董 伟

(兰州铁道设计院有限公司，兰州 730000)

钢筋混凝土构件是当今世界应用最广泛的一种结构形式，它结合了钢筋与混凝土各自的优点，使得结构承载能力及耐久性提高，且造价较低[1，2]。但是当构件长期处于高湿度、高盐碱以及CO2浓度较高的环境中服役时，钢筋会逐渐锈蚀，混凝土也会出现碳化的现象，这些因素都降低了钢筋混凝土构件的承载能力，削弱了钢筋与混凝土之间的黏结性能[3-5]。

国内外对腐蚀钢筋混凝土结构性能研究已经相对较多，Schiessl和Raupach[6]的研究表明，高温、高湿的环境对钢筋锈蚀最为不利，并且当环境中温度从15 ℃升高到20 ℃时，其腐蚀的速率可以提高50%。Tumidajski[7]和 Chindaprasirt等[8]为了研究混凝土碳化作用与氯离子侵蚀之间的相互影响，通过将混凝土试件放置于充有CO2气体的腐蚀溶液中进行浸泡试验，定性分析了氯离子与混凝土碳化之间的相互关系。

随着外部腐蚀环境作用时间的延长，钢筋混凝土构件结构性能会出现劣化，集中表现为钢筋锈蚀、混凝土碳化以及两者之间黏结性能的削弱，张建仁等[9]通过锈蚀钢筋混凝土梁承载力试验，验证了钢筋在锈蚀条件下，由于锈蚀钢筋与混凝土之间黏结强度的降低，钢筋与混凝土之间的应变已不再符合平截面假定。

现阶段对腐蚀环境下锈蚀钢筋混凝土构件抗弯性能的研究，主要是基于腐蚀环境影响下钢筋有效受力面积减小、屈服强度降低以及混凝土与钢筋黏结性能退化等相关特性，在无锈蚀构件抗弯承载力计算的基础上，根据有限元以及承载力试验分析，通过考虑钢筋与混凝土协调工作降低系数来体现黏结性能退化的影响。而本文主要是考虑了腐蚀环境影响下，由于钢筋与混凝土黏结性能退化，导致钢筋与混凝土之间应变产生较大差异，通过重新构造新的应变关系，对锈蚀钢筋混凝土构件抗弯承载力计算方法重新进行了研究。

以西格线察尔汗站至金属镁一体化项目工业园厂区铁路专用线作为研究对象，结合当地建筑结构受盐渍侵蚀程度高，干湿循环影响大以及混凝土碳化严重等现象，分别研究了水分、CO2浓度以及氯离子侵蚀等外部环境作用下钢筋混凝土构件的腐蚀机理， 并对锈蚀构件极限抗弯承载力的理论计算方法重新进行了分析及推导，以沿线铁路的钢筋混凝土梁桥作为研究对象，通过试验验证了锈蚀钢筋混凝土构件理论计算方法的精度。

1 工程背景

西格线察尔汗站至金属镁一体化项目工业园厂区铁路专用线位于青海省格尔木市，地处柴达木盆地的中南部，其接轨于青藏铁路西格段察尔汗车站，线路自车站西牵出线上出岔，向西新建盐湖集结站，出站后向南接入金属镁一体化项目工业园厂区东侧400 m处，终点至厂区二货区南端。

所经区域位于格尔木市察尔汗盐湖区，地处柴达木盆地中东部的格尔木河下游细粒土平原前缘与察尔汗盐湖区化学沉积相接壤的平坦地带，其大体的地貌单元属昆仑山山前冲洪积、湖积平原，微地貌单元为冲积、湖积平原过渡地带。工程场地内地势开阔，地形平缓，地面高程多集中于2 675～2 882 m，沿线地表多为荒地，植被稀疏，盐渍化现象明显，交通较便利。

本区属青藏高原温带气候区，具有干湿循环程度高，气压低、昼夜温差大，紫外线强等气候特点。根据格尔木气象站气象观测资料，区内年平均气温6.4 ℃，极端最高气温35.5 ℃，极端最低气温-33.6 ℃，土壤最大季节冻结深度为150 cm，且土壤盐渍化比较严重，根据现场取样得到的察尔汗盐湖卤水主要腐蚀离子资料汇总见表1。沿线地质勘查现场照片如图1所示。

表1 察尔汗盐湖主要腐蚀离子资料汇总 mg/L

图1 现场勘查照片

沿线修建的铁路桥梁长期处于干湿循环程度较高、腐蚀离子侵蚀以及混凝土碳化严重的环境中服役时，钢筋混凝土材料会逐渐出现老化的现象，从而会影响结构的使用性能。

2 腐蚀环境作用下钢筋混凝土构件老化机理

钢筋混凝土构件承受外部荷载主要是依靠受拉区钢筋受拉，受压区混凝土承受压力以及钢筋与混凝土之间的黏结力协同作用而工作的，但是当构件长期处于腐蚀环境中时，由于外部环境因素(如水分、温度、氯离子以及酸碱环境等)的长期影响，组成结构的材料性能开始发生变化，进而影响了钢筋与混凝土之间的黏结作用，最终导致整体结构的抗弯性能及协同工作的方式发生变化。

2.1 水环境的影响

自然环境中的雨雪，施工过程中混凝土养护以及潮湿的空气等都可能使钢筋混凝土结构处于湿度较大的环境当中，钢筋是一种易被腐蚀的金属材料，在长期高湿度环境中，附着在钢筋表面的钝化膜会逐渐被溶解破坏，脱钝后的钢筋开始在水分及混凝土间隙中空气的共同作用下发生电化学腐蚀[10]，在阳极区域发生氧化作用：Fe-2e⟺Fe2+，在阴极区域发生还原反应：O2+2H2O+4e⟺4OH-，最终在长期腐蚀环境影响下，钢筋表面逐渐膨胀生成了疏松多孔的Fe2O3，使其有效受拉面积减少，抗拉强度降低，混凝土中钢筋锈蚀机理如图2所示。

图2 钢筋在混凝土中的锈蚀过程

在充足的氧气环境中，钢筋腐蚀过程如式(1)、式(2)所示。

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4 Fe(OH)3

(1)

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

(2)

同时当环境中气温不稳定时，钢筋混凝土构件会经历不同程度的干湿循环作用，会影响到混凝土内部钢筋的抗拉强度，根据文献[11]，对钢筋经历不同干湿循环影响后其抗拉强度的试验结果如图3所示。

图3 钢筋经历不同干湿循环周期后抗拉强度试验结果

图3中编号1～5分别表示钢筋经过不同干湿循环影响后其抗拉强度的变化情况，编号1作为参照组，描述的是钢筋没有经历干湿循环作用下所测得的抗拉强度，编号2～5作为试验组，依次表示钢筋经过1～4次干湿循环作用后抗拉强度的大小。由以上试验结果可以看出，钢筋受水环境干湿循环的作用，其抗拉强度会受到不同程度的影响，同参照构件相比，钢筋在经历了4次干湿循环的作用后，其抗拉强度分别降低了3.1%，5.35%，5.36%和6.07%。

2.2 混凝土碳化的影响

钢筋与混凝土之间的黏结性能主要是通过两者之间的摩擦力、机械咬合力以及相互黏结力实现的，而这种黏结作用会由于混凝土的碳化而逐渐降低。混凝土是由固、液及气三相组成的不均匀质材料，在其内部存在大量的空隙，当构件长期处于酸性介质(如CO2、SO2等)的环境中时，这些腐蚀气体逐渐侵入混凝土的空隙中，与混凝土内部直接接触，从而与混凝土中的碱性介质发生碳化反应，碳化反应的作用机理如式(3)～式(6)所示。

CO2+H2O→H2CO3

(3)

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3

(4)

3CaCO3·2SiO2·3H2O+3H2CO3→

3CaCO3+SiO2+6 H2O

(5)

2CaO·SiO2·4 H2O+2H2CO3→

CaCO3+SiO2+6H2O

(6)

从上式可以看出，碳化反应的产物主要包括碳酸盐及SiO2等其他物质，这些物质的生成一方面降低了混凝土的抗压强度，另一方面失去了混凝土内部原有的稳定状态，使得混凝土原有的碱性环境遭到破坏，削弱了对钢筋的保护作用，从而加剧了周围环境对钢筋的锈蚀作用，由于这种双重影响最终还会导致钢筋与混凝土的黏结性能降低。

2.3 氯离子的影响

当钢筋混凝土结构长期处于盐渍地区或者海洋环境中时，氯离子是导致钢筋锈蚀的主要因素，其侵蚀作用会对钢筋及混凝土的材料性能造成不同程度的影响，一方面加剧了钢筋的锈蚀作用，另一方面在遭受氯离子侵蚀的同时，混凝土的碳化深度也在不断增大，使其微观结构发生变化，以致影响了氯离子的扩散进程，加快了氯离子在混凝土中的扩散速度，因此氯离子的侵蚀作用与混凝土的碳化作用是相互耦合、共同影响以及共同作用的，对于氯离子在混凝土中扩散机理可以由式(7)表示。

C4AH6+Ca(OH)2+NaCl+H2O→

C3A·CaCl2·10H2O+NaOH

(7)

文献[3]通过钢筋的浸泡与盐雾试验对比，分析了不同侵蚀方式影响下，随着混凝土碳化深度的增加，氯离子的质量分布情况，如图4所示。

图4 不同侵蚀方式下氯离子质量分数分布

由图4可以看出，在不同的氯离子侵蚀方式影响下，氯离子的质量分数随着距离混凝土表面深度的增加呈逐渐降低的趋势，同时在相同的混凝土表面距离处，浸泡试验中氯离子质量分数要比盐雾试验高，其在接近混凝土表面处表现更为明显，在氯离子质量分数较大的区域，钢筋锈蚀及混凝土的碳化作用更为明显。

3 腐蚀钢筋混凝土构件抗弯承载力

钢筋混凝土构件长期在高湿度、高氯离子浓度以及酸性环境共同作用下，钢筋材料锈蚀、混凝土逐渐碳化，同时伴随着钢筋抗拉强度的降低，有效受拉面积的削弱以及钢筋同混凝土间黏结性能的退化，这些因素都会导致钢筋混凝土抗弯性能发生变化。

通常情况下，钢筋混凝土的抗弯承载力的计算公式都是建立在钢筋与混凝土的应变符合平截面假定的基础上，即钢筋产生的应变与钢筋位置处混凝土的应变保持一致(或者在一定的标距范围内其平均值保持一致)[9]，同时结合构件内力平衡方程以及变形协调关系，对构件的抗弯承载力计算公式进行推导的，只有在此变形协调的几何关系下，构件承载力的计算公式才有明确的物理意义。而钢筋混凝土构件在长期腐蚀环境影响下，由于钢筋与混凝土材料性能的变化使得它们之间的黏结性能逐渐退化，导致钢筋与钢筋位置处的混凝土应变产生差异，平截面假定不再适用于腐蚀之后的钢筋混凝土构件抗弯承载力的计算[9]，因此需要重新建立钢筋与混凝土之间的应变关系，以便对腐蚀后钢筋混凝土构件的抗弯承载力计算公式进行推导。

3.1 锈蚀钢筋混凝土构件内力分析

在文献[12]提出的钢筋及混凝土应力-应变关系的基础上，为了方便表达锈蚀钢筋在产生黏结滑移之后与其相同位置处混凝土的应变关系，定义应变协调系数μ，其表达式如式(8)所示。

μ=εcs/εs

(8)

式中，εs为锈蚀钢筋的应变；εcs为锈蚀钢筋处对应混凝土应变。

锈蚀钢筋混凝土构件抗弯承载力计算简图如图5所示。

图5 锈蚀钢筋混凝土构件应力-应变分布

同时由锈蚀钢筋及其位置处混凝土之间的变形协调关系可得

(9)

由此可建立内力平衡方程

(10)

式中，x0为受压区混凝土截面的受压区高度；x为简化后等效矩形受压区高度；h0为构件截面的有效高度；εc为混凝土受压区边缘应变，M是截面承受的弯矩。

联立上式可以解得

(11)

其中

(12)

根据文献[12]，当混凝土强度等级小于C50时，α1=0.969，β1=0.824，为了简化计算取α1=1.0，β1=0.8，代入式(12)可求得

(13)

为了方便计算，定义

(14)

同时以混凝土弹性模量为标准值定义一种换算配筋率公式如下

(15)

由此可得

λ=1.25ξρsc，E

(16)

其中，ξ可表示为换算配筋率的折减系数，通过上述分析可得锈蚀钢筋混凝土构件抗弯承载力计算公式为

(17)

3.2 折减系数ξ值的确定

由式(14)可以看出，配筋率折减系数ξ是一个同钢筋锈蚀率η以及应变协调系数μ相关的参数，其可以间接影响到钢筋混凝土抗弯承载力，本文主要通过分别确定钢筋锈蚀率η与钢筋及混凝土相对滑移关系与钢筋锈蚀率之间的关系来确定ξ的数值。

钢筋材料锈蚀率主要与混凝土的保护层厚度c，钢筋的直径d以及构件的裂缝宽度w相关，根据文献[13]可知钢筋锈蚀率的表达式如式(18)所示。

(18)

式中，当c/d的取值在各节点值之间时，锈蚀率用线性内插法求解。

钢筋与混凝土之间的应变协调系数μ反映了钢筋与相同位置处混凝土产生黏结滑移之后彼此之间的应变之间的几何关系，文献[9]通过混凝土的黏结性能试验，经过数值分析计算得到了螺纹钢筋应变协调系数与钢筋锈蚀率之间的关系，如式(19)所示。

μ=1.073+0.209η

(19)

由式(14)、(18)及式(19)可以最终确定出折减系数ξ。

3.3 抗弯承载力系数

抗弯承载力系数是构件承载能力的储备，可以间接反映构件承受意外超载的能力[14]，其基本表达式为

(20)

其中，Mu，exp为构件的极限抗弯承载力；Mu，th为构件的理论设计弯矩。

通过对受弯构件抗弯承载力理论值的计算以及试验状态下极限承载力的测定，即可求出抗弯承载力系数，文献[14]建议抗弯承载力系数最优解一般介于1.53～3.03，此时的各项指标都较为合理，在工程可接受的范围之内。

4 锈蚀钢筋混凝土构件抗弯承载力试验研究

4.1 钢筋混凝土构件参数

为了研究本项目中沿线钢筋混凝土铁路桥梁，长期在干湿循环、高盐及混凝土碳化环境中服役时结构性能的变化情况，制作了5块腐蚀程度各不相同的钢筋混凝土构件作为研究对象，依次编号为S1～S5，其中S1作为参照试件在正常情况下工作，S2～S5分别表示不同腐蚀程度的构件，它们之间钢筋锈蚀以及混凝土碳化程度有所不同，构件采用的截面尺寸形式为1 000 mm×200 mm，试验加载照片如图6所示。材料参数如下，混凝土：采用强度等级为C40的材料，抗压强度设计值为fc=19.1 MPa，弹性模量Ec=3.25×104MPa；构件内部配置了14根φ12 mm钢筋，其在锈蚀之前屈服强度fy=235 MPa，弹性模量为Es=2.1×105MPa，通过加载试验对不同锈蚀率钢筋混凝土构件极限抗弯性能进行研究。

图6 加载试验

4.2 结果分析

由式(8)～式(20)可以计算得到S1～S5组钢筋混凝土构件产生不同钢筋锈蚀率之后的构件抗弯承载力，结合加载试验得到的结果对比分析如表2所示。

表2 不同锈蚀率构件承载力统计

为了比较不同锈蚀程度的钢筋混凝土构件抗弯承载力的变化情况，引入构件承载力损失率kd，其表达式

kd=(MS1-MSi)/MS1×100% (i=2～6)

(21)

式中，MS1为参照组构件(S1)的抗弯极限承载力；MSi为不同锈蚀率的试验组构件(S2～S5)的抗弯极限承载力。

根据以上的研究结果，可以绘制出不同锈蚀率钢

筋混凝土构件S1～S5的抗弯极限承载力与承载力损失率kd之间的关系，如图7所示。

图7 S1～S5锈蚀钢筋混凝土构件抗弯承载力损失柱状图

由表2及图7中理论与试验对比结果可以看出，抗弯承载力系数S基本在工程可以接受的范围内，推导的锈蚀钢筋混凝土构件抗弯承载力公式可以较好表达锈蚀构件的抗弯性能；不同锈蚀程度的钢筋混凝土构件，其承载能力有所不同，构件腐蚀程度越高，其抗弯承载力相对越低。当钢筋锈蚀率达到17%时，构件抗弯承载力损失率可达到30.33%。

5 结论

(1)长期处于腐蚀环境中的钢筋混凝土构件，由于受到环境中的水分、CO2以及氯离子等因素的影响，钢筋开始锈蚀，混凝土也逐渐碳化，导致其材料的力学性能降低，有效受力面积减小，同时也削弱了钢筋与混凝土之间的黏结强度，产生了黏结滑移现象。

(2)由理论与试验结果对比可以看出，抗弯承载力系数S基本在工程可以接受的范围内，通过构造新的应变关系，推导得到的锈蚀钢筋混凝土构件正截面承载力计算公式，更符合锈蚀钢筋混凝土构件承载力的计算特征。

(3)随着钢筋混凝土构件在腐蚀环境中的工作时间不断延长，钢筋锈蚀率不断增大，混凝土碳化程度也不断提高，其抗弯承载力也在不断损失。当钢筋锈蚀率达到17%时，构件抗弯承载力损失率可达到30.33%。

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