保护层对钢筋混凝土构件的作用

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钢筋保护层对钢筋混凝土结构具有相当重要的作用。随着结构的老化和环境污染的加重，钢筋混凝土结构保护层作用日益显现，对钢筋混凝土构件的钢筋的锈蚀问题越来越严重。

本人从事公路工程施工多年，特别是对桥涵工程的施工中发现对于钢筋混凝土结构的保护层对钢筋混凝土结构的作用相当的重要，我们知道钢筋混凝土结构是目前应用较广的结构形式之一，但是随着钢筋混凝土构件在大气中时间的增加对结构的老化和这些年来的环境污染的加重，钢筋混凝土结构受锈蚀问题越来越严重。钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用使钢筋混凝土桥梁涵洞等破坏严重。本文就对钢筋保护层对钢筋混凝土构件的作用简单的阐述一下自己的一些粗浅的认识。

1.钢筋混凝土构件中的钢筋锈蚀机理

从有关文献记载可以知道水泥混凝土孔隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙溶液形式存在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾，PH值约为12.5。在这样强碱性的环境中，钢筋表面形成钝化膜，它是厚度为20～60mm的水化氧化物，阻止钢筋进一步锈蚀。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，钢筋基本上也不发生锈蚀。但是，当由于各种原因，钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态时，钢筋就容易锈蚀。特别像海西地区盐碱滩这种现象比较普遍。呈活化态的钢筋表面所进行的锈蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶解态氧还原的阴极反应，相互以等速度进行。其反应式如下：

阳极反应

Fe―2e Fe2+

阴极反应

O2 + 2H2O + 4e 4OH ―

锈蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化亚铁，该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe(OH)3，并进一步生成nFe2O3•mH2O（红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的四倍，黑锈体积可大到原来的二倍。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂，进而使保护层成片脱落，而裂缝及保护层的剥落又进一步导致更剧烈的锈蚀。

2.钢筋混凝土抗弯性能

钢筋混凝土构件的抗弯性能是随着钢筋的强度在进行变化的，我们通过实验得知当钢筋混凝土构件中的钢筋锈蚀了以后通常会改变正常配筋混凝土梁的破坏类型，完好梁一般为弯曲破坏，而受锈蚀梁很多情况下为剪切破坏，受锈蚀梁在钢筋屈服前，受力裂缝不明显，裂缝高度很低，一旦出现高度较高的明显的受力裂缝，这时钢筋已经屈服，构件即将破坏。有试验表明，钢筋锈蚀后，当压区锈蚀纵向裂缝宽度大于2mm时，在钢筋刚刚屈服的上部混凝土会出现被压碎的现象，破坏形态处于超筋梁和适筋梁的界限破坏状态。而当受拉钢筋锈蚀量大到一定程度时，构件会由适筋梁变为少筋梁。

随着纵筋锈蚀量的增加，钢筋混凝土梁的强度和刚度都在下降。钢筋锈蚀还增加了钢筋混凝土梁在使用荷载下的挠度和裂缝宽度。受锈蚀梁的抗弯强度下降主要有以下原因：钢筋锈蚀引起钢筋截面积减小；钢筋锈蚀引起钢筋名义屈服强度（由屈服荷载除以公称面积得到）减小；钢筋锈蚀引起钢筋和混凝土的粘结力下降，使得破坏区段内混凝土和钢筋的平均应变大于正常构件，不能充分地进行应力应变重分布，而导致钢筋与混凝土协同工作系数降低。只考虑锈蚀后钢筋截面积减小的计算弯曲强度与相应梁的试验弯曲强度差别较大，说明钢筋和混凝土的粘结强度降低是受锈蚀梁抗弯强度降低的主要影响因素。

3.钢筋和混凝土的粘结性能变化

钢筋混凝土构件在钢筋锈蚀后会产生性能劣化，它的一个主要原因就是粘结性能的退化。有些环境下钢筋的锈蚀不是均匀锈蚀，而是局部锈蚀，对钢筋与混凝土的粘结性能影响更大。在钢筋锈蚀后期开裂阶段随着锈蚀量的增加，特别是在局部锈蚀情况下，粘结性能将会受到钢筋肋严重退化、钢筋表面片状锈蚀、金属滑移及纵向裂缝加宽造成混凝土约束作用降低等因素的影响，从而降低。

粘结性能退化的机理是：1）钢筋的锈蚀产物是一层结构疏松的氧化物，在钢筋与混凝土之间形成一层疏松隔离层，明显地改变了钢筋与混凝土的接触表面，从而降低了钢筋与混凝土之间的粘接作用；2）钢筋的锈蚀产物比被锈蚀的钢材占据更大的体积，从而对包围在钢筋周围的混凝土产生径向膨胀力，当径向膨胀力达到一定程度时，会引起混凝土开裂。

4.保护层的作用

钢筋混凝土构件实际上都是处于工作状态，而构件在应力状态下的锈蚀与没有加载时有很大不同，其各方面的性能亦有很大改变。荷载对受锈蚀钢筋混凝土构件的影响是多方面的，加载历史和加载级别对锈蚀的发生和发展有明显影响，并影响混凝土中钢筋的锈蚀量，而锈蚀量反过来通过强度或刚度损失影响钢筋混凝土构件的适用性。在同样的暴露条件下，荷载水平的增加缩短了锈蚀发生的时间。较高的荷载水平下试件发生锈蚀较早，一般是由于加载期间混凝土产生了裂缝。裂缝使水、氯离子等侵蚀介质易于渗透到钢筋表面，加速了钢筋发生锈蚀。持续加载对锈蚀发展的影响更严重。在同级荷载下，持续加载构件的锈蚀量高于预先加载的构件。这种情况下保护层起到很重要的作用，它可以很好的隔断与大气的联系，是钢筋锈蚀的脚步停下来。

5.结语

目前国内外已经在受锈蚀钢筋混凝土结构的性能方面开展了一些研究，做了不同锈蚀情况下钢筋混凝土受弯构件、大小偏心受压构件、钢筋与混凝土粘接试件的试验等，并进行过一些有限元分析，得出了构件承载力和变形性能随钢筋锈蚀量的增加而不同程度降低的结论。但是对受锈蚀钢筋混凝土结构抗剪性能、动力性能的研究仍然极少，特别是对受锈蚀钢筋混凝土结构疲劳性能的研究几乎还是空白，建议今后加强这些方面的研究。

参考文献

[1] 黄建宁，张铭琳. 受锈蚀钢筋混凝土耐久性能的研究. 山西建筑，2009（21）.

[2] 赵博，王辉. 受锈蚀钢筋混凝土耐久性能研究. 现代企业文化，2009（12）.

（作者单位：青海第六路桥建设有限公司青海西宁810003）