受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究

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鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用較廣的結(jié)構(gòu)形式之一。隨著建筑物的老化和環(huán)境污染的加重，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題越來越引起國內(nèi)外廣大研究者的關(guān)注。在第二屆國際混凝土耐久性會(huì)議上，Mehta教授指出："當(dāng)今世界混凝土破壞原因，按遞減順序是：鋼筋腐蝕、凍害、物理化學(xué)作用"。他明確地將"鋼筋腐蝕"排在影響混凝土耐久性因素的首位。而來自海洋環(huán)境的氯鹽和用于化冰雪的除冰鹽，又是造成鋼筋腐蝕的主要原因。美國1984年報(bào)道，僅就橋梁而言，57.5萬座鋼筋混凝土橋，一半以上出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，40%承載力不足和必須修復(fù)與加固處理，當(dāng)年的修復(fù)費(fèi)為54億美元；1988年報(bào)道，鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復(fù)費(fèi)，一年要2500億美元，其中橋梁修復(fù)費(fèi)為1550億美元（是這些橋初建費(fèi)用的4倍）。加拿大早期大量使用除冰鹽，使鋼筋混凝土橋梁等破壞嚴(yán)重。歐洲、澳大利亞、海灣國家等，都有以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞問題，其中英國修復(fù)費(fèi)為每年50億英鎊。韓國曾發(fā)生一系列建筑物破壞、倒塌事件，其中很多也與"鹽害"有關(guān)。在我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多海港碼頭的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出現(xiàn)順筋銹脹開裂、剝落。北京、天津的許多立交橋，因?yàn)槔涮烊鳆}化冰雪也日益暴露出嚴(yán)重的鋼筋腐蝕問題，不得不斥巨資修復(fù)。

2 鋼筋的的腐蝕機(jī)理　　鋼筋的腐蝕過程是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程。
　　混凝土孔隙中的水分通常以飽和的氫氧化鈣溶液形式存在，其中還含有一些氫氧化鈉和氫氧化鉀，PH值約為12.5。在這樣強(qiáng)堿性的環(huán)境中，鋼筋表面形成鈍化膜，它是厚度為20-60?的水化氧化物（nFe2O3·mH2O），阻止鋼筋進(jìn)一步腐蝕。因此，施工質(zhì)量良好、沒有裂縫的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即使處在海洋環(huán)境中，鋼筋基本上也能不發(fā)生腐蝕。但是，當(dāng)由于各種原因，鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，成為活化態(tài)時(shí)，鋼筋就容易腐蝕。
　　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(shí)，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氫氧化鐵Fe(OH)3，并進(jìn)一步生成nFe2O3·mH2O（紅銹），一部分氧化不完全的變成Fe3O4（黑銹），在鋼筋表面形成銹層。紅銹體積可大到原來體積的四倍，黑銹體積可大到原來的二倍。鐵銹體積膨脹，對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生壓力，將使混凝土沿鋼筋方向開裂，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)致更劇烈的腐蝕。

3 受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能研究的現(xiàn)狀3.1 研究方法

　　目前，對(duì)受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究方法主要是試驗(yàn)研究和有限元分析。試驗(yàn)研究中，腐蝕試件的模擬一是通過試驗(yàn)室試驗(yàn)，包括快速腐蝕試驗(yàn)（電化學(xué)腐蝕、加氯鹽腐蝕等）和鹽霧試驗(yàn)；二是長期自然暴露試驗(yàn)；三是替換構(gòu)件法。有限元分析中，大多采用鋼筋混凝土非線性有限元方法對(duì)受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行非線性模擬。
　　電化學(xué)快速腐蝕試驗(yàn)通常是將試件浸入一定濃度的NaCl溶液中，用外部電源通以恒電流，混凝土中的鋼筋做陽極，不銹鋼做陰極，通過控制電流密度的大小和通電時(shí)間來控制鋼筋的腐蝕量。在混凝土中摻加氯鹽的快速腐蝕試驗(yàn)一般是在澆注混凝土試件時(shí)，在混凝土拌合物中加入一定比例的氯鹽（如CaCl2），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(yàn)是用來模擬氯化物在混凝土試件中的滲透，一般將試件放置在一個(gè)密閉的鹽霧室中，鹽霧室上部的四個(gè)角部各有一個(gè)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(yàn)是將鋼筋混凝土試件放置在各種自然侵蝕環(huán)境，如大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、化工環(huán)境中，試驗(yàn)的周期較長，但能夠較真實(shí)地反映實(shí)際情況。替換構(gòu)件法是對(duì)長期處于腐蝕環(huán)境下的、實(shí)際工程中的鋼筋混凝土構(gòu)件從工作現(xiàn)場(chǎng)拆下來，進(jìn)行各種力學(xué)性能試驗(yàn)。