钢筋混凝土结构钢筋锈蚀问题研究综述
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摘 要：从形成机理、影响因素、锈胀力、对混凝土耐久性的影响、检测方法及有限元模拟六个方面对钢筋混凝土结构钢筋锈蚀问题的研究现状进行了概括和总结，分析了已有的研究成果，对今后的研究方向提出展望，供相关研究人员参考。
关键字：钢筋锈蚀；锈胀力；混凝土裂缝
中图分类号：TU375 文献标识码：A
一、引言
目前钢筋混凝土结构是世界上应用最广泛的结构形式之一。混凝土结构在土木工程中应用广泛，若因出现耐久性问题而导致结构失效，或为了保证结构能够继续正常使用而进行大规模的维修、加固或改造，要付出大量的人力、物力、财力。因此保证混凝土结构在自然环境和人为环境的作用下满足耐久性的要求，对从事土木行业的工作人员来说是一个非常紧迫和重要的问题。传统理论认为钢筋混凝土是耐久性非常好的材料，虽然钢筋容易被腐蚀，但是在混凝土的保护下不易产生锈蚀损伤，因此认为钢筋混凝土结构在设计使用年限内不会发生自然损坏和失效现象，具有较长的使用寿命。但是研究人员通过理论分析和实际工程调查发现大量钢筋混凝土结构存在非常严重的耐久性问题，许多混凝土结构在正常使用年限内破坏，甚至发生倒塌现象，造成巨大的经济损失。
严重的钢筋锈蚀会导致结构破坏，它是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要问题之一。近年来，在我国由钢筋锈蚀导致结构失效的现象大量出现，而且涉及的工程面非常广泛。据资料表明，无论在路桥结构、工业与民用建筑中，还是在水利工程、海港工程中，钢筋锈蚀现象均非常普遍，造成的损失也非常巨大[1-2]。鉴于钢筋锈蚀、混凝土腐蚀的现象在建筑中存在的普遍性以及造成后果的严重性，研究钢筋锈蚀问题具有重大的实际意义和社会经济效益。
二、研究现状
（一）钢筋锈蚀机理的研究
现混凝土中的钢筋锈蚀按其机理的不同可以分为应力锈蚀、化学锈蚀和电
化学锈蚀。目前研究人员在钢筋锈蚀方面的研究主要集中在建立钢筋锈蚀率的预测模型。淡丹辉、何广汉基于钢筋混凝土锈胀动力学及金属力学化学原理，分析了混凝土完好时钢筋应力对锈蚀反应速度的影响，计算结果表明均匀锈蚀条件下应力对钢筋锈蚀速度无显著影响。河海大学曾从实测资料入手，应用 Fick 定律分析建立了沿海地区港工结构钢筋锈蚀的时变特性模型。金伟良等利用函数神经网络法对混凝土碳化过程进行了分析与预测，建立了钢筋锈蚀率预测模型。Bazant针对海洋环境混凝土结构的特点，根据电化学锈蚀过程中反应物的质量守恒、Fick 第一扩散定律和化学反应速率方程建立了微分方程，进而提出了钢筋锈蚀的物理化模型[3]。
（二）钢筋锈蚀影响因素的研究
混凝土碳化至钢筋表面是钢筋锈蚀的必要条件。碳化是指大气中的二氧化碳不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性水化物，主要是和氢氧化钙发生反应，使 PH 值下降。碳化对混凝土本身是无害的，相反会使混凝土的强度提高。主要问题是当碳化至钢筋表面时，将会使混凝土中的钢筋失去碱性环境的保护，从而引起钢筋锈蚀。环境湿度对钢筋锈蚀也有直接的影响。当空气相对湿度接近 100%时，混凝土空隙中充满了水，氧气无法向钢筋表面扩散，二氧化碳也难以渗入，在这种情况下钢筋不会被腐蚀。当相对湿度在 60%以下时，钢筋表面很难形成水膜，钢筋几乎不生锈。董振平对各种环境下混凝土中钢筋开始锈蚀与混凝土碳化深度之间的相对关系进行了试验研究，发现环境变化对钢筋锈蚀影响较大，环境的相对湿度在 95%的时候钢筋最先锈蚀，干湿环境交替会加快钢筋锈蚀速度[4]。牛荻涛、王庆霖等利用腐蚀电化学原理，建立了一般大气环境条件下混凝土中钢筋锈蚀量的预测数学模型，给出了模型中参数的确定方法，并分析了钢筋锈蚀量与混凝土强度、钢筋直径、混凝土保护层厚度、环境湿度及锈蚀时间的关系，认为混凝土保护层的碳化和氯离子的侵入是造成钢筋锈蚀的主要原因。李海波、鄢飞、赵羽习用快速锈蚀实验的方法研究了混凝土试件在出现顺筋裂缝时刻的钢筋锈蚀率与钢筋直径、混凝土等级及保护层厚度之间的定量关系，得到锈蚀率随保护层厚度及混凝土等级的增大而增大、随钢筋直径增大而减小这一规律。
（三）钢筋锈胀力的研究
钢筋锈蚀产物体积膨胀会在钢筋与混凝土交界面上产生压力，这种压力就称为钢筋锈胀力。在锈胀力作用下，混凝土产生微裂缝并随锈胀力的增大逐渐发展。大多数学者在对锈蚀膨胀的力学研究中将锈蚀层简化为圆形，假定钢筋为均匀锈蚀，锈蚀层是与钢筋同轴的圆形，认为锈胀力在同一截面是均匀的。Liu 和 Weyers 采用 Ugural 提出的模型，根据钢筋锈蚀产物的分布情况，利用弹性理论对锈蚀过程进行了简单的力学分析。金伟良、赵羽习等人假定钢筋为均匀锈蚀，考虑锈胀力作用下混凝土和钢筋锈蚀产物的径向变形，并根据混凝土、锈蚀产物和未锈蚀钢筋之间的变形协调条件提出了混凝土保护层胀裂时刻和胀裂以前的锈胀力公式。王海龙等以均匀锈胀开裂试验现象为依据，根据保护层有限体中的应力分布和最终裂缝状态，利用断裂力学和弹性理论建立了混凝土保护层锈胀开裂时刻的锈胀力和临界锈蚀率预测模型。施养杭、罗刚等在现有胀裂锈蚀量计算模型的基础上，考虑保护层厚度对裂缝发展的影响，建立了比较近似实际情况的混凝土胀裂时刻的钢筋锈蚀量计算模型。
（四）钢筋锈蚀对混凝土耐久性影响的研究
钢筋锈蚀对混凝土耐久性的影响主要从以下三个方面考虑。
1.对钢筋与混凝土协同工作能力的影响。钢筋混凝土中钢筋锈蚀以后，钢筋与混凝土界面上形成的锈蚀产物是一种结构疏松的氧化物，它在钢筋和混凝土之间形成一层疏松的隔离层，明显的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结作用。尤其是变形钢筋横肋的锈蚀，大幅降低了钢筋与混凝土之间的机械咬合力。王庆霖，池永亮通过电化学方法加速钢筋锈蚀，研究了粘结损失对钢筋混凝土构件承载能力、变形、延性等性能的影响，研究表明，混凝土中钢筋严重锈蚀后，粘结性能显著退化，进而导致构件的承载能力降低、变形增加、延性下降。
2.对钢筋本身力学性能的影响。惠云玲和张永平分别采用室外环境自然暴露、工程现场抽样和试验室内快速锈蚀等方法进行试验。结果表明钢筋的力学性能退化，随着锈蚀量的增大，P-Δ 曲线的屈服平台变短，钢筋颈缩不明显，锈蚀钢筋的延性随锈蚀程度的的增大而减小，屈服强度与极限荷载均下降。当钢筋的截面损失率为 5%～10% 时，钢筋的力学性能指标伸长率、屈服强度和极限强度均有明显降低；当截面损失率大于 10% 时，钢筋处于严重锈蚀状态，没有明显的屈服点，伸长率不满足相关规范的要求。
3.对钢筋混凝土结构性能的影响。锈蚀产物体积膨胀，对钢筋四周的混凝土有挤压作用，在混凝土内部产生环向拉应力，当应力达到混凝土的抗拉强度时，钢筋与混凝土界面处将出现裂缝，随着锈蚀产物的积累和锈胀力的增大，裂缝会继续向外侧发展并加宽，直至贯通整个混凝土保护层，严重时造成保护层剥落，影响钢筋混凝土结构的正常使用。
（五）钢筋锈蚀损伤的检测方法
钢筋混凝土结构锈蚀损伤是指钢筋锈蚀体积膨胀使得混凝土保护层开裂，从而导致结构性能力劣化。对现存混凝土结构锈蚀损伤检测是进行结构补强的重要前提。
在实际工程中，钢筋锈蚀的检测主要采用非破损检测技术。常用的有视觉和声学方法、氯离子检测方法、物理检测方法、电化学检测法。此外，罗刚和黎学明尝试将光纤腐蚀技术用于混凝土结构钢筋腐蚀在线监测，与传统的监测技术相比，这种方法更易于实现结构内部连续、在线、分布式监测。