农云开 沈春亮 张永青 广西大学，南宁 530004

混凝土结构耐久性研究综述

农云开 沈春亮 张永青 广西大学，南宁 530004

本文从钢筋的锈蚀机理、钢筋锈蚀对混凝土构件的影响、钢筋混凝土结构耐久性的评估以及提高耐久性的措施这四个方面对近几年的研究进行综述。

锈蚀；耐久性；评估

引言

钢筋作为钢筋混凝土结构的重要组成部分，它具有一个不容忽视的特点就是易受到腐蚀，如在混凝土碳化及氯离子侵蚀的条件下，钢筋表面的钝化膜因受到破坏而渐渐失去保护作用，使得钢筋锈蚀进一步加剧。混凝土结构本身是一种抗拉强度很低的材料，所以在钢筋混凝土梁结构中，很多构件是带裂缝工作的，当裂缝扩展到一定程度时，会引起钢筋锈蚀、混凝土碳化等现象，从而降低结构的耐久性。另外，在工程中使用氯盐早强剂，在北方冬季使用的化冰盐或是结构使用环境中存在氯离子时，钢筋锈蚀和混凝土碳化的现象更为明显，而氯离子扩散导致的耐久性损失也是众多原因中最大的。近年来，钢筋锈蚀引起的结构过早破坏已经受到全世界的普遍关注，结合我国国情，为了解决众多人口的居住问题及加快工业发展，从20世纪中叶开始进行了大量的基础建设，对这些已有几十年使用时间的建筑进行耐久性评估及加固维修等显得尤为重要。

本文从钢筋的锈蚀机理、钢筋锈蚀对混凝土构件的影响、钢筋混凝土结构耐久性的评估以及提高耐久性的措施四个方面对近几年的研究进行综述。

1、钢筋锈蚀机理研究

在一般情况下，混凝土本身是一种pH值约为13的高碱性环境，钢筋在这种高碱性的环境下，表面会迅速形成氧化铁钝化膜，厚度约200～600 nm。该膜内部是一种致密、稳定的共格结构，水及氧气无法通过该结构渗透过去，内部不能形成腐蚀电池；而且，即使阴极区有足够的水和氧气，也会因为该钝化膜抵制了铁离子的释放、阻止了阳极反应，进而避免电化学反应的发生。很显然，混凝土的正常碱度能很好地阻止钢筋锈蚀。但是当钢筋混凝土被Cl-侵蚀时，如海洋环境桥梁结构冬季撒除冰盐后, Cl-通过混凝土面的孔隙逐渐扩散至钢筋表面， Cl-可以破钢筋表面钝性，钢筋由钝态转为活化态，随即发生锈蚀。

氯离子的侵蚀是造成钢筋锈蚀的主要原因之一，关于氯离子的扩散及对钢筋的锈蚀机理，众多学者已经进行了大量的研究并取得了丰硕的成果。施惠生[1]等研究了氯离子含量对混凝土中钢筋锈蚀的影响规律。研究表明：混凝土中氯离子含量越高，钢筋开始锈蚀的时间越早；钢筋开始锈蚀后以及进入稳定锈蚀阶段时氯离子含量越高，钢筋锈蚀速率发展的速率越快，钢筋锈蚀速率越大；混凝土一旦发生开裂后，钢筋锈蚀就进入加速锈蚀阶段。姬永生[2]等通过干湿循环和氯盐浸泡对比试验，表明在干湿循环作用下，氯离子在混凝土中的传输速度远大于饱水混凝土内外氯离子浓差引起的离子扩散速度，氯离子在上部非饱水混凝土中和在饱水混凝土中的传输机理不同。对上部非饱水混凝土中氯离子的渗透行为进行了机理分析，并建立了干湿循环作用下氯离子传输速度模型，可为准确地预测实际工况混凝土结构的使用寿命提供参考。

2、钢筋锈蚀对混凝土构件的影响

钢筋锈蚀严重时会造成混凝土构件的承载力退化以致失效，其原因主要有以下三个方面：1)钢筋锈蚀使得钢筋净截面面积减小，构件的配筋率下降，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黏结性能退化[3]。针对上述三方面的影响，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。

以往在研究钢筋锈蚀构件承载力的时候，都是通过电化学原理对钢筋进行一定程度的锈蚀，然后再对试件进行加载，比较其承载力的变化特点。但是这种实验方法并不能很好的模拟实际工程的情况，因为在实际工程中，钢筋在锈蚀的整个过程里都受到持续荷载的作用，为了使实验更接近工程的实际情况，张喜德[4]进行了钢筋混凝土受弯构件在作用荷载下的锈蚀破坏全过程模拟试验研究，对试件变形发展过程以及钢筋和混凝土应变发展过程进行分析，并总结了持续荷载作用下的锈蚀破坏特点，得出以下结论：（1）锈蚀破坏过程分为黏结滑移、锈蚀裂化和锈蚀破坏三个阶段；(2)锈蚀破坏形态有黏结锚固破坏型态、斜截面破坏型态和折断破坏型态三种类型；（3）钢筋混凝土梁作用荷载越接近极限荷载，梁破坏时的挠度越大，但钢筋的塑性性能越低；（4）钢筋极限拉应变均随作用荷载的增加而减小；（5）混凝土最大压应变随锈蚀量的增加而增加；（6）在全梁均匀锈蚀量时，梁的破坏接近于塑性破坏，但当只发生局部锈蚀破坏时，接近脆性破坏。

易伟建、赵新[5]对钢筋混凝土梁进行在钢筋加速锈蚀条件下的准长期静力荷载试验。通过对纵向受力钢筋通稳压直流电，采用氯化钠溶液作为电解液等实验方法，实现了被混凝土所包裹的主筋的快速均匀锈蚀。在长期恒定荷载条件下，观测了试验梁的固有频率、挠度、混凝土应变随时间的变化。通过对比，建立了恒载作用下，钢筋锈蚀量与试验梁固有频率、挠度、混凝土受压区应变变化的对应关系。

在疲劳荷载作用下钢筋混凝土构件的刚度降低、裂缝开展，其中主要原因之一是钢筋与混凝土间黏结力的退化。范进、董福兴[6]对疲劳荷载作用下钢筋锈蚀混凝土构件的黏结滑移性能进行了试验研究，研究结果表明：疲劳荷载强度相同的情况下，极限黏结强度和滑移差值在锈蚀率小于2%呈上升状态，当锈蚀率大于4%时则呈现下降状态。

在钢筋锈蚀引起的构件刚度变化研究方面，卫军[7]等对15根柱进行受压实验，15根柱分别以不同的锈蚀率和不同的偏心距作为参数，在实验结束后对破坏特征进行分析，结果表明：在破坏形式上，钢筋锈蚀平不能引起破坏形式的转变，破坏形态与普通钢筋混凝土的偏心受压破坏形态基本相同，但是当锈蚀率大于6%时，钢筋锈蚀对刚度则产生较大影响，且大偏心受压构件比小偏心受压构件更容易受影响。

3、钢筋混凝土结构耐久性的评估

钢筋混凝土结构构件的耐久性破坏,与其他破坏过程相比较，既有相同的地方，又有着自身的特点。第一，耐久性破坏是由量变到质变这样一个逐渐发展的过程，它对结构的影响需要较长的时间才能体现出来。第二，在众多影响耐久性的因素当中，许多因素过于复杂和模糊，并不能通过数学函数精确地表达出来。第三，这些影响耐久性的因素不仅本身起着影响作用，还会相互作用从而共同产生影响，这就进一步增加了我们对影响程度进行计算的难度。根据使用条件的不同和对建筑物寿命要求的差异，目前对混凝土耐久性的评估中主要使用以下几种准则：碳化寿命准则、锈胀开裂寿命准则、裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命准则、承载力寿命准则[8]。

由于混凝土结构耐久性评估具有随机性、灰色性的特点，薛鹏飞、项贻强[9]以灰色关联分析为基础，结合模糊识别理论，利用信息熵和复合权重的概念，综合考虑了专家经验和检测数据固有信息的重要性，这种评估方法使评估结果更加客观、准确。

对于氯离子环境下的耐久性评估方法，吴瑾[10]等将混凝土表面氯离子浓度和保护层厚度作为随机变量，将扩散系数作为随机过程，建立了混凝土保护层中氯离子浓度分布的随机模型，推导出了氯离子浓度的均值，用于计算钢筋开始锈蚀时间。

现在的耐久性评估标准大多采用“优、良、中、差”这样的等级标准划分，但是这样的划分标准在实际工程中的准确性并不高，比如处在两个等级边界的构件该如何评估等级，这说明这样的等级标准划分只是属于模糊划分，为了找到一个更有效的评估方法，史长莹[11]等将基于模糊数学理论的模糊综合评估系统用于结构的耐久性评估，在混凝土结构耐久性模糊综合评估体系的基础上，根据熵的概念，在耐久性等级划分标准已知的前提下，充分挖掘实测数据中的信息，提出了一种确定指标权值的新方法。

4、如何提高钢筋混凝土结构的耐久性

要提高混凝土结构的耐久性，就要从影响耐久性的因素着手，找出提高结构耐久性的方法。

混凝土的抗渗性对结构的耐久性有很大的影响，抗渗性好的混凝土可以有效地减少氯离子的渗透，从而降低钢筋的锈蚀速度，提高耐久性。在工程中可以将密实抗渗剂掺入混凝土中，以形成某种胶体或络合物填充、堵塞毛细孔缝，从而提高混凝土的抗渗能力。

在设计混凝土的时候，如果能够降低水泥的用量，就可以减小温度开裂的影响，这样也就可以有效地减少腐蚀性物质通过这些裂缝腐蚀钢筋所带来的影响。在实际工程中，一些矿物掺和料如硅灰、粉煤灰、矿渣等不但可以提高混凝土的强度，还可以降低水泥用量。

碱骨料的反应对结构的危害是很严重的，一旦发生则很难修复。碱骨料反应是指材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱与骨料中活性氧化硅发生化学反应，生成的碱硅酸凝胶在吸水后产生膨胀压力，最终导致混凝土开裂的现象。要抑制这种现象的发生，就要严格控制混凝土中骨料的总含碱量。

钢筋的锈蚀导致的耐久性损失是众多影响耐久性因素中最大的，要提高钢筋的耐锈蚀性，可以采用钢筋阻锈剂。主要有以下几种类型：阳极型钢筋阴锈剂，阴极型钢筋阻锈剂，综合型钢筋阻锈剂。

除了以上一些措施之外，严格控制保护层厚度，加强混凝土早期养护，改善结构使用环境等也可以提高结构的耐久性。

[1]施惠生,郭晓潞,张贺.氯离子含量对混

凝土中钢筋锈蚀的影响[J].水泥技术.2009年5月

[2]姬永生,袁迎曙.干湿循环作用下氯离子在混凝土中的侵蚀过程分析[J]. 工业建筑.2006年第36卷第12期

[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]张喜德.钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究[D] .广西大学博士学位论文.2004

[5]易伟建,赵新.持续荷载作用下钢筋锈蚀对混凝土梁工作性能的影响[J].土木工程学报. 2 0 0 6年1月,第39卷第1期

[6]范进,董福兴.疲劳荷载下钢筋锈蚀混凝土构件黏结性能试验研究[J]. 南京理工大学学报(自然科学版).第33卷第6期，2009年12月

[7]卫军,张华,李鹏程,黄滢. 钢筋锈蚀引起的混凝土偏压构件刚度退化研究[J].武汉理工大学学报.第31卷第13期,2009年7月

[8]陈建国,王海龙,刘杰. 钢筋混凝土梁耐久性的评估研究[J]. 四川建筑.第26卷4期2006年

[9]薛鹏飞,项贻强.基于灰色关联度和模糊识别的混凝土结构耐久性评估[J] . 混凝土.2009年第2期

[10]吴瑾,吴胜兴.氯离子环境下钢筋混凝土结构耐久性寿命评估[J]. 土木工程学报.第38卷第2期2 0 0 5年2月

[11]史长莹,焦峰华,王丽娟. 混凝土结构耐久性模糊综合评估系统中指标权值计算模型[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 第38卷 第1期,2006年2月

This paper mainly reviews the rencent develepments of the corrosion mechanism of steel,the impact of stell corrosion on reinforced concrete structures,the durability assessments of the reinforced concrete structure and the measures to improve the durability of reinforced concrete structure .

Corrosion；Durability；Assessment

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.045

农云开，男，广西南宁人，硕士研究生，从事结构耐久性研究。