钢筋锈蚀的研究现状

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摘要：本文针对钢筋使用过程中所出现的锈蚀问题，从结构耐久性及经济性两个方面阐述了钢筋锈蚀的危害性。总结了国内外钢筋锈蚀研究的相关组织发展，着重总结了国内外钢筋锈后力学性能、锈蚀对钢筋强度变形的影响，并提出了关于钢筋锈蚀研究中的不足之处。

关键词：钢筋；锈蚀；结构耐久性

近年来，随着国民经济的迅猛发展，钢材的消费和生产迅猛增长，整个钢铁产业也得到了快速成长。从1996至2004年，我国钢产量由1亿吨增至近2.98亿吨，到2005年钢产量达到了3.48亿吨，2006年我国钢产量达到3.87亿吨，2008年更是猛增至5亿吨。作为建筑结构的主体材料，钢铁材料始终是建筑业费量最大的行业。对于我国目前快速的工业化、城镇化的发展，建筑业起到非常重要的地位，已成为我国国民经济的重要产业之一。钢铁材料的增长一直维持在50%以上［1-2］，小到民用建筑，大到三峡工程，钢筋都是不可或缺的。而钢筋腐蚀是一个比较普遍同时严重威胁结构安全的耐久性问题，在房屋建筑、公路、桥梁、大坝等混凝土结构中普遍存在。花费在各种钢结构的保护上的费用一直都非常的高昂，而且钢筋腐蚀影响结构耐久性，容易造成各种安全隐患，有的甚至造成严重的后果。国际上很多国家每年都要花费巨资用于混凝土结构的耐久性修复，其中钢筋锈蚀就占有很大的比例。因此钢筋腐蚀的研究就显得尤为重要。

1 钢筋锈蚀对建筑结构持久性的影响

钢筋锈蚀对结构耐久性和安全性的影响主要包括以下四个方面：（1）经过锈蚀后，由于Fe3O4的生成使得钢筋有效截面减小、可以承载力降低；（2）铁锈蚀的物理化学性质与纯铁相比有较大差距，这样使的混凝土与钢筋之间的结构性能发生退化；（3）铁锈蚀产物使得钢材表面体积膨胀，导致钢筋外层混凝土顺钢筋开裂、甚至脱落，使混凝土截面产生损伤；（4） 铁锈蚀产物还能影响与之接触的其他建筑材料的性能，影响整个建筑的寿命。在我国建筑业正蓬勃发展的今天，研究钢筋性能退化与锈蚀程度之间的关系，进而进行结构耐久性设计和安全性评估，具有重大的经济效益和社会意义，值得做深入的研究。

钢筋锈蚀造成的经济损害研究概况。目前的研究表明钢筋锈蚀损失为每年洪水、火灾、飓风和地震等自然灾害综合损失的6倍，只是因为该种损失分布不集中、发展速度较为缓慢，短时间内生成的效果不明显，不被人们重视。美国标准局调查结果表明：在美国从1975至1995期间年全年因锈蚀造成的损失从700多亿美元，上升到3000亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占三分之一还多，人均1100美元；到1998 年美国用于腐蚀破坏的修补费用为2500亿美元，其中桥梁的修补费用为1550亿美元（为桥梁初期建设费用的4倍）［3］。现在，美国混凝土工程的总价值约6万亿美元，而每年用于维修或重建的费用预计高达3000亿美元。美国现有的57.5万座钢筋混凝土桥梁，其中有一半多出现了锈蚀破坏，三分之一桥梁因锈蚀造成安全隐患。在英国从1981年到1995年用于结构维修加固的费用从69亿英镑达到252.7亿英镑，占当年建筑投资的48%。同样，世界上其他国家每年也耗费巨资进行混凝土结构的耐久性修复。在我国的钢筋混凝土建筑物中也出现了自然条件下钢筋严重锈蚀的现象，许多建造时间较短的建筑物也因多种原因导致的钢筋锈蚀。我国1995 年锈蚀损失为1500亿元，平均每天人均120元；仅1999年一年锈蚀造成的损失约为1900～3500亿元，其中钢筋锈蚀占40%，为750～1442 亿元。在业界有一个著名的“五倍定律”形象地说明锈蚀问题的严重性，即在设计时，如果对建设项目在钢筋防护方面每节省1美元，就意味着在锈蚀补救方面要追加5美元，顺筋开裂时补救需追加25美元，严重破坏时补救则要多追加125美元 ［4-5］。

2 目前钢筋锈蚀的研究现状

2.1 钢筋锈蚀研究组织现状。

在国际上，在1960年国际材料与结构研究联合会成立了“混凝土中钢筋腐蚀”技术委员会简称（12-CRC），并在十四后提出了首份关于钢筋锈蚀情况的报告，1988年该组织发表了钢筋锈蚀的过程、有关机理与现状的认识报告，后来又成立了“钢筋锈蚀破坏修复对策技术委员会”，主要讨论、研究钢筋锈蚀破坏的修复工作。在美国，在1957 年成立了混凝土学会简称（ACI），目的是指导和协调混凝土耐久性方面研究；1979 年，美国试验与材料学会简称（ASTM）召开了氯化物对钢铁腐蚀问题的讨论会，1990年又召开了在混凝土中钢筋腐蚀速率的研讨会。在英国，1920年成立了“水泥混凝土腐蚀与防护委员会”，主要负责研究混凝土和钢筋的腐蚀与保护的有关问题；并于1979年在伦敦召开了有关土木工程中腐蚀问题的研讨会，讨论了腐蚀钢筋混凝土结构的腐蚀防护问题。日本对钢筋腐蚀的研究是从二十世纪70 年代开始的，成立了“耐久性设计委员会”，主要提出了“耐久性设计基本方法指南”；日本建筑学会于1991年制定了“高耐久性钢筋混凝土结构设计、施工指针”。我国对钢筋混凝土结构的重视是从二十世纪80年代开始的。我国分别于1982年和1983年召开了两次全国耐久性学术会议，为推动混凝土耐久性研究做了较好的工作；各部委和有关单位，结合工程需要，对钢结构的腐蚀进行了大量的调研和实验研究工作；并于1991年在全国钢筋混凝土标准技术委员会成立了“混凝土结构耐久性学组”；第二年中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分科学会成立了“混凝土耐久性专业委员会”，这些组织的成立为我国钢结构防腐研究工作，作出了突出的成绩，起到了不可替代的作用。

2.2 钢筋锈蚀对性能影响的研究现状

目前对钢筋锈蚀的研究主要集中在以下几个方面：（1）钢筋锈蚀的机理；（2）钢筋锈蚀的产生因素；（3）钢筋锈蚀的检测与预测的有关内容；（4）钢铁锈蚀与钢筋力学性能和钢筋与混凝土粘结性能的关系；（5）锈蚀对混凝土结构受力性能的影响；（6）钢筋锈蚀的防治措施；（7）锈蚀钢筋混凝土结构或构件的加固和补救方法等。目前对钢筋锈后的动力学性能的研究主要以实验室研究为主，通过对不同锈蚀程度的钢筋进行试验，分析钢筋力学性能随其锈蚀程度的变化规律，得到最终数据。Maslehuddin 等将六组不同直径、不同成分的钢筋放置在大气中一年左右，研究了锈蚀钢筋的力学性能，得到的结论是锈蚀对钢筋屈服强度和极限强度的影响不大［6］；凌素芳对老化构件中的锈蚀钢筋表面进行了研究，发现锈蚀钢筋表面不平整，其屈服强度明显降低，其降低程度与截面损失率成正比例关系［7］；张平生等对钢筋锈后力学性能进行了研究，结论是锈蚀钢筋强度降低与钢筋有效截面面积减少和应力集中有关，并给出了标准值的回归公式［8］；惠云玲等分析了锈蚀钢筋力学性能的变化关系，得到了锈蚀钢筋极限伸长率、屈服强度、抗拉强度与钢筋锈蚀率之间的关系式［9］；袁迎曙等对锈蚀钢筋试件进行研究，建立了锈蚀钢筋的等效屈服强度、等效极限强度和延伸率与重量损失率的规律，根据有限元方法对钢筋锈后力学性能的衰退成因进行了分析；Almusallam则采用电化学加速锈蚀法对锈蚀钢筋的力学方面的性能进行了考察，得到锈后钢筋的倔强度、延伸性都随钢筋锈蚀率的增加而降低［10］；杨淑慧对来自不同产地的热轧钢筋系列、螺旋肋钢筋系列、冷肋扭钢筋系列、冷轧带肋钢筋系列和钢绞线系列等七种钢筋的锈后力学有关性能进行了探讨，分析了不同品种的钢筋受腐蚀后应力应变曲线的变化，建立了锈蚀钢筋倔强度与锈蚀率之间的规律式［11］；王军强从使用20多年的钢筋混凝土构件中抽取133根钢筋作为试样，研究了混凝土在大气环境中碳化引起钢筋锈蚀时，其力学性能的退化特征，总结出锈蚀钢筋的力学性能恶化与锈蚀率之间的关系。国内外对于锈蚀对钢筋强度的影响有两种主要观点：其一，国内早期研究和国外部分相关研究认为锈蚀对钢筋的屈服强度和极限强度无明显影响；其二，国内大部分学者认为，在较小锈蚀率（通常截面锈蚀率低于5%）时，锈蚀的较为均匀，钢筋的力学性能变化不大，当锈蚀率增大时，锈蚀不均匀，锈蚀后钢筋的实际屈服强度与极限强度均下降。国内外研究表明：锈蚀对钢筋变形的影响是锈蚀后的钢筋，其极限伸长率下降，塑性明显降低。国内学者也探讨了锈蚀钢筋应力应变曲线的变化特征。文献［9］研究了实际工程中得到的锈蚀钢筋试件的拉伸，结果表明：钢筋锈蚀后的应力应变曲线与锈蚀前比较变化明显，随着锈蚀率的增加，屈服平台明显缩短，但颈缩不明显；当锈蚀率较大时，导致屈服平台消失，钢筋破坏表现为脆性破坏。钢筋锈蚀研究的不足对锈后钢筋力学性能的研究还有较大的空间可以发展。总之，当前的方法都有不完善的地方，需要进一步完善；在实验室通电加速锈蚀法方法中，实际锈蚀量与计算锈蚀量之间有差异，这一点上需要有更多的研究经行；而且，在实际应用中钢筋的锈蚀情况与实验室内钢筋的模拟环境是不同的，如何尽可能的在实验室中重现大气中的情况，是值得研究的。而且，目前研究的重点是同种钢筋不同锈蚀率的情况，而对不同类型钢筋间或同类钢筋不同直径间的比较较少。最为重要的是高强钢筋锈蚀方面研究报道较少，对不同种类钢筋和不同直径钢筋的锈蚀规律研究，可以为易锈蚀环境下钢筋类型和直径的选取提供参考依据。

参考文献

［1］苏世怀,完卫国,孙维,郭湛.浅论我国建筑用钢筋、线材品种的优化［A］.2007中国钢铁年会论文集［C］.中国金属学会,2007.

［2］王厚昕,李正邦.中国热轧带肋钢筋的发展和现状［J］.中国冶金，2006,6:6-9.

［3］Etman EE, Helmy MA. Assessment of the behavior of strengthened concrete structural element ［A］.First International Conference on Civil Engineering［C］. Cairo Egypt, 1998:Vol.I:534～542.

［4］洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与防护［M］.北京:中国铁道出版社,1998.

［5］肖纪美.腐蚀总论－材料的腐蚀及其控制方法［M］.北京：化学工业出版社,1994.

［6］Berke NS. Symposium on corrosion rate of steel in concrete［C］. ASTM STP-1065,1990.

［7］ 凌素芳.弱腐蚀钢筋板的试验报告［C］.冶金部建筑研究院,1983.

［8］ 我国Ⅳ级钢筋应用前景广阔［N］,中国冶金报，2005-04-26.

［9］ 惠云玲等.锈蚀钢筋性能试验研究分析［J］.工业建筑.1997.27（6）:10-13.

［10］ Tonini DE, Deans SW. Chloride corrosion of steel in concrete［C］.American Society for testing and material, 1977:629.

［11］ 杨淑慧.腐蚀对钢筋力学性能的影响［D］.郑州:郑州大学.2002.