既有桥梁结构耐久性评定

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摘要：本章分析了钢筋锈蚀作用机理，分不同阶段分析了钢筋锈蚀过程，并总结了钢筋锈蚀及混凝土碳化对结构影响的计算模型。

关键词：钢筋锈蚀； 氯离子； 开裂

中图分类号：K928.78 文献标识码：A

引言

钢筋锈蚀及混凝土碳化现象在桥梁中比较普遍。调查表明，由于混凝土氯离子侵蚀引发的钢筋锈蚀，其潜伏期长，病发初期没有任何征兆，及至发现顺筋裂缝、混凝土保护层崩落等病害特征时，钢筋锈蚀已经处于加速期或破坏期。

钢筋锈蚀是造成混凝土结构性能退化的主要原因之一，结构性能退化与混凝土中的钢筋锈蚀发展过程有密切的关系。钢筋混凝土结构的龄期与钢筋锈蚀程度之间的关系，如图1所示。

1) 前期。从结构刚刚建成到混凝土保护层碳化使钢筋脱钝，即混凝土中的钢筋开始产生锈蚀为止，这段时间用“t0”表示。

2) 中期。从钢筋开始锈蚀发展到混凝土表面因钢筋锈蚀膨胀而出现顺筋裂缝，这段时间用“t1"表示。

3) 后期。从混凝土表面因钢筋锈蚀开裂发展到结构承载力降低或区域性破坏，导致结构不能安全使用，这段时间以“t2"表示。

图1 混凝土中钢筋锈蚀发展过程

钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件的影响主要表现在三个方面：对钢筋，将减小其截面面积，使钢筋力学性能发生改变；由于钢筋锈蚀产物的体积膨胀使构件混凝土保护层纵向开裂，甚至剥落，使纵向受拉钢筋中的应力变得均匀；对钢筋与混凝土之间的粘结作用，由于钢筋锈蚀后，在钢筋与混凝土界面上生成疏松的锈蚀层降低了钢筋与混凝土之间的机械咬合力；此外，混凝土保护层的开裂剥落，也降低了混凝土对钢筋的约束作用。因此，钢筋与混凝土之间的粘结作用将随钢筋锈蚀程度的加剧而发生退化。相应的，锈蚀钢筋混凝土构件的性能也将发生退化

1.钢筋初锈时间

钢筋表面去钝化时间t0取决于氯离子在混凝土中的扩散，基于Fick第二定律的钢筋表面氯离子浓度公式为式：

(1)

式中，Cs为混凝土表面氯离子浓度；Dc为氯离子扩散系数；x为氯离子侵蚀深度。erf为误差函数，。

可见混凝土中钢筋表面氯离子浓度主要与氯离子扩散系数、混凝土表面氯离子浓度以及混凝土保护层厚度有关。

由于混凝土内部骨料、孔隙、微裂缝的随机分布，使得氯离子扩散系数必然为一随机过程；混凝土表面氯离子浓度主要与环境条件有关，由于混凝土离散性、量测误差的不确定性，混凝土表面氯离子浓度实际也为随机变量；由于施工误差的影响，并不是所有的钢筋都准确地放到设计位置，因此混凝土保护层厚度也是一个随机变量。将扩散系数Dc作为随机过程，将混凝土表面氯离子浓度Cs、混凝土表面至钢筋表面距离X作为随机变量，当C(x, t)为临界氯离子浓度Ccr时，则时间t对应为钢筋表面去钝化时间t0。将上式变形，可得：

(2)

式中，t0是锈蚀初始时间；X为混凝土保护层厚度(cm)；Dc是氯离子扩散系数(cm2/每年)；C0是混凝土表面氯离子平均浓度(占混凝土质量的百分比)；Ccr是钢筋开始锈蚀的临界氯离子浓度。

2. 锈蚀导致混凝土开裂开裂时间

钢筋锈蚀后产生的锈胀产物会对混凝土产生压力，当锈胀产物的量达到一定的程度之后由于体积膨胀最终导致混凝土保护层开裂、剥落，甚至危及结构的安全，引起结构承载能力的退化和耐久性能的劣化，混凝土保护层一旦开裂，侵蚀性物质及氧气便很容易达到钢筋表面，进而加速腐蚀过程，一般认为，混凝土保护层从开裂到耐久性失效所需的时间很短，因此将保护层开裂作为耐久寿命终结的标志，可见，预测保护层开裂时间具有重要的意义。金伟良[61]用弹性力学方法建立了预测钢筋锈胀力的理论模型并研究了锈胀开裂机理；郑建军通过考虑混凝土开裂后的软化特性，分别对混凝土保护层锈胀开裂进行了研究。根据锈蚀产物质量增加率与已生成的锈蚀产物质量成反比，从而得到以下的预测模型：

(3)

(4)

(5)

通过联立上述三式可以得到混凝土的开裂时间t。

式中，为锈蚀钢筋的质量；D为钢筋直径（mm）；ρrust为锈蚀产物的密度（kg/m3）；icorr为腐蚀电流密度（μA/cm2）；rust为与锈蚀类型有关的常数，取0.57；d0为等效间隙厚度，取12.5um；为锈蚀产物体积膨胀率，取2~4；t为开裂时间（s）；为混凝土内表面径向位移。

3.工程实例

某桥桥跨设计为(38.5m+2×38m+38.5m)+(2×38.5m)两联六孔预应力混凝土连续梁，桥长240.24m。主梁为单箱双室等截面梁，梁高2.5m，梁截面顶板全宽9.58m厚17cm，底板全宽5.2m厚18cm，腹板为上宽24cm、下宽18cm的变宽板，中腹板为等宽板，宽20cm，项板、底板与腹板联接处设有三角形承托，其高宽比为l：3，箱梁支座处设横隔板厚28cm。桥宽设计为：10.5m=1.75m(人行道)+7m(行车道)+1.75rn(人行道)；设计荷载为：汽车-20，挂车-100。梁采用C50混凝土，保护层厚度为30mm。

该实桥具体计算参数如表4-1所示。

表1 初锈时间计算参数表

参数 均值 标准差 分布类型

保护层厚度X(mm) 30 2.2 N(30,2.2)

氯离子扩散系数Dc(mm2/a) 20 2.7 N(20,2.7)

混凝土表面氯离子浓度kg/m3 0.51 0.03 N(0.51,0.03)

混凝土临界氯离子浓度kg/m3 0.18 0.01 N(0.18,0.01)

根据式4.4和4.5，将上述参数带入方程，利用Matlab编程计算，可得到初锈时间分布直方图，该图能反映出服役桥梁初锈时间频数分布情况，频数的分布能直观地反映出桥梁初锈时间的概率，最大频数所对应的时间就是初锈最可能发生的时间，如图4-2所示：

图2 初锈时间分布直方图

该实桥开裂时间的具体计算参数如表2所示。

表2 开裂时间计算参数表

参数 均值 标准差 分布类型

保护层厚度D(mm) 30 1.9 N(30,1.9)

钢筋锈蚀产物密度ρrust （kg/m3） 5240 —— 常数

腐蚀电流密度icorr（μA/cm2） 0.368ln(t)+1.1305 —— 常数

等效间隙厚度d0（um） 12.5 1.2 N(12.5,1.2)

锈蚀产物体积膨胀率 3 0.3 N(3,0.3)

铁锈类型参数 0.57 —— 常数

根据式4.6、4.7和4.8，将上述相关参数带入方程，利用Matlab编程计算，可求得锈蚀开始至开裂时间分布直方图，该图能反映出服役桥梁锈蚀开始至开裂时间频数分布情况，频数的分布能直观地反映出桥梁锈蚀开始至开裂时间的概率，最大频数所对应的时间就是锈蚀开始至开裂最可能发生的时间，如图3所示：

图3锈蚀开始至开裂时间分布直方图

从锈蚀开始至开裂时间分布直方图可以看出，锈蚀开始至锈胀开裂时间约为5年，即t1=5年，由图4-2可以钢筋初锈时间t0=25年。则可知混凝土锈胀开裂时间t=t1+t2=30年。混凝土保护层一旦开裂，侵蚀性物质及氧气便很容易达到钢筋表面，进而加速了腐蚀过程。一般认为，混凝土保护层从开裂到耐久性失效所需的时间很短，因此对锈蚀开始至开裂时间的预测显得尤为重要，以便及时对桥梁进行养护和维修。

4结语

不利环境下混凝土中钢筋锈蚀严重影响着结构的耐久性。本章分析了钢筋锈蚀及混凝土碳化作用机理，探讨了影响混凝土碳化的因素以及碳化对结构的影响；分析并总结了钢筋锈蚀及混凝土碳化对结构影响的计算模型。

通过对氯离子导致钢筋的锈蚀以及大气环境下混凝土碳化引起钢筋的锈蚀的研究，并用工程实例加以具体分析，从而得到如下结论：海洋环境下既有钢筋混凝土桥梁服役开裂时间预测为30年，通过理论结合实际的方式来进行对比论证，可对实际混凝土桥梁的服役性能的评定和预测及相关部门的维修加固决策提供参考。

作者：王华，男，1988年8月098生，汉族，湖北宜昌，硕士学历，从事桥梁检测与加固方面的工作