钢筋锈蚀机理与锈蚀钢筋力学性能分析
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摘要：钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性损伤的主要原因，引起混凝土结构的早期衰变，对结构的抗力、可靠性、使用寿命等有很大影响。因此要评估构件的承载能力下降程度，准确掌握钢筋锈蚀后引起的结构性能变化规律，就要充分认识钢筋锈蚀机理与钢筋锈蚀后其力学性能的变化规律。
中图分类号：TV331文献标识码： A
0 引言
钢筋锈蚀是当今世界混凝土结构破坏的主要原因之一：根据美国的统计，在所有结构耐久性破坏中，钢筋腐蚀破坏可占到55% 。英国调查统计了271项混凝土工程劣化破坏事例，其中碳化锈蚀占17% ，环境氯盐锈蚀占33 %。日本每年仅用于房屋结构维修的费用就达到约400亿日元，大约有21.4% 的钢筋混凝土结构损坏是因钢筋锈蚀引起的。《中国腐蚀调查报告》指出[1]，建筑部门的腐蚀年损失约为1000亿人民币。同时，正常使用环境下混凝土的带裂缝工作状态会加快混凝土碳化的进程，导致钢筋腐蚀加速，出现承载力及使用性能劣化。
随着氯离子的侵蚀及混凝土碳化加深，混凝土中的钢筋脱钝以后会逐渐开始锈蚀，锈蚀产物铁锈的体积大于相应钢筋的体积，因而会向四周膨胀，产生锈胀力。当锈蚀产物体积增大产生的应力超过混凝土抗拉强度，锈蚀产物周围混凝土出现裂纹，此时构件完整完整性发生破坏。随着钢筋锈蚀的发展，混凝土裂缝的宽度不断加大甚至会引起混凝土保护层脱落，钢筋与混凝土间的粘结性能不断削弱、结构刚度不断退化。
1.钢筋锈蚀机理
1.1氯离子侵入混凝土的途径
氯离子进入混凝土引起钢筋锈蚀主要有两种途径：一种是适结合氯离子，即混凝土中的氯离子被混凝土水化的产物所吸附，这种氯离子不能自由移动，对钢筋的锈蚀影响较小；另一种是游离的氯离子，即氯离子溶解在混凝土的毛细血管中，因此这种氯离子可以随水分自由移动，穿越钢筋混凝土的保护层，是引起钢筋的锈蚀主要途径。在海洋大气区，混凝土碳化可以破坏混凝土的碱性环境，使部分结合态的氯离子转化为游离态的氯离子，增加了游离态的氯离子的含量，钢筋锈蚀加剧。
1.2 氯离子引起钢筋锈蚀
(1)破坏钝化膜
混凝土内部水泥水化的高碱性在钢筋表面形成致密的钝化膜，对钢筋有极强保护能力，但钝化膜只有在高碱性的条件下才能保持稳定。随着空气中的CO2进入混凝土中与空隙里的Ca(OH)2溶液发生反应，游离的OH-不断消耗减少，混凝土的碱性环境被破坏，造成钝化膜失效，发生钢筋锈蚀。
(2)形成原电池
氯离子对钢筋的锈蚀属于电化学过程。氯离子破坏了钢筋局部的钝化膜，局部钢筋暴露，与未破坏的钝化膜之间形成电位差，钢筋作为阳极发生电化学腐蚀，钝化膜作为阴极，形成原电池，游离的氯离子形成离子通道，降低阴阳极间的电阻，提高原电池的效率，加速钢筋锈蚀。
(3)去极化作用
加速阳极极化作用称为去极化作用。混凝土中Cl-与阳极的Fe2+结合，形成FeCl2，FeCl2与混凝土内部的OH-发生反应，形成Fe (OH)2沉淀，氯离子在整个过程中起到搬运工的作用，及时将阳极产物运走，加速阳极的持续反应，氯离子正是发挥了去极化作用，使钢筋锈蚀不断进行。
(4)导电作用
腐蚀电池的要素之一是要有离子通道。混凝土中氯离子的存在强化了离子通道，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。
2.锈蚀钢筋力学性能
国内外学者对锈蚀后钢筋的力学性能进行大量了分析，综合不同的研究成果，主要存在两种观点：第一种是锈蚀对钢筋的力学性能无明显影响，主要表现为屈服强度和极限强度不变，但极限延伸率有所下降[2]。值得注意的是，其研究中屈服强度和极限强度的计算都使用最小截面积，而不是平均意义上的截面积；第二种是锈蚀率在5%以内即钢筋的锈蚀率较小时，钢筋锈蚀较均匀，锈蚀对钢筋的力学性能影响不大，当锈蚀率较大时即锈蚀率大于5%，锈坑数量较多，钢筋截面锈蚀不均匀，钢筋出现薄弱截面，使用过程中钢筋受力不均匀，锈蚀钢筋的屈服强度和极限强度均出现明显下降，极限延伸率也下降，大部分国内研究支持有这种观点[3]。两种观点虽然差距较大，但在在极限延伸率方面一致，极限延伸率随钢筋锈蚀率的增加而下降，下降程度大于截面锈蚀率的减小程度。
研究表明锈蚀对钢筋特性的产生影响，细钢筋对锈蚀更加敏感，钢筋截面越小，截面损失更加严重[4]。不同类别的钢筋锈蚀后力学性能下降趋势相近，锈蚀率相同的条件下，光圆钢筋的力学性能比变形钢筋的下降更为明显。主要受锈坑位置影响，变形钢筋锈坑主要出现在的肋部，光圆钢筋的锈蚀全部是截面损失，因此性能退化严重。钢筋锈蚀后弹性模量发生变变化，文献[5]对大量锈蚀钢筋进行拉伸试验，比较应力-应变关系得出弹性模量随着锈蚀量的增大而减小，当锈蚀率量继续增大时，钢筋的弹性模量略有增大。临界锈蚀率离散型较大.，与钢筋的锈蚀方法、钢筋类型、钢筋直径均有关系。
锈蚀钢筋的应力―应变关系发生明显变化，随着钢筋锈蚀率的增大，钢筋屈服点降低，屈服平台缩短直至消失，应力―应变曲线变得平缓，峰值应力降低，屈服后强度增加变小，钢筋表现为脆性破坏[6]。
3.锈蚀钢筋力学退化机理
关于钢筋力学性能随着锈蚀率的增加而下降有这样的解释：混凝土中的钢筋锈蚀通常是不均匀的，局部的锈坑导致钢筋在拉伸过程中，坑蚀部位会发生应力集中现象。锈蚀率越大，锈坑越明显、越深，导致的应力集中现象也越明显。由于应力集中，在钢筋的截面薄弱部位应力大于其他部位，在其他部位应力还较小还没有来得及发生足够的变形时，该部位就因应力过大而提前屈服、甚至达到极限强度。因此，随着钢筋锈蚀的发展，钢筋的强度会下降，钢筋的极限延伸率也会有很大程度的降低。
结论：
（1）随着锈蚀程度的逐渐增加，锈蚀的不均匀性和离散性增大，应力 - 应变曲线将发生明显变化，表现出钢筋的屈服点降低且变得越来越不明显、应力峰值降低且对应的应变减小、屈服平台逐渐变短且不太明显、极限延伸率减小；
（2）钢筋的截面积越小对锈蚀更加敏感,原始强度较高的,因其强度储备大,对锈蚀也有一定的减缓作用；
（3）钢筋锈蚀对钢筋的应变影响大于对应力的影响，引起钢筋弹性模量变小。随着锈蚀不断增大，钢筋的脆性不断增加，应变越来越小，着用变化速度超过应力的变化，引起弹性模量回升。
参考文献：
[1] 柯伟．中国腐蚀调查报告[M]．北京：化学工业出版社，2003
[2] Palssom R, Mirza M S, Mechanical response of corroded steel reinforcement of abandoned concrete bridge[J]. ACI Structural Journal, 2002, 99(2):157-162.
[3] 惠云玲. 锈蚀钢筋力学性能变化初探[J]. 工业建筑, 1992(10):33-36
[4] Du Y G, Clark L A, Chan H C, Residual capacity of corroded reinforcing bars[J]. Magazine of Concrete Research, 2005, 57(3):135-147..
[5] 袁迎曙, 贾福萍, 蔡跃. 锈蚀钢筋的力学性能退化研究[J]. 工业建筑, 2000, 30(1):43-46.
[6] 吴庆，袁迎曙. 锈蚀钢筋力学性能退化规律试验研究[J]. 土木工程学报. 2008(12): 42-47