裝配式建筑工程知識分享：砼結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕的研究現(xiàn)狀及處理措施

1 鋼筋的腐蝕機(jī)理

鋼筋的腐蝕過程是一個電化學(xué)反應(yīng)過程。砼空隙的水分通常以飽和的氫氧化鈣溶液形式存在，其中還有一些氫氧化鈉和氫氧化鉀，pH值約為12.5。在這樣強(qiáng)性堿的環(huán)境中，鋼筋表面形成鈍化膜，它是水化氧化物(nFe2O2.mH2O)，阻止鋼筋進(jìn)一步腐蝕。因此，施工質(zhì)量良好、沒有裂縫的鋼筋砼結(jié)構(gòu)，即使處在海洋環(huán)境中，鋼筋基本上也不發(fā)生腐蝕。但由于各種原因，當(dāng)鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，成為活化態(tài)時，鋼筋就容易腐蝕。氯離子侵蝕是氯鹽污染環(huán)境下鋼筋砼結(jié)構(gòu)耐久性降低的一個主要原因，氯離子穿透性非常強(qiáng)，可穿過鈍化膜直接與Fe反應(yīng)，形成FeCI2，使鋼筋表面形成腐蝕坑。如何提高砼結(jié)構(gòu)抵抗氯離子侵蝕的能力是目前研究的一個熱點。本文對不同水灰比以及摻加粉煤灰、硅灰的砼的滲透性進(jìn)行了實驗研究，為配置高抗氯離子侵蝕性能砼提供了實驗依據(jù)。呈活化態(tài)的鋼筋表面所進(jìn)行的腐蝕反應(yīng)的電化學(xué)機(jī)理是，當(dāng)鋼筋表面有水分存在時，就發(fā)生鐵電離的陽極反應(yīng)和溶解態(tài)氧還原的陰極反應(yīng)，相互以等速度進(jìn)行。其反應(yīng)式如下：陽極反應(yīng)：Fe-2e→Fe2 ;陰極反應(yīng)：O2 2H2O 4e→4OH-;腐蝕過程的全反應(yīng)是陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的組合，在鋼筋表面析出氫氧化亞鐵，該化合物被溶解氧化后生成Fe(OH)2，并進(jìn)一步生成nFe2O2·mH2O(紅銹)，一部分氧化不完全的變成Fe2O?4(紅銹)，在鋼筋表面形成銹層。紅銹體積可增大到原來的四倍，黑銹體積可增大到二倍。鐵銹體積膨脹，對周圍砼產(chǎn)生壓力，將使砼沿鋼筋方向開裂，進(jìn)而使保護(hù)層成片脫落，而裂縫及保護(hù)層的剝落又進(jìn)一步導(dǎo)致腐蝕。

2 受腐蝕鋼筋砼結(jié)構(gòu)性能研究的現(xiàn)狀

(1)研究方法。目前，對受腐蝕鋼筋砼結(jié)構(gòu)的研究方法主要是試驗研究和有限元分析。試驗研究中，腐蝕試件的模擬是通過試驗室試驗，包括快速腐蝕試驗(電化學(xué)腐蝕、加氯鹽腐蝕等)和鹽霧試驗。電化學(xué)快速腐蝕試驗通常是將試件浸入一定濃度的NaCI溶液中，用外部電源通以恒電源，砼的鋼筋做陽極，不銹鋼做陰極，通過控制電流密度的大小和通電時間來控制鋼筋的腐蝕量。在砼中摻和氯鹽的快速腐蝕試驗一般是在澆注砼試件時，在砼拌合物中加入一定比例的氯鹽(如CaCI2)，然后在自然條件下放置，或是施加一定大小的電流進(jìn)行加速腐蝕。鹽霧室中的腐蝕試驗是用來模擬氯化物的砼試件中的滲透，一般將試件放置在一個密閉的鹽霧中，鹽霧室上部的四個角部各有一個噴霧口，鹽霧室中還可以進(jìn)行干濕交替、溫度變化等。長期自然暴露試驗是將鋼筋砼試件放置在各種自然侵蝕環(huán)境，中，試驗的周期較長，但能夠較真實的反映實際情況。替換構(gòu)件法是對長期處于腐蝕環(huán)境下的、實際工程中的鋼筋砼構(gòu)件從工作現(xiàn)場拆下來，進(jìn)行各種力學(xué)性能實驗。自然腐蝕的復(fù)雜條件需要在試驗室用簡單但具有代表性的方法模擬，如何在試驗室更好地模擬真實的腐蝕環(huán)境對構(gòu)件的作用，在較短的時間內(nèi)達(dá)到結(jié)構(gòu)在一定時期后的腐蝕狀態(tài)，對試驗結(jié)果的可靠性非常重要。

(2)受腐蝕鋼筋砼構(gòu)件的抗彎性能，鋼筋腐蝕通常會改變正常配筋砼梁的破壞類型，完好梁一般為彎曲破壞，而受腐蝕梁很多情況下為剪切破壞。受腐蝕梁在鋼筋屈服前，受力裂縫不明顯，裂縫高度很低，一旦出現(xiàn)高度較為明顯的受力裂縫，這時鋼筋已經(jīng)屈服，構(gòu)件即將破壞。有試驗表明，鋼筋腐蝕后，當(dāng)壓區(qū)腐蝕縱向裂縫寬度大于2mm時，在鋼筋剛剛屈服的上部砼會出現(xiàn)被壓碎的現(xiàn)象，破壞形態(tài)處于超筋和適筋的界限破壞狀態(tài)。而當(dāng)受拉鋼筋腐蝕量大到一定程度時，構(gòu)件會由適筋梁變?yōu)樯俳盍骸２还苁浅霈F(xiàn)超筋梁的破壞還是少筋梁的破壞，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)都是從有預(yù)兆的塑性破壞變?yōu)闊o預(yù)兆的脆性破壞。

(3)受腐蝕鋼筋砼構(gòu)件抗剪性能，由于砼構(gòu)件中箍筋位于縱筋外邊，其保護(hù)層總是比縱筋小，因此一般箍筋首先腐蝕，其腐蝕程度往往比縱筋嚴(yán)重，特別是在箍筋與縱筋交接處，而箍筋不僅直接影響鋼筋砼構(gòu)件的抗剪性能，而且受腐蝕的箍筋不能有效地約束砼，從而對構(gòu)件的承載力有間接影響。

(4)受腐蝕鋼筋砼結(jié)構(gòu)中鋼筋和砼的粘結(jié)性能，受腐蝕鋼筋砼構(gòu)件性能劣化的一個主要原因就是粘結(jié)性能的退化。有些環(huán)境下鋼筋的腐蝕不是均勻腐蝕，而是局部腐蝕，對鋼筋與砼的粘結(jié)性能能影響更大。在模擬鋼筋表面局部腐蝕的拔出試驗中，極限粘結(jié)強(qiáng)度在鋼筋腐蝕達(dá)到某一個程度(試驗給出值是1%)之前有所增加，但隨著腐蝕進(jìn)一步增加，極限粘結(jié)強(qiáng)度不斷降低直至為零。在模擬鋼筋表面相對均勻腐蝕的梁試驗中，極限粘結(jié)強(qiáng)度也在鋼筋腐蝕達(dá)到某一個程度(試驗給出值是0.5%)之前有所增加。而后隨著腐蝕量的增加而降低，但降低得非常緩慢。兩種試驗都顯示自由端的滑移值隨著縱向裂縫的開展而迅速增大，表明鋼筋約束突然喪失，標(biāo)志著粘結(jié)破壞發(fā)生的臨界滑移量受鋼筋表面狀況和約束程度的極大影響。

(5)受腐蝕鋼筋砼結(jié)構(gòu)在使用荷載作用下的性能，鋼筋松散構(gòu)件實際上都是處于工作狀態(tài)，而構(gòu)件在應(yīng)力狀態(tài)下的腐蝕與沒有加載時有很大不同，其各方面的性能亦有很大改變。荷載對受腐蝕鋼筋砼構(gòu)件的影響是多方面的，加載歷史和加載級別對腐蝕的發(fā)生和發(fā)展有明顯影響，并影響砼中鋼筋的腐蝕量，而腐蝕量反過來通過強(qiáng)度或剛度損失影響砼構(gòu)件的適用性。預(yù)先加載和持續(xù)加載對腐蝕發(fā)生的影響相似，在同樣的暴露條件下，荷載水平的增加縮短了腐蝕發(fā)生的時間。較高的荷載水平下試件發(fā)生腐蝕較早，一般是由于加載載期間砼產(chǎn)生了裂縫。裂縫使水、氯離子等侵蝕介質(zhì)易于滲透到鋼筋表須，加速了鋼筋發(fā)生腐蝕。

(6)受腐蝕鋼筋砼結(jié)構(gòu)的動力性能，由于腐蝕使鋼筋的載面尺寸、表面狀況以及鋼筋和砼之間的粘結(jié)等均發(fā)生了變化，腐蝕對鋼筋砼結(jié)構(gòu)動力性能(例如疲勞性能和抗震性能)的不利影響將為嚴(yán)重。而我國在腐蝕環(huán)境已服役多年的鋼筋砼結(jié)構(gòu)也存在著抗震性能不斷降低的隱患。

3 關(guān)于侵蝕問題的處理措施

在砼表面涂料或孔隙阻塞劑只能涂刷位部防止水汽進(jìn)入，但它不能阻止砼中已有的氯離子繼續(xù)侵蝕鋼筋，也不能阻止氯離子、水份和氧氣從未涂刷的部位(如反面和側(cè)面)、有裂縫的部位、或其它無法涂刷的部位(如橋梁和建筑物的接縫部位)滲入砼，破壞里邊的鋼筋。如果單純采用粘鋼或粘貼碳纖維布進(jìn)行加固，而不采用阻銹劑對內(nèi)部鋼筋銹蝕進(jìn)行扼制，其內(nèi)部鋼筋仍會銹蝕、膨脹，造成砼保護(hù)層與結(jié)構(gòu)主體間產(chǎn)生空鼓剝離，粘貼在這層剝離層(砼保護(hù)層)上的碳維或鋼板對原結(jié)構(gòu)是起不到有效加固作用的。目前有公司針對這一情況開發(fā)了新一代的表面滲透型鋼板對原結(jié)構(gòu)是起不到效加固作用的。目前有公司針對這一情況開發(fā)了新一代的表面滲透型鋼筋砼阻銹劑，使用時，只需將其涂刷在砼夫面，該阻銹劑便可自動滲入砼中高達(dá)70mm以上，并吸附到鋼筋表面形成一層保護(hù)膜。該種阻銹劑滲入砼中的原理與鋼筋生銹的原理一致，它以液態(tài)(像水一樣)、氣態(tài)(像氧氣一樣)、離子態(tài)(像氯離子一樣)涌入砼中，所有能產(chǎn)生銹蝕的地方，該產(chǎn)品便右達(dá)到，同時由于它對鋼筋具有比氯離子更強(qiáng)的吸附力，因此它可將鋼筋表面的氯離子置換出來，在鋼筋表面形成比較牢固的保護(hù)膜，從而防止鋼筋進(jìn)一步銹蝕。

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