着钢筋锈蚀的加剧, 混凝土保护层的锈胀开裂乃至脱落, 钢筋与混凝土之间的粘结性能退化, 使得破坏区段内锈蚀梁的混凝土和钢筋的平均应变大于正常钢筋混凝土梁, 不能充分地进行应力应变重分布;
3) 随着锈蚀的发展, 梁的承载能力逐渐降低, 当降低到外荷载作用下产生的弯矩作用时, 构件达到极限状态, 构件内形成塑性铰, 随着钢筋锈蚀的进一步发展, 塑性铰的效应也在发生着变化, 因此梁的挠度和变形特征也在变化。
4 钢筋混凝土桥梁设计、施工、使用中应注意的问题
鉴于钢筋锈蚀对钢筋混凝土的桥梁的危害, 结合钢筋锈蚀的形成原因, 在钢筋混凝土桥梁的设计、施工及使用过程中应注意以下几方面问题:
1) 在进行钢筋混凝土构件设计时应严格遵守《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中对钢筋的最小保护层厚度规定。混凝土的密实度影响着混凝土的渗透性, 渗透性高的混凝土更容易发生锈蚀, 在一些腐蚀性较强的混凝土构件, 可以使用较高标号的混凝土或掺加硅灰等矿物掺合料来提高混凝土密实度。
2) 业主、监理、设计单位、施工单位在桥梁施工过程中应协调统一, 确保设计意图切实贯彻到施工过程中去, 保证钢筋的保护层厚度。
3) 冬天桥面结冰时尽量使用机械除冰, 不要使用除冰盐。
4) 在进行老桥加固设计时, 老桥的承载力验算应充分考虑钢筋锈蚀对桥梁各构件抗弯承载力、抗剪承载力以及抗弯刚度的消弱, 以便做出合理的设计方案。 [ID:3984]
摘要：钢筋混凝土桥梁是应用非常广泛的一种桥梁结构形式, 长期以来, 由于“重强度轻耐久”设计思想的影响, 大量的钢筋混凝土结构在使用期内就出现了由于耐久性失效而老化现象, 这其中钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土桥梁耐久性损伤的最主要和最直接因素, 也是混凝土桥梁耐久性破坏的主要形式之一。
关键词：钢筋混凝土桥梁,钢筋锈蚀
参考文献
[1]周履.桥梁耐久性发展的历史与现状[J].桥梁建设, 2000 (4) :58-61.
[2]王有志, 王广洋, 任锋, 王广月等编著.桥梁的可靠性评估与加固[M].北京:中国水利水电出版社, 2002.
桥梁钢筋锈蚀 篇2
3.1.1 电阻探针法。这种方法主要就是将和钢筋材质相同的电阻探针设置在混凝土当中，借助平衡电桥测量探针的电阻采用探针的电阻和截面面积呈现出反比例的关系。电阻变化可以转变成腐蚀的深度，这样也就完成了检测工作。
3.1.2 电阻探头法。这种方法在20世纪的代就已经在美国和欧洲等很多国家得到了应用，这种方法主要是在进行混凝土浇筑的之前先预埋探头，该方法适合使用在钢筋锈蚀较为均匀的条件下，如果是钢筋出现了局部腐蚀是很难对其速度加以检测的。
3.1.3 光纤传感技术。这种技术是新型的技术，具有很高的使用价值。由于光纤具有轻质、抗强电磁干扰和耐高温的特质，容易集成在混凝土结构体内等优点，从而研究出了这种耐腐蚀的传感器，科学家还将这种思路用于钢筋腐蚀检测技术上，提出了一种用金属膜局部替代光波导传感的方案，从而获取了金属腐蚀的信息。此外，如果把多个光纤钢筋腐蚀传感器紧贴钢筋铺设，然后再采取光时域反射技术，还能够实现大型混凝土结构中多个点的分布检测。
3.1.4 声波发射法。该方法主要是借助混凝土中钢筋锈蚀过程中所产生的内力使得周围的混凝土膨胀，甚至开裂，一些能量会以声波的形式得到释放，之后再用声波探头对发射的位置和强度进行全面的检测，但是这种方法存在着一定的不足，其在应用中会受到很多因素的影响，所以很难产生相关的关联所以我们在应用的过程中一定要按照实际的情况对其予以有效的应用。
3.2 电化学方法
3.2.1 交流阻抗法。通过应用技术得出，这种方法原则上是对研究电极施加交流电压电流信号，根据其响应的程度来计算电极的反应数据。目前，这种方法已经成为了研究钢筋混凝土锈蚀度的常用办法。交流阻抗法能够显示出腐蚀机制的相关信息，能够定量得出锈蚀的速度，不过为了获得更加准确的信息，测算的范围要广阔，尤其是对于钢筋混凝土系统中锈蚀速度的测量，其较低频区的信息数据是非常主要的。交流阻抗法进行测试需要的时间长，必须进行多次测算，反复激励系统。
3.2.2 钢筋腐蚀EIR评估综合法。钢筋腐蚀EIR综合评估方法指的是便于现场实施的测量方法，与交流阻抗法正好相反。它是采用多元统计分析的辨别方法，需要对其建立数学模型，建立三元辨别函数，然后利用得到的数值和准则将其进行分类，最后运用统计计算出其数据的方法。EIR法以钢筋的腐蚀电位、腐蚀电流、混凝土电阻率等多种因素综合评定钢筋的腐蚀状态。其优点在于能够克服不同因素造成的干扰，其评判的结果也更加准确。
3.2.3 恒电量试验方法。这种技术早期应用在钢筋混凝土的锈蚀研究中是从20世纪80年代后期开始的。一些研究者将这种方法作为激励信号，分析衰减曲线，从而得到更多更准确的数据。这种电化学技术的电信号极其微小，而且具有瞬间性，再加上测量的是衰减变化，因此，它可以更加快速和准确的测量出钢筋瞬间的腐蚀速度。
不过电化学法的成本较高，很多测算仪器价格偏高，而且使用地域受到局限，尤其不能在现场使用。钢筋腐蚀评估综合方法和交流阻抗方法正好相反，它主要适用于现场，其原理就是利用数学建模的方法建立三元辨别函数，再依据测得的数据进行分类，然后计算出钢筋锈蚀的数据，这种方法能避免很多外来因素的干扰，而且测算出来的结果比较准确可靠，非常适合钢筋结构的检测。最后一种方法就是恒电流试验方法，这种技术是在上世纪后期应用到钢混结构建筑物中的，其原理就是利用激励信号的衰减曲线进行分析，以此得出钢筋结构的腐蚀数据，不过，这种方法的信号比较弱、时间短，所以测试的难度较大，但是这种方法测试速度较快，而且准确，能测算出钢筋结构瞬间的锈蚀速度。
4 结语
建材的质量对建筑的安全性和稳定性产生非常大的影响，而混凝土钢筋如果产生了锈蚀的现象，建筑的质量就会大大下降。在这样的情况下我们必须要采取有效的措施对钢筋锈蚀的状况加以检测，从而保证钢筋的质量。
参考文献
[1] 孔玉琴.钢筋混凝土中钢筋锈蚀综述[J].甘肃科技纵横，(05).
桥梁钢筋锈蚀 篇3
关键词：钢筋锈蚀；重复荷载；力学性能；本构关系
中图分类号：TU511文献标识码：A
混凝土结构中钢筋锈蚀是导致其耐久性失效的主要原因之一.MEHTA P K教授指出：“当今世界，混凝土结构由于耐久性损伤引起结构破坏的原因按重要性递减顺序依次是：钢筋锈蚀、寒冷地区的冻害、侵蚀环境的物理化学作用”1.当结构耐久性损伤后首先面临的问题可能是结构抗震能力的不足.钢筋混凝土结构在腐蚀与地震作用下的动力响应，不仅影响居住者的舒适性，而且影响结构的安全性和耐久性2.
由文献3-6可知锈蚀钢筋的研究对地震区的建筑结构分析很有意义.目前对锈蚀钢筋力学性能的研究主要以单调荷载试验研究为主7-15，也有对其进行有限元分析16，通过对不同锈蚀程度的钢筋进行单调拉伸试验，分析锈蚀对其力学性能的影响7-11，研究其本构关系12，少数文献研究了锈蚀钢筋的疲劳性能13-16以及钢筋锈蚀过程17和钢筋锈蚀对结构破坏模式的影响18.在地震作用下，剪力和弯矩交替作用在结构上，这种循环作用逐渐的挤压和分离保护层混凝土，最终导致钢筋成为唯一的承重构件19.地震作用下钢筋可能承受重复荷载作用，但目前未见有关锈蚀钢筋重复荷载作用力学性能研究的报道，本文则通过试验研究重复荷载下锈蚀对钢筋力学性能及本构关系的影响.
1试验方法
1.1试件制作
试验采用HRB400级钢筋，直径16 mm，共12根，长度均为500 mm，设计锈蚀率分别为：0，3%，6%，…，33%.试验前首先用天平秤取每根钢筋初重，为使得钢筋锈蚀与实际工程混凝土中钢筋的锈蚀相似，将其浇入混凝土板内，利用钢筋外加直流电源加速钢筋锈蚀.
混凝土板尺寸为550 mm×500 mm×100 mm，为了防止钢筋加载端部发生破坏，对钢筋端部采用蜡封方式进行绝缘处理.电流密度为100 μA·mm-2，当钢筋混凝土板达到预定通电时间后，关闭电源，拆除导线，通电完成后混凝土板如图1所示.将其破型后从板中取出锈蚀钢筋，如图2所示，按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GBT 50082-2009计算锈蚀率，截面锈蚀率取游标卡尺测得的最大截面锈蚀率，见表1.试验中试件破坏截面往往发生在截面损失最严重部位，因此本文分析中所采用的锈蚀率指截面锈蚀率.
1.2重复拉伸荷载试验
试验根据《金属材料室温拉伸试验方法》GBT 228-2002进行，试验设备采用电液伺服材料试验机及数据自动采集仪，如图3所示.
重复拉伸加载试验所采用加载机制为力控制加载，即每种钢筋屈服力之前，荷载增步为一定值，在达到屈服力以后，减少荷载增量，直至破坏.重复荷载加载机制见图4.通过对试件单调拉伸力学性能可知，未锈蚀试件的屈服荷载为89.11 kN，极限荷载113.3 kN.考虑钢筋锈蚀后试件极限荷载降低，试验程序设定重复加载机制为：当程序设定荷载小于60 kN时，加载步长设定为20 kN，每次加载到设定荷载后卸载到0 kN，继续加载；超过60 kN时，加载步长设定为5 kN，每次加载到设定荷载后卸载到0 kN，继续加载，直至试件拉断.每级循环荷载的最大值和完全卸载处，程序设置持荷6 s，此时荷载基本稳定，记录下钢筋应变，并根据荷载和锈蚀最严重截面面积计算各试件弹性模量，见表1.试件拉断后，用游标卡尺量取断裂面左右5 d标距范围内的断后伸长量，计算试件的伸长率，见表1.
2试验结果
2.1破坏形态
试件断裂后发现，未锈蚀试件断裂面有颈缩现象，锈蚀试件随锈蚀率的增大，颈缩愈不明显，钢筋表现为脆性破坏.主要原因是随着锈蚀程度的提高，混凝土板表面逐渐产生锈胀裂缝，且均匀分布，导致钢筋锈蚀并不均匀，出现坑蚀现象，使得试件在其加载过程中应力集中，导致脆断.
2.2荷载变形曲线
各锈蚀试件的荷载变形曲线见图5.由各试件重复荷载下的滞回曲线可得各试件荷载位移曲线骨架线，见图6.由图6可知，随着锈蚀率的增大锈
蚀钢筋变形能力逐渐降低，屈服荷载和极限荷载逐渐减小，锈蚀率在20%左右时，屈服平台逐渐消失，甚至无明显屈服现象.
由图7可知：重复荷载下钢筋随着锈蚀程度的增加，其实际屈服强度、极限强度、伸长率及弹性模量逐渐降低；其中，实际屈服强度及极限强度变化较小，但伸长率及屈服强度退化速度相对较快，说明重复荷载下锈蚀对钢筋延性影响较大.主要原因是由于钢筋在混凝土中锈蚀不是非均匀分布，部分区域出现坑蚀现象，坑蚀的不均匀分布及坑蚀深度越大，钢筋延性退化越明显；另外，钢筋锈蚀后，钢筋内部材料晶格发生一定程度的改变19，也可能导致锈蚀钢筋脆性断裂破坏.
4重复荷载下锈蚀钢筋本构关系
4.1本构关系模型
重复荷载试验前对未锈蚀试件进行单调拉伸试验，将未锈蚀试件重复荷载骨架曲线与单调荷载曲线进行对比结果见图8.
由图8可看出，弹性阶段重复荷载下的荷载位移曲线与单调拉伸荷载下曲线一致，重复荷载下强化段与单调荷载下强化段斜率接近；另一方面，在重复荷载作用下，荷载位移曲线较早进入强化段，其屈服台阶长度要比单调荷载作用下短，其破坏位移要比单调荷载作用下小，重复荷载下试件延性有所降低.结构在重复荷载作用下，若使用材料单调荷载下的本构关系，则可能导致结构计算延性偏大，偏于不安全.
根据锈蚀钢筋重复荷载下的实验结果及力学性能退化分析可知，锈蚀钢筋力学性能发生退化，随着锈蚀率的增大钢筋变形能力降低，屈服平台逐渐缩短，当锈蚀率达到20%时屈服平台消失.
基于这一特征，本文采用图9所示的锈蚀钢筋应力应变本构关系模型——三折线模型12.当钢筋锈蚀率低于20%时，取模型图9a；当锈蚀率超过20%时，屈服平台消失，取模型图9b.
a锈蚀率<90%
b锈蚀率>20%
当锈蚀率小于20%时：对于屈服平台长度变化可近似地假设屈服平台长度随钢筋锈蚀率的增大按线性规律退化，强化应变εhc可以按式6确定.其中，ρcr为屈服平台消失时的临界锈蚀率，取为20%；未锈蚀钢筋强化应变取屈服应变的4倍20，则屈服平台段应变可取屈服应变的3倍，锈蚀后通过引入锈蚀率进行修正来考虑锈蚀对其的影响.由试验结果可知，加载过程中钢筋伸长率与应变变化趋势基本一致，故极限应变εuc取值可参考伸长率退化模型，见式7.其中，未锈蚀钢筋极限应变，可取屈服应变的25倍20，锈蚀后通过引入锈蚀率进行修正来考虑锈蚀对其影响
知：钢筋未锈蚀直至锈蚀率达到20%时，随着锈蚀率的增大钢筋变形性能逐渐减小，屈服平台逐渐缩短直至消失，这与试验结果一致；另外，随着锈蚀程度的增大，屈服点变得愈加不明显当荷载达到极限荷载时，钢筋突然断裂.
5结论
基于锈蚀钢筋重复拉伸荷载试验，分析了锈蚀对钢筋力学性能影响以及本构关系的变化，得出的主要结论如下：
1由于钢筋在混凝土中的锈蚀不是均匀分布，部分区域发生坑蚀现象，坑蚀的不均匀分布及坑蚀深度越大，钢筋延性退化越明显；钢筋锈蚀后，钢筋内部材料晶格发生一定程度的改变，导致了锈蚀钢筋脆性断裂破坏.
2锈蚀使得钢筋变形能力降低，屈服平台逐渐缩短，破坏时颈缩愈不明显；随着锈蚀率的增大，钢筋力学性能逐渐降低，其中弹性模量降低更为迅速，锈蚀对钢筋延性影响较大，另外，重复拉伸荷载作用下钢筋随着锈蚀程度的增加，耗能性能降低，导致结构能量存储能力不足，抗震性能下降，在地震时发生脆性破坏.
3基于试验结果本文建立了锈蚀钢筋应力应变本构关系模型，研究结果可为锈损结构耐久性、残余承载力及抗震性能评估提供技术依据.
参考文献
1MEHTA P K. Durability of concretefifty years of progressCIDORN G M. International Symposium，SP-126，American Concrete Institute，Detroit，1991：l-31.
2LIU Tiejun， LI Jilong， OU Jinping. High damping concrete and seismic behaviorCThird International Conference on Construction Materials. Vancouver， Canada：2005：365-373.
3APOSTOLOPOULOS C A. The Influence of corrosion and crosssection diameter on the mechanical properties of B500c steelJ. Journal of Materials Engineering and Performance，2009，18：190-195.
4梁岩，罗小勇.耐久性损伤钢筋混凝土结构抗震性能研究进展J.地震工程与工程振动，2014，322：1-7.
LIANG Yan，LUO Xiaoyong. Research progress in seismic behavior of durability damage RC structuresJ .Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2014，322：1-7.In Chinese
5BERTO L， VITALIANI R， SAETTA A，et al Seismic assessment of existing RC structures affected by degradation phenomena J.Structual Safety， 200931：284-297.
6梁岩，罗小勇.耐久性损伤钢筋混凝土结构抗震分析参数研究J.建筑结构，2013，438：69-73.
LIANG Yan，LUO Xiaoyong. Research on seismic parameter of reinforced concrete structures with durability damage J. Building Structure，2013，438：69-73.In Chinese
7ALMUSALLAM A A， ALMUSALLAM. Effect of corrosion on the properties of reinforcing steel barsJ. Construct Ion and Building Materials，20015：361-368.
8APOSTOLOPOULOS C A. The influence of corrosion and crosssection diameter on the mechanical properties of B500c steelJ. Journal of Materials Engineering and Performance，2009，18：190-195.
9惠云玲，林志伸，李 荣.锈蚀钢筋性能试验研究分析J.工业建筑，1997，276： 10-13.
HUI Yunling， LIN Zhishen，LI Rong. Experimental study and analysis on the property of corroded rebarJ. Industrial Construction，1997，276： 10-13.In Chinese
10袁迎曙，贾福萍，蔡跃.锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化模型J.土木工程学报，2001，343：47-52.
YUAN Yingshu JIA Fuping， CAI Yue. The structural behavior deterioration model for corroded reinforced concrete beamsJ. China Civil Engineering Journal，2001，343：47-52.In Chinese
11吴庆，袁迎曙.锈蚀钢筋力学性能退化规律试验研究J.土木工程学报，2008，4112：42-47.
WU Qing， YUAN Yingshu. Experimental study on the deterioration of mechanical properties of corroded steel barsJ. China Civil Engineering Journal， 2008，4112：42-47.In Chinese
12张伟平，商登峰，顾祥林.锈蚀钢筋应力应变关系研究J.同济大学学报，2006，345：586-592.
ZHANG Weiping，SHANG Dengfeng，GU Xianglin. Stressstrain relationship of corroded steel barsJ. Journal of Tongji University，2006，345：586-592.In Chinese
13APOSTOLOPOULOS C A. Mechanical behavior of corroded reinforcing steel bars S500s tempcore under low cycle fatigue J. Construction and Building Materials，2007，21：1447-1456.
14张伟平，李士彬，顾祥林，等.自然锈蚀钢筋的轴向拉伸疲劳试验J.中国公路学报，2009，222：53-58.
ZHANG Weiping，LI Shibin，GU Xianglin，et al. Experiment on axial tensile fatigue of naturally corroded steel barJ. China Journal of Highway and Transport ，2009，222：53-58.In Chinese
15李士彬，张伟平，顾祥林，等.加速锈蚀钢筋的疲劳试验研究J.铁道学报，2010，325：93-97.
LI Shibin，ZHANG Weiping，GU Xianglin，et al. Experimental study on fatigue properties of corrosion accelerated steel barsJ. Journal of Railway，2010，325：93-97.In Chinese
16范颖芳，周晶.考虑蚀坑影响的锈蚀钢筋力学性能研究J.建筑材料学报，2003，63：248-252.
FAN Yingfang，ZHOU Jing. Mechanical property of rusty rebar considering the effects of corrosion pitsJ. Journal of Building Materials，2003，63：248-252.In Chinese
17卫军，张萌，董荣珍，等. 钢筋锈蚀对混凝土梁破坏模式影响的试验研究J. 湖南大学学报：自然科学版，2013，4010： 15-21.
WEI Jun， ZHANG Meng， DONG Rongzhen，et al. Experimental research on the failure mode of concrete beam due to steel corrosionJ. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013，4010： 15-21.In Chinese
18姬永生，申建立，王磊，等.混凝土中钢筋锈蚀过程非氧扩散控制的试验研究J.湖南大学学报：自然科学版，2012，393： 11-16.
JI Yongsheng， SHEN Jianli， WANG Lei，et al. Experimental study of the process control of reinforcement corrosion in concreteJ.Journal of hunan University：Natural Sciences ，2012，393： 11-16.In Chinese
19SHIGERU H.Retrofitting of reinforced concrete moment resisting frames supervised by parkR. TANAKA H. ISSN0110-3326，1995.
20吴庆.基于钢筋锈蚀的混凝土构件性能退化预计模型M.徐州：中国矿业大学出版社，2009：77-91.
桥梁钢筋锈蚀 篇4
准确全面的桥梁结构耐久性的定义, 对于我们研究的内容及其影响因素的确定具有指导性的意义, 现存的关于结构耐久性的定义多种多样, 本质上都认为结构的耐久性包括了结构的适用性、安全性、功能性、美观性。但是对于研究对象的确定没有准确的界定或是很模糊, 本文对结构的耐久性进行总结并给出新的定义, 即:桥梁结构在自然环境因素及其他因素 (设计年限内正常荷载, 对于预计外突发性事件不应多考虑) 共同作用下, 在等效的建设条件和运营维护成本下, 在设计使用期内, 保持其应有的安全性、适用性、功能性及美观的能力。在这样的定义下研究桥梁结构耐久性的影响因素分为:外部自然环境和施工及设计不当的人为因素。外部自然环境因素为:磨损破坏、氯离子的侵蚀、高温、潮湿。人为因素为:保护层的厚度不够、水泥的品种、标号及用量、水灰比、外加剂类型、结构的构造等。在设计年限内结构的适用性、安全性、功能性、美观性。其中一项或几项出现过早衰退的原因就在于外部因素引起混凝土内部的碳化速度加快、裂缝产生和发展。
二、锈蚀钢筋对钢筋混凝土桥梁耐久性影响
(一) 钢筋锈蚀后截面的变化。
在自然的环境中, 由于游离态的氯离子扩散到钢筋表面引起钢筋脱钝, 从而混凝土中的钢筋发生电化学反应, 根据氯离子引起的脱钝面积的大小钢筋的锈蚀分为均匀锈蚀和局部锈蚀两种锈蚀。在计算锈蚀钢筋剩余面积时可以按照两种锈蚀状况分别来进行计算, 但是一般的情况下用锈蚀率来计算锈蚀钢筋的剩余面积比较常见。对锈蚀的钢筋进行处理, 用卡尺量得钢筋再去锈后的直径d通过公式 (1) 计算其锈蚀率w。再用 (2) 来计算其剩余截面面积。
(1)
(2)
(二) 锈蚀钢筋力学性能的退化。
钢筋锈蚀后钢筋原有的一些特性都有了明显的降低, 如钢筋的极限延伸率、疲劳强度、抗拉能力、低温情况下抵抗脆性破坏的能力等。对锈蚀钢筋混凝土构件承载力的研究中一般仅考虑名义屈服强度、名义极限强度和钢筋延性两项。通过大量的实验发现, 钢筋的名义强度随着钢筋锈蚀率的增加而降低。锈蚀钢筋的延性随着锈蚀率的增加而下降, 下降的幅度要大于强度的损失。
(三) 锈蚀后钢筋和混凝土之间粘结关系的变化。
混凝土和钢筋之间的粘结力由机械咬合力、胶合力、摩擦力三部分组成。在钢筋锈蚀后, 钢筋表面会产生一种易剥落且疏松的物质。在它的产生量较小时, 会在混凝土与钢筋之间起到一个隔离层的作用, 直接改变了钢筋与混凝土之间的接触面积, 降低了它们之间机械咬合的能力。随着锈蚀产物的增多体积增加, 钢筋的周围会受到径向膨胀力的作用, 导致混凝土开裂, 严重时保护层会脱落, 从而钢筋的约束减小, 它们之间的摩擦力降低。总之, 随着钢筋锈蚀率的增加, 钢筋与混凝土之间的粘结强度逐渐下降。
(四) 钢筋锈蚀产生的裂缝。
桥梁结构主要发生锈蚀的部位大多集中在水中的桥墩, 其他混凝土结构形式在发生锈蚀后一般会直接暴露在大气中, 而桥梁结构会直接接触水。这样的情况会使由于铁锈引起的保护层裂缝, 在水中氯离子通过细微的裂缝加速了钢筋的锈蚀, 使钢筋锈蚀由点锈向均匀锈蚀发展。从而混凝土桥梁结构在其钢筋锈蚀后, 耐久性的降低要比其他的结构形式要快。
三、结语
综上所述, 钢筋在外部因素的作用下引起了钢筋混凝土结构的内部变化, 首先是钢筋截面随着锈蚀的发生而减小, 钢筋截面的减小引起了钢筋力学性能衰退, 同时由于钢筋锈蚀, 产生的铁锈会使钢筋周围的混凝土受到了径向的膨胀力作用, 在这种作用下, 一是钢筋和混凝土之间的机械咬合力、摩擦力、胶合力下降, 二是会使保护层开裂。而桥梁结构在保护层开裂后, 水中的游离氯离子会通过细微的裂缝进入到保护层内部钢筋表面, 加速了锈蚀钢筋的锈蚀过程由点锈逐步过到均匀锈蚀。所以, 桥梁结构中的钢筋锈蚀引起的结构耐久性衰退比其他的结构要严重。
参考文献
[1].何世钦, 贡金鑫.钢筋混凝土梁中锈蚀钢筋粘结性能的试验研究[J].哈尔滨工业大学学报, 2006
桥梁钢筋锈蚀 篇5
1 、物理学方法
1 . 1 电阻探针法
该方法是将与钢筋同材质的电阻探针埋入混凝土中,通过平衡电桥测量探针的电阻,利用探针的电阻与其截面积成反比的关系,电阻的变化可以变换成腐蚀的深度,从而达到检测目的。
1 . 2 电阻探头法
20世纪20年代,欧洲一些国家和美国就大量使用电阻探头检测混凝土中钢筋的腐蚀。这种方法一般是在浇筑混凝土结构时就预先埋设这种探头。该法比较适用于钢筋均匀锈蚀,对于以局部腐蚀的钢筋,并不能定量检测钢筋腐蚀速度。
1 . 3 涡流与磁通减量法
将电磁装置放置于混凝土结构表面,使其中某段钢筋达到磁饱和,钢筋腐蚀引起的钢筋截面积损失会使磁场中出现异常。分析这些异常,即可判断钢筋截面积的损失率。该方法精度高、无损、可定量检测混凝土中钢筋损失量,是一种行之有效的方法。配合电化学检测,可以更好地诊断钢筋腐蚀引起的混凝土结构破坏状况和评估剩余使用寿命,很有应用前景。
1 . 4 膨胀应变探头
英国学者利用金属腐蚀产物体积膨胀率与腐蚀速度的相关性,研制了一种环境腐蚀检测器,主要用于检测除冰剂对混凝土中钢筋腐蚀速度的影响。
1 . 5 声波发射法
声波发射法是利用混凝土中钢筋腐蚀时,腐蚀产物膨胀产生的内应力,使周围混凝土受胀开裂,部分能量以声波形式释放,用声发射探头可以检测发射源位置与强弱。这种很难避免其它声波的干扰,因此很难建立钢筋腐蚀活性高低与声发射强度的相关关系。
1 . 6 光纤传感技术
光纤具有径细、质轻、抗强电磁干扰、耐高温、集信息传输与传感于一体,易集成于混凝土结构体内等优点, Rutherford等人针对飞机上 Al材缝隙腐蚀监测问题,用物理气相沉积法在光纤纤芯表面沉积一层膜以形成光纤的金属包层,从而构成了一种能监测Al材腐蚀的光纤传感器, 黎学明等将这种思路用于钢筋腐蚀监测上,提出一种基于用金属膜层局部取代光波导的介质包层构成腐蚀敏感膜的用于混凝土结构钢筋腐蚀监测的光波导传感方案,从而获取金属腐蚀信息,结果证实了所提传感方案的可行性,能够较好的进行混凝土结构钢筋腐蚀的在线监测。此外如将多个此种光纤钢筋腐蚀传感器紧贴钢筋铺设,并采用光时域反射技术,还可实现大型混凝土结构中多个点位的钢筋腐蚀准分布监测。
在光纤的芯部镀上铁合金敏感膜,与光纤的外包皮相比,铁合金敏感膜对光信号具有较大的吸收率和较小的反射率。因此在敏感膜没有腐蚀时,光信号通过该部位后被检测到的强度较弱,而当敏感膜腐蚀后,可检测到较强的光信号,据此制成光纤传感器,埋设于混凝土中,通过测定敏感膜的腐蚀推测钢筋的腐蚀。理论与实验证明,在光波导表面制备金属敏感膜的腐蚀传感方法能够实现钢筋腐蚀在线监测,与传统腐蚀的监测技术相比有着显著的优越性,易于实现结构内部连续、在线、分布式监测,可以显著降低维护费用。
2、 电化学方法
2 . 1 交流阻抗法
应用技术上得出，交流阻抗法原则上是对研究电极施加小幅交流电压电流信号,从电流电压响应来计算电极反应参数。交流阻抗测量已成为实验室研究钢筋混凝土腐蚀的常用方法,通常情况下由于钢筋混凝土的腐蚀常常是氯离子引起的点蚀,局部电化学阻抗谱特别适合在实验室测定局部腐蚀,具有更高的敏感性。
交流阻抗法能给出腐蚀机制的有关信息,能定量得出腐蚀速率,但为了获得准确的信息,测量的频率范围必须很大。特别是对于钢筋混凝土系统中钢筋锈蚀速率的测定,其低频区的信息反映锈蚀反应的电化学极化过程,是十分重要的。交流阻抗谱法实验时间长,需要反复激励待测系统,使系统发生偏移,导致误差增大;而且测量仪器比较复杂、昂贵,另外操作时间冗长,不适合现场使用;难以确定受到外加信号的钢筋表面积,数据处理困难。所以即使交流阻抗法能给出腐蚀机制的有关信息能定量得出腐蚀速率,这些缺点的存在也限制了交流阻抗谱法在钢筋锈蚀速率的现场快速测量中的应用。
2.2 钢筋腐蚀 EI R 综合评估法
钢筋腐蚀EIR综合评估法是指用便于现场实施测量的钢筋自然腐蚀电位、腐蚀电流和混凝土电阻率的电化学三要素来诊断钢筋腐蚀状况。钢筋的腐蚀状况分为两类:A类-钢筋己腐蚀和B类-钢筋未腐蚀。采用多元统计分析中准则下的判别分析法,建立数学模型,将与钢筋腐蚀密切相关的现场易测得的电化学三要素作为变量,建立三元判别函数,然后利用判别函数及判别准则,将其最终分类。最后用统计计算新个体在A类或B类的后验概率来验算分类的可靠性。
EIR法以钢筋的腐蚀电位、腐蚀电流、混凝土电阻率等多类因素综合判定钢筋腐蚀状态,可以克服不同因素对钢筋腐蚀及检测的干扰,比单一因素评判结果更加准确、可靠。同时EIR法具有可拓性,可以随时将与钢筋腐蚀相关且彼此独立的其他因素纳入EIR法的判别函数,使钢筋腐蚀的检测结果更加准确。
2 . 3 恒电量实验方法
恒 电 量 测 量 技 术 早 在 1961年 就 有Barher的论文作过介绍,但一直到1978年才由Kanno等人將恒电量瞬态技术真正引入到腐蚀科学领域。这种电化学技术应用于钢筋混凝土的腐蚀研究却起步于20世纪80年代后期,如今已得到了很大的发展。1985年,恒电量技术得到发展并成功地制成了恒电量腐蚀速率测定仪。
利用恒电量方法,赵常就等人将一已知的小量电荷作为激励信号,对衰减曲线加以分析,求得多个电化学信息参数。这种电化学暂态检测技术施加的电讯号不仅微小,而且是瞬时的,测量的又是电位衰减变化,而电位衰减对工作电极面积大小不那么敏感,因此就等量的扰动而言,它可以更快、更准确地测量钢筋瞬间腐蚀速度。
恒电量方法测定的结果都是瞬时的腐蚀速度,代表钢筋腐蚀电极在给定条件下的瞬时腐蚀速度。如果测量连续进行,则可测定钢筋表面腐蚀状况的连续变化,所以容易制成联机在线测量、自动数据处理和自动报警的便携式的钢筋腐蚀速率仪。恒电量方法作为一种研究和评价钢筋腐蚀的方法有着快速、扰动小、无损检测和结果定量等优点,而且通过拉普拉斯或傅立叶变换等时频变换技术从恒电量激励下衰减信号的暂态响应曲线得到电极系统的阻抗频谱,可以实现实时在线测量,因此是一种极具应用潜力的腐蚀监测方法。同时恒电量方法测量混凝土中钢筋的腐蚀只能用在钢筋与大地不能有电连接的条件下,一般仅限于跨街桥梁等,应用范围受限制。
3、结束语
总之方法各有长处,选用哪种方法应视具体情况而定,最好是综合采用多种方法互相校核,以保证测试值至少在数量级上是正确的。
参考文献
[1] GB/T50082-2009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010
[2] JGJ/T152-2008混凝土中钢筋检测技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2008
桥梁钢筋锈蚀 篇6
关键词：混凝土,钢筋锈蚀,机理,反应
一、前言
在公路和桥梁工程中, 随着我国高速公路和城市立交桥的大量建设, 钢筋腐蚀引起的桥梁破坏问题已开始显露出来, 因混凝土中钢筋的锈蚀而导致钢筋混凝土结构提前破坏, 已是国内外十分普遍的现象, 造成了巨大的经济损失, 也浪费了大量的资源。随着我国国民经济的快速发展, 基础建设规模日益扩大, 对资源的需求也越来越大, 如何避免混凝土中钢筋的锈蚀, 提高钢筋混凝土结构的耐久性, 延长使用寿命, 是当前迫切需要解决的问题。
二、混凝土中钢筋锈蚀机理的研究
钢筋在混凝土中的腐蚀是在氧、水分存在条件下的一种特定的电化学腐蚀、即钢筋的某一部分失去电子成为阳极, 钢筋的另一部分成为阴极接收电子, 放出氢氧根, 具有不同电极电位的钢筋与电解质溶液形成微电池, 产生电流。在阳极铁离子进入电解质溶液, 与氧、水分发生化学反应, 生成氢氧化亚铁, 氢氧化铁等腐蚀物 (即铁锈) 。其反应式如下:
阳极反应2Fe-4e-→2Fe2+
阴极反应O2+2H2O+4e-→4OH-
2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4OH-→2Fe (OH) 2
(氢氧化亚铁, 白色固体, 难溶于水)
4 Fe (OH) 2+O2+2H2O→4 Fe (OH) 3
(氢氧化铁, 红锈, 主要腐蚀物)
钢筋锈蚀后体积膨胀, 根据腐蚀物种类不同体积膨胀可达到2~6倍。当锈蚀产物在混凝土孔隙中沉积到一定程度时就会造成过大的内应力, 致使混凝土保护层顺钢筋走向开裂。一旦混凝土开裂, 空气沿裂缝渗入更快, 氧气和水分也就容易向钢筋表面扩散, 于是进一步促使钢筋锈蚀, 顺筋裂缝也就加速扩大, 如此往复循环, 钢筋截面大为削减, 严重降低承载力;同时还影响结构受力, 使建筑物的安全受到威胁。当截面损失率ρa≤1%时, 对力学性能的影响是表面只有浮锈, 力学性能不变;1%~5%时, 强度曲线没有明显的屈服点, 抗拉强度和屈服强度基本与母材钢筋相同, 承载能力则需将截面折减后计算;≥5%时, 抗拉强度和屈服强度均开始降低;当≥10%时, 已无明显屈服点, 腐蚀将变得严重, 力学性能严重下降;当截面损失率≥60%, 构件的力学性能降低至与未配筋的构件相近。这种结果第一导致混凝土与钢筋之间无法粘结;第二使钢筋保护层混凝土开裂、剥落, 使介质更容易进入混凝土内部, 导致腐蚀加剧, 最后导致整个结构物破坏。
三、影响因素
1、碳化
混凝土孔隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙的溶液形式存在, 其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钙, pH值为12~13。在这样的碱性强的环境中, 钢筋表面形成钝化保护膜 (其化学成分为γ-Fe2O3·n H2O或γ-Fe3O4·m H2O) , 阻止钢筋进一步腐蚀。因此, 施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构, 即使处在海洋环境中, 钢筋基本上也能不发生腐蚀。但是, 一旦钢筋表面的钝化膜遭到破坏, 成为不稳定态时, 钢筋就容易腐蚀。未经碳化作用的混凝土, 由于水泥凝胶体中含有大约25%的氢氧化钙, 所以混凝土的pH=12.5, 呈碱性。碳化反应的结果是氢氧化钙转变为碳酸钙, pH=8.5~10, 接近中性。当pH值<11.5时, 钝化保护膜就开始显出活性;当pH值降低至9左右时, 钢筋表面的钝化膜完全破坏, 钢筋腐蚀开始。所以碳化的结果是使碱性的混凝土中性化。造成混凝土中性化的原因还有酸雨, 酸性土壤的作用等, 但碳化是混凝土中性化的主要原因。
混凝土密实度不良和构件上产生裂缝, 是造成钢筋腐蚀的主要原因, 尤其当水泥用量偏小, 水灰比差异较大和振动捣实操作不到位, 或在混凝土浇筑中产生露筋、蜂窝、麻面等情况, 都会加速钢筋的锈蚀。一些调查研究表明, 密实度和强度足够高的混凝土, 经20~30年后, 碳化深度一般不超过10mm, 钢筋没有锈蚀的迹象。密实度和强度较低的混凝土, 仅5~6年时间, 混凝土碳化深度就可能达到30mm, 20~30年后碳化深度可达50~70mm。一般的钢筋混凝土构件中钢筋保护层厚度在35~50mm的范围内, 当碳化深度达到钢筋表面时, 钢筋被腐蚀的可能性很大。
2、Cl-的影响
一方面, Cl-可能是随混凝土组成材料 (水泥、砂、石、外加剂) 进入的, 如冬季施工为提高混凝土抗冻性而掺入氯盐、海砂拌制混凝土等;另一方面, Cl-是在混凝土硬化后经其孔隙由外界渗入的, 如遭受海水侵蚀的沿海混凝土构筑物, 冬季在路面上喷洒盐水防止路面冰冻等。
如果在环境中存在较多的氯离子, 则会加剧混凝土中钢筋的锈蚀。其原因是氯离子在混凝土中的渗透能力很强, 同时对钢筋表面的钝化保护膜具有破坏作用。当一定浓度的氯离子达到钢筋表面时, 氯离子作为阳极去极化剂, 使混凝土中钢筋表面的钝化保护膜破坏, 从而导致钢筋电化学腐蚀。同时, 氯离子的存在增加了混凝土的导电率, 微电池电流相应增加, 加剧钢筋的锈蚀速度。一般认为, 混凝土中氯离子浓度应限制在水泥质量的0.4%。超过这一数值, 就可能使钢筋表面的钝化膜破坏。
四、预防措施
(1) 提高混凝土的密实度, 降低混凝土的孔隙率。环境中的氧化性物质通过混凝土内孔隙, 进入到混凝土内, 并到达钢筋表面, 破坏了钢筋钝化保护膜, 导致钢筋锈蚀。所以, 为了阻止外界氧化物质侵入进而使钢筋腐蚀, 就必须提高混凝土的密实度。提高混凝土的密实度, 降低混凝土的孔隙率, 尤其是混凝土毛细管孔隙率, 最常用的方法是调整水灰比, 降低混凝土拌和时的用水量。
(2) 采用防水材料、防腐材料等, 以提高混凝土保护层的抗腐蚀能力。在发达国家, 带有环氧树脂涂层的钢筋被广泛应用于桥梁等工程建设中。良好的涂层能有效防止钢筋锈蚀, 大大延长结构使用寿命。有资料估计, 使用环氧树脂涂层钢筋可使桥梁寿命延长10年以上。也可采用喷、镀、涂等方法对钢筋实施覆盖防腐, 目的是在金属制品表面覆盖保护层, 把钢筋与介质隔离。
(3) 浇筑钢筋混凝土结构应严格按施工规范控制氯盐用量, 提高混凝土保护层厚度。混凝土保护层增加, 则氯离子渗入混凝土到达钢筋表面的时间就会延长, 这是延迟混凝土中钢筋腐蚀的一种很有效的方法。
(4) 由于钢筋的锈蚀和其内部化学成分有关, 通过添加合金锰、铬、铜、镍等元素形成不同组成的合金钢, 以提高抗腐蚀能力。
(5) 水在钢筋锈蚀过程中起着重要作用, 切断水的通路, 钢筋锈蚀便可以控制了。桥梁防水包括表面防水和裂缝修补。表面防水一般采用在经常接触水的表面增加防水层的方法。防水层一般采用环氧树脂或其他高分子材料。防水层施工前, 应使表面砼清洁、干燥, 以保证良好的粘结性。防水层应致密、均匀, 以达到良好的防水效果。
另外, 电化学防护方法是应用电化学原理避免钢筋锈蚀, 如阴极防护。在原电池中, 活性较强的金属 (阳极) 失去电子逐渐熔解, 而活性较弱的阴极维持原状。利用这一原理, 可以引入活性比铁强的金属 (如锌) 充当阳极, 与钢筋混凝土共同形成电池。当电化学反应发生时, 活性比铁强的金属逐渐被腐蚀, 而钢筋不会锈蚀。一种典型的阴极防护形式就是用电弧法将锌喷涂于梁腹砼表面作为外加阳极对钢筋进行保护。观测结果表明, 这一方法对防止钢筋锈蚀很有效。
五、结语
各项研究表明, 现役的钢筋混凝土结构已受到不同程度的腐蚀损伤, 特别在潮湿多雨的区域, 腐蚀程度更加严重。为了提高混凝土中钢筋的抗腐蚀能力, 必须采取措施预防钢筋锈蚀, 尽量减小钢筋锈蚀发生的概率。同时, 钢筋锈蚀是一个复杂的过程, 必须引起桥梁工作者的高度重视。
参考文献
[1]杨静:《建筑材料》, 中国水利水电出版社, 2004年。
[2]贾红梅等:《混凝土中钢筋锈蚀的研究》, 《中国安全科学学报》, 2005年。
钢筋锈蚀与钢筋阻锈剂 篇7
钢筋锈蚀引起的经济损失非常巨大, 有文献报导[3], 美国每年因为基础设施为主的钢筋锈蚀破坏而造成的年经济损失达1 500亿美元, 英国每年基础设施的修复费为55亿英镑, 澳大利亚的年腐蚀损失为250亿美元, 并特别指明主要部分是钢筋腐蚀造成的。在我国, 沿海地区出现的“海砂屋”现象和北方地区由于在道路和桥梁上喷撒除冰盐而引起的钢筋锈蚀问题也是非常严重的。北京的西直门立交桥使用不足20年, 但由于钢筋的严重锈蚀不得不拆除重建。钢筋混凝土结构中的钢筋防腐蚀问题越来越引起业界的广泛关注, 尤其是重大的基础性工程, 更应该采取必要的钢筋防腐措施, 保证结构的耐久性。
1钢筋锈蚀对混凝土结构性能的影响
钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响主要体现在三个方面[2,4]:1) 钢筋锈蚀使钢筋截面减小, 从而使钢筋承载能力下降, 极限延伸率减小;2) 钢筋锈蚀产物Fe (OH) 3·3H2O的体积相对于Fe而言可以膨胀6.4倍左右[5] (见图1) , 体积膨胀产生的压力可使混凝土产生顺筋开裂, 严重时可使混凝土保护层剥落;3) 钢筋锈蚀使钢筋与混凝土之间的粘结力下降, 破坏了钢筋和混凝土协同工作的基础, 使结构的可靠度降低。
2钢筋锈蚀机理和防治措施
未被腐蚀的混凝土对其内部的钢筋具有良好的保护作用, 这是因为混凝土呈强碱性, 其pH值约为12～13, 在这种强碱性环境中, 钢筋表面形成一层致密的氧化膜 (厚度约为20～60的水化氧化物nFe2O3·mH2O) , 使钢筋处于钝化状态不被腐蚀。但是, 如果钢筋表面的钝化膜由于某种原因遭到破坏, 则在适宜的条件下钢筋就会发生锈蚀。锈蚀反应原理如图2所示[6]。
阳极反应:
阴极反应:
Fe (OH) 3在潮湿环境下与H2O反应生成Fe (OH) 3·3H2O, 这个过程会发生体积膨胀 (见图1) , 表面混凝土在膨胀压力下就会开裂, 进一步加剧钢筋的腐蚀, 最终导致钢筋混凝土结构的破坏。
防止钢筋腐蚀的技术措施可归纳为两大类[3]。一种是提高混凝土自身的防锈能力, 如使用密实度高和抗渗能力强的高性能混凝土;另一种称作“附加措施”, 主要包括:混凝土外涂层、使用特种钢筋 (如环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋等) 、采取阴极保护措施及掺加钢筋阻锈剂。
3钢筋阻锈剂的发展
钢筋阻锈剂是用于混凝土中以阻止或减缓钢筋锈蚀的外加剂[7,8]。前苏联、日本和美国是最早使用钢筋阻锈剂的国家。由于缺乏建筑用河砂, 日本从20世纪40年代开始利用海砂生产混凝土, 为解决海洋环境中氯盐对钢筋的腐蚀问题, 1973年在冲绳发电站建设工程中, 首次大量使用了钢筋阻锈剂, 并制定了相关标准。美国最初大力推荐使用环氧树脂涂层钢筋, 但由于经济和环保指标均不能令人满意, 经过大量的试验和测试, 在20世纪70年代后期开始使用钢筋阻锈剂, 并于20世纪80年代中后期推广应用[2,6]。
我国在研制、开发钢筋阻锈剂方面起步较早, 20世纪60年代就有人尝试用亚硝酸钠作钢筋阻锈成分, 但由于单纯的亚硝酸钠虽有阻锈作用, 同时也存在其他负面作用, 因而没有被推广使用。20世纪80年代初, 由原冶金部建筑研究总院研制的复合型钢筋阻锈剂 (RI-1系列) 通过了冶金部部级成果鉴定, 并在工程中取得了较好的应用效果[9]。
早期研究的阻锈剂主要有苯甲酸钠, 各种亚硝酸盐和铬酸盐等。亚硝酸钙是一种非常有效的钢筋阻锈剂, 但由于其自身较强的毒性, 并可致癌, 有些国家已经禁止使用。新型的无毒、环保阻锈剂正逐步得到研究和推广。近年来出现的渗透型阻锈剂 (MCI, Migrating Corrosion Inhibitor) , 也称作迁移型阻锈剂, 最早由美国的Cortec公司研发生产, 可通过渗透进入混凝土内部而对钢筋起到保护作用, 被普遍认为是最有前景的新型阻锈剂[10]。
4钢筋阻锈剂的分类与作用机理
4.1阳极型
阳极型阻锈剂作用于“阳极区”, 能够阻止和减缓电极的阳极反应过程, 从而达到抑制钢筋锈蚀的目的。典型的阳极型阻锈剂有铬酸盐、亚硝酸盐、钼酸盐等, 这些物质大都具有氧化作用, 能够在钢铁表面形成“钝化膜”。近年来应用较多的亚硝酸钙不存在上述负面影响, 且阻锈效果优于钼酸盐、铬酸盐等[11]。
亚硝酸根离子的阻锈机理是通过反应式 (6) 在钢筋表面产生新的稳态钝化膜, NO2-是在OH-参与的条件下与阳极产物Fe2+反应生成钝化膜γ-Fe2O3[6]。洪乃丰则认为反应机理如式 (7) 所示[12], 在有Cl-存在的情况下, 反应生成的钝化膜为γ-FeOOH。实际上, OH-与NO2-对钝化膜的修复与氯离子对钝化膜的破坏在一定浓度条件下达到某种动态平衡, 这种平衡决定钢筋的电化学行为, 即钝化或腐蚀。因此, 亚硝酸盐的阻锈效果与[Cl-]/[NO2-]值密切相关, 其掺量应足以对付氯离子浓度的不断增加和亚硝酸根离子的消耗。在这两个反应式中可以发现, 在亚硝酸盐发挥作用的过程中, OH-是不可或缺的离子。有研究表明, 在含氯离子的混凝土中, 原来足以起到阻锈作用的亚硝酸盐浓度, 由于混凝土碳化导致孔溶液OH-浓度的降低而失去阻锈作用。
4.2阴极型
阴极型阻锈剂的作用原理有“成膜说”“吸附说”等, 一般认为, 阴极型阻锈剂能够与液相中的某些离子发生反应生成难溶的盐, 在“阴极区”形成膜或吸附于阴极表面, 从而阻止或减缓电化学反应的阴极过程。
4.2.1磷酸盐类阻锈剂
单氟磷酸钠 (Na2PO3F/MFP) 是一种水剂型 (质量分数在10%～20%) 阴极阻锈剂, 其阻锈机理普遍认为是PO3F-迁移到钢筋附近, 通过与混凝土中含钙化合物反应生成不溶性的磷灰石 (Ca5 (PO4) 3F) , 覆盖在钢筋表面阻止氧气的进入, 从而抑制阴极反应的发生。Thierry Chaussadent曾假设混凝土中三种难溶性含钙化合物Ca (OH) 2, CaCO3, CaSO4与MFP发生反应, 并推导出三种可能的化学反应式 (式 (8) , 式 (9) 和式 (10) ) 。将三种含钙化合物分别与质量分数为10%的MFP溶液反应24小时, 通过X衍射和离子色谱分析反应前后游离态PO3F2-和F-的变化, 发现Ca (OH) 2与MFP反应后, PO3F2-减少而转化成不溶性的磷灰石 (Ca5 (PO4) 3F) , 而F-含量增多。CaCO3和CaSO4没有得出类似的实验结果, 据此认为MFP与Ca (OH) 2反应生成磷灰石, 在钢筋表面形成致密的阻障层, 阻止侵蚀性介质对钢筋的危害[11]。
4.2.2氨基醇阻锈剂
氨基醇是国外已有应用的阴极型防腐剂, 它是通过限制离子在阴极区的运动, 隔离有害离子使之不与钢筋接触而达到防腐的目的。单纯的氨基醇类防腐剂虽然能够在一定程度上阻止有害离子进入钢筋表面, 但对钢筋本身的保护还不够。由于混凝土收缩或在外力作用下混凝土产生开裂, 钢筋可能与有害物质直接接触时, 还是存在钢筋锈蚀的可能性。
4.2.3脂肪酸酯阻锈剂
脂肪酸酯是另一种应用较为普遍的阴极型阻锈剂。其作用机理是:加入混凝土中以后, 脂肪酸酯在强碱性环境中发生水解, 形成羧酸和相应的醇。在碱性环境中, 这一反应是不可逆的, 反应的化学反应方程式为:
其中, R和R′分别代表不同的烃基。
酸根负离子很快与钙离子 (Ca2+) 结合形成脂肪酸盐, 脂肪酸盐在水泥石微孔内侧沉积成膜。这层膜能够改变毛细孔中液相与水泥石的接触角, 在表面张力作用下把孔中水向外排出, 并阻止外部水分进入混凝土内部。因此, 脂肪酸盐能够减少进入到混凝土内部有害物质的量, 大大延长钢筋表面氯离子浓度达到临界值的时间, 提高混凝土的使用寿命[13]。
4.3渗透型阻锈剂 (MCI)
渗透型阻锈剂, 也称为迁移型阻锈剂, 将这种阻锈剂的水溶液涂于混凝土表面, 通过毛细管吸收和扩散作用, 阻锈剂能够渗透混凝土保护层达到钢筋表面, 从而排除钢筋表面的氯离子, 或者修复钢筋的钝化膜, 或者在阳极区与阴极区都形成一层吸附膜给钢筋的腐蚀起着电化学隔离 (保护) 作用。这种方法无需除去钢筋混凝土的保护层, 同时也不占用昂贵的电化学保护专用设备, 仅仅通过刷涂、低压喷涂或蓄存等简便方式, 就能在不影响结构正常运行条件下经济的、环保的实现理想的修补, 比较适用于老工程的修复[14]。MCI是一种复合型阻锈剂, 其阻锈机理可能是几种作用机理的叠加组合, 所以阻锈效果与其中各种组分的结构密切相关。由于知识产权的原因, MCI的研究者并没有详细给出该复合阻锈剂的化学组成或分子结构, 这给MCI阻锈剂机理的研究带来一些困难, 目前的研究表明MCI中含有胺类组分。一般可以认为, MCI分子在混凝土的孔结构中通过气相和液相扩散至钢筋表面, 竞相将钢筋表面吸附的水分子和氯离子排挤出去, 形成物理—化学结合的表面吸附膜, 对钢筋起到保护作用。MCI分子中含氮的极性基团通过物理或化学吸附排除水分子和氯离子, 吸附紧贴在钢筋表面, 其非极性基团在表面的定向排布形成疏水层, 这层吸附膜阻碍金属离子和腐蚀介质, 水分子和氧向金属表面渗透, 从而起到阻锈作用[7]。T.A.Söylev认为[10]胺—酯 (Amines-Esters) 阻锈剂具有“成膜”和“塞孔”双重功能。其“成膜”基团为胺类, 它们由于氮原子非对称电子对而吸附在钢表面;“塞孔”基团则是酯类, 在碱性条件下, 脂肪酸酯发生水解应, 生成脂肪酸阴离子和对应的醇类, 如式 (11) 所示。
5结语
钢筋锈蚀成为影响钢筋混凝土结构耐久性的主导因素, 对重大基础工程需要坚持“以防为主”的原则。在高性能混凝土基础上掺加钢筋阻锈剂, 是长期保护钢筋不发生腐蚀破坏、保结构设计寿命的最简单、最经济且效果良好的技术措施。在种繁多的钢筋阻锈剂中, 渗透型阻锈剂具有其独特的优势, 而且用于结构的修补, 应是阻锈剂的发展方向。
摘要：指出钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最主要因素, 掺加钢筋阻锈剂是防止钢筋锈蚀的有效措施之一。简要介绍了钢筋锈蚀原理和钢筋阻锈剂的发展背景, 对不同种类阻锈剂的作用机理进行了详细探讨, 提出渗透型钢筋阻锈剂是阻锈剂的发展方向。
桥梁钢筋锈蚀 篇8
钢筋锈蚀造成混凝土构件的承载力退化以致失效的原因表现为以下3个方面:1)由于钢筋锈蚀使钢筋截面面积减小,锈蚀钢筋的力学性能退化;2)钢筋锈蚀产生锈胀力,造成混凝土截面损伤;3)钢筋锈蚀会使钢筋与混凝土间的粘结性能退化[3]。针对上述3方面的影响,利用物理模型试验和数值计算分析,围绕钢筋锈蚀对构件承载力的影响,国内外开展了一系列的研究。
1 钢筋锈蚀对混凝土梁的影响
1.1 对混凝土梁破坏形态的影响
Rdoriugez等[4]对30根锈蚀钢筋混凝土梁进行锈蚀承载力试验,得到4种不同的破坏模式:1)受拉钢筋配筋率较低时,受拉钢筋屈服的弯曲破坏;2)受拉钢筋配筋率较大且抗剪钢筋配筋率较大时,受压区混凝土压碎的弯曲破坏;3)受拉钢筋配筋率较大、混凝土有效截面减小且箍筋间距较大时,剪切破坏;4)受拉钢筋锈蚀严重与混凝土之间产生滑移时,粘结锚固破坏。
Rdoriugez的试验主要研究梁中钢筋配置情况与破坏形态之间的关系,张苑竹对钢筋锈蚀程度对混凝土梁破坏形态的影响进行了研究。计算发现,混凝土受弯构件随着钢筋锈蚀率的增加,其极限承载力和刚度明显减小。当钢筋锈蚀率超过10%时结构的延性明显降低,破坏类型变为脆性破坏。
1.2 对混凝土梁正截面抗弯承载力的影响
根据Rdoriugez提出的这4种破坏情况、混凝土的锈胀开裂及粘结力随锈蚀率变化的情况,将承载力的变化分为以下3个阶段:混凝土锈胀开裂前称为第1阶段;锈胀开裂到钢筋和混凝土之间发生粘结破坏称为第2阶段;第3阶段即为发生粘结锚固破坏后。
对于第1阶段的情况,钢筋的锈蚀率一般小于5%,钢筋与混凝土之间的粘结力几乎没有什么损失,截面保持平截面假定。若受压区钢筋未锈蚀,可按现行规范提供的计算方法计算构件的抗弯承载力,受拉钢筋屈服强度采用锈蚀钢筋的名义屈服强度。若受压钢筋锈蚀,吴瑾等认为由于钢筋周围的混凝土处于拉压双向应力状态,应考虑混凝土抗压强度降低及钢筋混凝土粘结力下降的影响,提出抗弯承载力计算模型:
(0.8xc-0.52αs′)fcb+fy′As′=fyAs (1)
M=η[0.17(xc-0.11αs′)fcbxc+0.2xcfy′As′+fyAs(h0-0.2xc-αs)] (2)
其中,b为构件截面宽度;h0为构件有效截面高度;xc为计算受压区高度;αs′,αs分别为受压区和受拉区钢筋周围区域;As′,As分别为受压区和受拉区钢筋锈蚀前的公称直径;fy′,fy分别为受压区和受拉区钢筋的名义屈服强度;η为考虑钢筋锈蚀率对钢筋截面面积、钢筋屈服强度、钢筋混凝土粘结力下降的综合折减系数,
为钢筋锈蚀率,对非均匀锈蚀,评估时按平均锈蚀率确定。
针对第2阶段的锈蚀问题,牛荻涛等[2]考虑粘结强度对构件抗弯承载力的影响(未考虑受压区钢筋锈蚀的影响)提出抗弯承载力计算公式:
Msu=ksα1fcbx(h0-x/2) (3)
其中,x为计算受压区高度;fy1As1为未锈蚀钢筋的屈服拉力;Fyt为锈蚀钢筋的屈服拉力;ks为基于锈胀裂缝宽度建立的协同工作系数,主要考虑粘结性能退化导致梁受力模型改变对承载力的影响。
吴瑾等应用无粘结预应力钢筋应力计算方法给出了锈蚀第3阶段构件的受弯承载力(该方法假定保护层锈蚀开裂后与钢筋的粘结应力完全损失):
M=Asσsh0[1-β0σs/(2fy)] (5)
其中,As为锈蚀后钢筋面积;σs为锈蚀后无粘结钢筋极限应力;fy为钢筋锈蚀后钢筋屈服强度;β0=βp+βs≤0.45,βs为无粘结筋配筋指标,βs=Asfy/bh0fc,βp=0。
在未开裂前的阶段,吴瑾提出的式(2)考虑了钢筋混凝土粘结力下降对受弯构件抗弯承载力的影响,其结论需待进一步的研究论证。
1.3 对混凝土梁斜截面抗剪承载力的影响
箍筋锈蚀对构件产生的不利影响主要体现在两个方面:1)箍筋锈蚀后对纵向钢筋的约束作用减弱;2)箍筋中严重的局部“坑锈”还将导致箍筋受力时在“坑蚀”较大截面处锈断,从而较大地削弱锈蚀梁的抗剪强度。箍筋的锈蚀将造成箍筋截面面积减小、混凝土保护层的锈胀开裂以及箍筋和混凝土粘结能力的降低,将很大程度地影响钢筋混凝土受弯构件的抗剪承载力。
徐善华等认为箍筋锈蚀不影响梁斜截面的破坏形态,箍筋锈蚀会造成混凝土和钢筋之间的粘结力、构件的延性和承载能力下降,综合考虑剪跨比、配箍率、箍筋锈蚀程度等因素建立了锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面承载力计算公式:
其中,α=1-1.077η;η为箍筋锈蚀率;β为考虑箍筋锈蚀率η和剪跨比λ的综合影响系数;Asv为箍筋有效截面面积;fsv为箍筋有效屈服强度。
在钢筋严重锈蚀的情况下,粘结力几乎丧失的梁具有梁拱受力特征,并且随着粘结力丧失区段增大,拱作用越明显。基于这一特征和“拉、剪临界破坏”的概念,王小惠、刘西拉在建立了锈蚀无腹筋梁的抗剪承载力公式的基础上,考虑箍筋与混凝土抗剪作用的相互影响,采用无腹筋梁对抗剪强度的贡献与箍筋对抗剪强度的贡献相加的模式,建立锈蚀有腹筋梁的抗剪强度公式。
2 钢筋锈蚀对混凝土轴向受力构件的影响
2.1 对混凝土轴向受力构件正截面承载力的影响
钢筋锈蚀对轴心受力构件的承载力有显著的影响。当构件截面较大、保护层相对较小且配筋量较大时,钢筋截面损失起控制作用;当构件截面较小,保护层相对较大时,构件截面损失起控制作用。周锡武等考虑了锈胀力引起的钢筋周围混凝土弱化这一特征,基于锈蚀钢筋混凝土大偏心压弯构件承载能力退化的性能,考虑锈胀力引起的钢筋周围双向应力状态,建立了锈蚀开裂前、后钢筋混凝土大偏心压弯构件承载力计算模型:
N=γfcbx+ky′fy′As′-kbkyfyAs (7)
Ne=γfcbx(x/2-αs′)-kbkyfyAs(h0-αs′) (8)
其中,γ为应力强度与应力应变曲线峰值fc的比值;e=h/2-αs′-e0;ky(ky′)为锈蚀钢筋拉(压)屈服强度调整系数,锈蚀后钢筋屈服强度一般取实测值;kb为锈蚀后钢筋与混凝土协同调整系数。锈蚀开裂后的计算模型考虑截面锈胀后几何尺寸损失。
2.2 对混凝土轴向受力构件斜截面承载力的影响
钢筋锈蚀导致混凝土轴向受力构件抗剪强度降低的原因有以下几方面:箍筋锈蚀后屈服强度的降低及截面面积的减少;锈蚀纵筋与混凝土粘结力的退化;斜裂缝之间骨料咬合力的损失;产生顺筋裂缝以后,销栓力的损失等。田瑞华等提出集中荷载作用下的轴向受力构件的抗剪承载力计算公式:
其中,β为考虑钢筋锈蚀引起混凝土抗剪强度降低的影响系数;fyvcor为锈蚀箍筋的名义屈服强度。
箍筋锈蚀不仅直接影响构件的抗剪承载力,对受压构件的正截面承载力也有间接的影响。
3 结论和建议
1)引起钢筋锈蚀的碳化混凝土,其力学性能的研究还不够充分,因此,碳化对混凝土构件承载力的直接影响有待进一步研究。2)大多数研究者在进行快速锈蚀试验时,锈蚀过程都是非受力的,这与实际情况不符,钢筋在受力状态下锈蚀与非应力状态下钢筋产生锈蚀,其力学性能是否一致,需有待进一步的研究。3)在钢筋混凝土构件中,箍筋锈蚀一般先于纵筋锈蚀,箍筋锈蚀引起的抗剪失效研究较少,特别是针对轴向受力构件的情况。4)在对轴向受力构件承载力的研究中,锈蚀箍筋对混凝土的约束作用减弱,这种约束作用的降低对构件破坏形态和承载力的影响有待深入研究。
参考文献
[1]陈驹.氯离子侵蚀作用下的混凝土构件的耐久性[D].杭州:浙江大学硕士学位论文,2002.
[2]牛荻涛,卢梅,王庆霖.锈蚀钢筋混凝土梁正截面受弯承载力计算方法研究[J].建筑结构,1999(8):23-25.
[3]张伟平.混凝土结构的钢筋锈蚀损伤预测及其耐久性评估[D].上海:同济大学博士学位论文,1999.
[4]Rodriguez J.,ortega L.M.,Casal J..Load carrying capacity ofconcrete structures with corroded reinforcement[J].Construc-tion and Building materials,1997,11(4):239-248.
论锈蚀钢筋疲劳性能的研究现状 篇9
1. 锈蚀钢筋试件的获取方式
综合目前的文献资料来看,用来进行疲劳试验的锈蚀钢筋试件的较为合理的获取方式,通常采用以下几种:
1)从已经使用了一定年限的实际建筑物或构筑物获取;
2)在实验室采用电化学加速锈蚀获取钢筋混凝土试件;
3)采用人工气候环境模拟自然环境气候获得锈蚀获取钢筋试件。
比较分析上述三种方法来看,方法1能真实反映锈蚀的实际情况,但由于钢筋生产年代不同,使用时间长短不一,导致钢筋的化学成分、规格、力学指标各异,并且用来对比的未锈钢筋的原始数据较难获得,存在很多局限性。
方法2的不足之处在于,实验室电化学加速锈蚀与自然环境下钢筋锈蚀的电化学机理不同,难以实现与工程实际的真实锈蚀情况一致,因此其与自然锈蚀的相关性还有待进一步研究;另一种新的混凝土中钢筋加速锈蚀的方法,就是在传统人工加速锈蚀的基础上,以湿盐砂代替盐溶液,以获得了与实际建筑物或构筑物钢筋锈蚀相近的锈蚀效果。
方法3采用人工模拟自然环境,使钢筋锈蚀机理与自然锈蚀相同,强调气候因素的老化作用,但由于自然环境的多变性、结构工作状态的差异性、锈蚀及锈坑分布的复杂性、工作应力、裂缝分布等的不同,两者之间仍然存在一定差异,但与方法2比较来看,较为接近自然锈蚀情况,其与自然锈蚀的相关性研究,应该是今后的研究方向和重点。
2. 锈蚀钢筋的疲劳性能试验方法
由于我国尚没有建筑用钢筋疲劳性能试验的统一标准,试验方法通常按照《金属轴向疲劳试验方法》(GB3075-82)、《金属材料轴向疲劳试验方法》(HB5287-96)以及参照国外的试验方法进行轴向拉伸疲劳试验。试验均在空气中进行,采用荷载控制的加载方法。对于埋在混凝土中的锈蚀钢筋疲劳试验目前尚未见文献报道,光圆钢筋在空气中的钢筋疲劳强度比埋在混凝土中的钢筋疲劳强度降低约1/6,对于变形钢筋在空气中的钢筋疲劳强度和埋在混凝土中的钢筋疲劳强度差异,不同学者的看法差异很大。
3. 影响锈蚀钢筋的疲劳性能的因素
影响锈蚀钢筋的疲劳性能的因素很多,综合不同学者的研究成果,可以发现影响锈蚀钢筋的疲劳性能的最主要因素是:应力幅、锈蚀率、疲劳循环次数和结构的细部构造。
研究发现,锈蚀钢筋的疲劳强度较未锈钢筋有明显的降低,对于未锈钢筋而言,应力幅S-疲劳循环次数N曲线有一个水平段,理论上低于这一应力水平的应力变程下,无论多少次应力循环钢筋也不会疲劳破坏,但对于锈蚀钢筋来说,其S-N曲线没有这个水平段,说明即便钢筋应力值再低,只要循环次数足够大,钢筋就会发生疲劳破坏。
通过对光圆钢筋、变形钢筋的疲劳性能研究发现,锈蚀对光圆钢筋的疲劳强度影响很大,锈蚀钢筋循环次数在107次时的疲劳强度比没有锈蚀的减少约39.7%。对实际建筑中获取的28根自然锈蚀光圆钢筋试件和51根采用电化学加速锈蚀获取的HRB335钢筋试件进行了疲劳试验研究,研究表明,对于自然锈蚀光圆钢筋,钢筋的疲劳破坏均表现为脆性破坏,并且随钢筋的锈损率的增大,锈蚀钢筋的疲劳寿命显著降低,当应力幅恒定某数值时,锈蚀率增加,锈蚀钢筋的疲劳次数显著降低。当锈蚀率恒定某数值时,应力幅增加,锈蚀钢筋的疲劳次数显著降低。对于采用电化学加速锈蚀获取的HRB335钢筋,也得出了类似的结论,也即随锈蚀率增加,锈蚀钢筋的疲劳次数降低,但也可以发现锈蚀对变形钢筋的影响要比对光圆钢筋的影响小些。
4. 锈蚀钢筋的S-N曲线方程
双对数方程,来描述锈蚀钢筋的疲劳曲线方程。表1为不同锈蚀钢筋的S-N曲线方程比较。
结语
由于数据的局限性,很难对公式1、2、3的预测精度和准确性进行比较,但通过分析不难发现,锈蚀钢筋疲劳曲线方程综合考虑了钢筋应力幅及锈蚀率对钢筋疲劳受力的影响,较以前的研究更加深入,为锈蚀钢筋疲劳性能研究提供了新的思路和方法。
通过以上比较分析,对于锈蚀钢筋疲劳试件的获取方式,采用人工气候环境模拟自然环境气候获得锈蚀获取钢筋试件方式,较为接近自然锈蚀情况,其与自然锈蚀的相关性研究,应该是今后的研究方向和重点。
应力幅和钢筋的锈蚀都会严重影响钢筋的疲劳寿命,因此进行锈蚀钢筋疲劳寿命预测时,应综合考虑应力幅、锈蚀率、疲劳循环次数和结构的细部构造的影响。
由于钢筋锈蚀的不均匀性、锈坑位置、锈坑形状的不确定性等钢筋锈蚀本身的复杂性以及试验数据数量的局限性,很多的研究结果还有待于用试验数据进一步地去进行验证、比较以及进一步地补充完善。
综合不同研究人员的研究成果,对于锈蚀钢筋仍采用
商品混凝土中钢筋锈蚀问题研究 篇10
一、钢筋锈蚀的主要成因
我们知道, 混凝土当中的孔溶液都是碱性的, 由于在钢筋的表面都会有一层保护膜, 这是防止钢筋出现锈蚀现象的保护, 然而, 因为钢筋在长时间的暴露下会受到各种环境的影响, 这也就破坏了保护膜, 从而导致出现锈蚀现象。一般出现锈蚀的现象包括两种, 一种就是化学锈蚀, 而另一种就是电化学锈蚀, 当和周围的介质或者是环境发生接触时, 就会导致钢筋出现锈蚀的问题, 并且也是最为常见的一种病害。如果在环境不适宜的情况下, 就很容易发生反应, 这也就在钢筋的表面显现锈蚀的现象, 当锈蚀不断的增加了体积时, 就会给混凝土造成很大的压力, 此时它的保护层就是剥脱, 锈蚀产生。
(一) 由于混凝土的外侧没有进行完好的密封, 所以这也会造成它发生裂缝的现象, 这也是腐蚀产生的一个重要因素。例如, 在技术上, 如果水泥量没有达到一定的标准, 或者说它的水灰比没有适宜的进行调和时, 则会加腐蚀的产生。在以往的实践当中我们知道, 混凝士当中的碳化程度是密度有一定的影响, 所以当它的密度没有达到标准时, 这也是导致裂缝的一个成因。
(二) 在冬季进行施工时, 设计人员为了要提高混凝土自身的抗冻性就会加入一些氯盐进行混合, 但是这种化学离子可以从毛孔渗透, 在表面看是混凝土, 但里面却是很有很多的孔洞, 由于这种化学离子是我们常见的, 在冬季进行施工时, 为了避免路面结冰, 主要是应用这种化学成分进行清理, 用途是非常广泛的。但是, 如果混凝土路面长期的使用在这种环境当中时, 就会浸入到它的孔洞当中, 当氯离子达到很高的浓度时, 就会引发腐蚀反应, 最终也就会出现了锈蚀的现象, 破坏混凝土钢筋。
(三) 由于混凝土当中的一些成分和一些材质都是对钢筋造成一定的侵蚀, 从而导致它的强度下降, 引发锈蚀的现象就会非常严重, 此外, 在压实混凝土时, 由于处理不到位, 而空气和水就很容易进入到缝隙中, 从而影响钢筋的使用, 发生锈蚀现象。我们都知道, 在制作混凝土时都会加入一些的外加剂, 但在这些成分中也包括了一些具有锈蚀的作用, 这也会加快钢筋的病害。但是, 由于混凝土自身当中会有一定的湿度, 如果其自身有不匀称的问题时, 同样会导致锈蚀的发生。
二、防止钢筋出现锈蚀的相应措施
所谓混凝土耐久性也就是我们所说的使用寿命, 如果在一定的时间内做好了维护工作, 就应确保它可以得到长时间的使用, 并且不需要做维护工作, 也就是在确保了混凝土的质量, 所以它有能力来抵抗各种环境对它的影响和作用, 并且可以一直保持其自身的性能。由于钢筋锈蚀是一种非常严重的病害, 它不仅可以降低截面大小, 降低承载的能力, 同时也会影响钢筋混凝土的性能。此外, 由于在发生锈蚀以后, 导致它的保护层发生破裂, 其体积出现膨胀的现象, 就会减少混凝土的耐久性, 从而也影响到它的安全性。
(一) 在制作混凝土时, 技术人员可以在里面适当的加入一些阻蚀剂, 并且把它们平均的应用在土体当中, 这样就可以减少外界污染环境对混凝土产生一定的影响, 同时它的价格较低, 但效果是十分明显的。
(二) 在对工程进行规划时就必须要考虑到外界环境可能对混凝土造成的影响, 对此, 就必须要控制好它接缝处以及在它的表面做好排水处理, 避免混凝土的外层受到雨水的浸泡, 同时也要做好防潮和防湿的措施。工程在进行设计时, 必须要防止出现复杂的构建情况, 如果要有效的控制施工质量, 就必须要按照标准进行施工, 达到国家的要求。此外, 还应保持整洁的施工环境, 从而可以避免混凝土过多的与有害气体接触, 或者受到过多的污染发生化学反应, 或者发生化以免锈蚀现象的发生。
(三) 如果要防止出现锈蚀现象, 就必须要加强混凝土自身的抗渗性以及它的强度。由于在工程建设的过程当中会进行大量的荷载, 如果是具有较高强度的混凝土一般是不会受到外力的影响, 所以也就不会轻易的产生开裂问题。除此之外, 还应严格控制混凝土的配合比, 从而让混凝土可以达到一个全面的抗渗性能。只用提高了它的抗渗性以及它的强度, 才可以避免一些介质进入到其中, 这对于提高钢筋混凝土的锈蚀起到了一定的作用。
结语
工程建设当中, 钢筋混凝土已经得到了普遍的使用, 同时, 对混凝土的质量要求也有了一定的提高。在工程建设过程当中, 由于会受到各种各样因素的影响, 而这种因素会导致钢筋结构出现不同程度的锈蚀情况, 也就影响了混凝土的效应, 所以, 作为施工技术人员就必须要做好管理工作, 减少发生钢筋锈蚀的现象, 提高混凝土的技术, 确保工程质量。
摘要：所谓钢筋混凝土也就是应用了混凝土和钢筋相结合的特点应用在建筑当中, 这也是在建筑材料当中使用最多的一种, 用途较为广泛。在当前的建筑行业当中, 由于已经提出了新的计算理论以及生产最新型的建筑材料, 但是在这其中仍然存在一些最新的结构建设, 而混凝土的应用形式是不可替代的, 这也是我们最常用的一种结构。但是, 由于在应用混凝土的过程当中会经常出现锈蚀等问题, 也就导致了耐久性的下降, 不仅给工程质量带来一定的麻烦, 同时也会造成经济损失, 对此, 提高混凝土的技术, 确保工程质量是需要我们进一步研究的。
关键词：混凝土,钢筋锈蚀,控制措施
参考文献
[1]沈德建, 吴胜兴.环境温度对砂浆中钢筋锈蚀率的影响[J].建筑科学, 2002 (02) .
[2]惠玲.混凝土结构的钢筋锈蚀程度评估及预测试验研究[J].工业建筑, 2012 (01) .
[3]许建荣.混凝土中钢筋锈蚀速度影响因素研究进展[J].化工矿物与加工, 2002 (12) .