混凝土结构损伤的主要形态及其对结构性能的影响研究

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【摘 要】本文从损伤的直接原因来看可分为内部原因和外部原因。内部原因是指混凝土自身的一些缺陷，如在混凝土内部存在气泡和毛细管孔隙，为空气中的二氧化碳、水分和氧气向混凝土内部扩散提供了通道，另外还有氯离子、硫酸根离子或是碱骨料反应等因素；外部原因主要是指自然环境与使用环境引起的劣化，分为一般环境、特殊环境及灾害环境。

【关键词】混凝土结构；耐久性；材料劣化；结构性能；空间刚度；整体稳定性

0 引言

钢筋混凝土结构的性能劣化问题十分复杂，包括大气和近海环境的钢筋锈蚀、冻融循环、化学腐蚀、淡水溶蚀、物理磨损以及各种因素的综合作用。

1 混凝土碳化及对结构性能的影响

混凝土中的钢筋锈蚀问题是造成混凝土结构耐久性损伤的主要因素，而在一般大气环境下，混凝土碳化则是混凝土中钢筋锈蚀的前提条件。因此研究混凝土碳化对混凝土结构耐久性的影响具有重要的现实意义。

1.1 混凝土碳化机理及条件

由于碳化反应的主要产物碳酸钙属非溶解性钙盐，比原反应物的体积膨胀约17%，因此，混凝土的凝胶孔隙和部分毛细孔隙将被碳化产物堵塞，使混凝土的密实度和强度有所提高，一定程度上阻碍了二氧化碳和氧气向混凝土内部的扩散。另一方面，混凝土碳化使混凝土的pH值降低，完全碳化混凝土的pH值约为8.5-9.0，使混凝土中的钢筋脱钝，使钢筋因失去混凝土对其的保护作用而生锈，从而影响其结构的耐久性。

1.2 混凝土碳化影响因素

碳化的主要影响因素为环境和混凝土质量。环境因素主要指周围介质的相对湿度、温度、CO2浓度等。1）相对湿度大，混凝土含水率高，渗透性低，碳化速度慢；2）温度和CO2浓度越高，碳化速度越快。混凝土质量对碳化的影响主要取决于混凝土设计和施工（搅拌、振动、养护等）两个方面。在鉴定过程中发现混凝土质量越好，抗碳化能力越强，碳化速度越慢；3）水灰比是决定混凝土孔结构的重要因素，在一定程度上决定了CO2在混凝土中的扩散程度。混凝土的碳化速度与水灰比成正比，水灰比越大，碳化速度越快；4）水泥用量影响混凝土吸收CO2的量，水泥用量越大，碳化速度越慢；5）施工质量决定混凝土的密实性。施工质量越好，密实性越好，其碳化速度越慢。

1.3 碳化混凝土结构性能特点

从对混凝土碳化机理的研究可看出，碳化引起了混凝上强度的提高，并使得混凝土变脆，延性降低，影响了构件的耗能能力。这对抗震极为不利。同时也影响了钢筋混凝土结构构件的刚度、强度、裂缝、变形的计算。混凝土碳化不可避免的引起混凝土碱性降低，削弱了对钢筋的保护作用，引起钢筋的锈蚀，因而影响结构耐久性。另外，碳化使混凝土产生的碳化收缩以及使混凝土与钢筋的粘结力降低，也对抗震不利。

2 钢筋锈蚀及对结构性能的影响

2.1 钢筋锈蚀机理

钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。锈蚀可发生于许多引起锈蚀的介质中，如湿润空气、土壤、工业废气。钢材的锈蚀分为化学锈蚀和电化学锈蚀，钢材在存放和使用中发生的锈蚀主要属于后者。埋于混凝土中的钢筋，正常情况下处于碱性介质条件（新浇注混凝土的pH值约为12.5或更高），钝化保护膜为碱性，钢筋不会锈蚀。但是混凝土发生碳化或者有氯离子的侵入时，混凝土的pH值下降，钢筋就有发生锈蚀的可能性。

锈蚀过程的全反应就是阳极与阴极的组合，在钢筋的表面会析出氢氧化二铁，该化合物被溶解氧化后生成氢氧化三铁，进一步生成了三氧化二铁（红锈）与四氧化三铁（黑锈），黑锈体积可膨胀到原来的两倍，红锈则为四倍，铁锈体积的膨胀对周围的混凝土产生压力，使混凝土沿保护层开裂，进而加速钢筋的锈蚀。

2.2 锈蚀钢筋的强度

2.3 锈蚀钢筋的应力-应变曲线特征

为保证结构的安全结构中所使用的钢材除必要的强度性能外，还应保证正常的应力应变特性。一般来说，在正常的工艺制度和化学成分范围内生产出的热轧钢筋都有明显的屈服点和一定长度的屈服台阶。当钢筋的锈蚀较轻，截面损失率较小时，钢筋的应力应变曲线与未锈蚀钢筋相同；对中等锈蚀且锈蚀均匀的钢筋，其应力-应变曲线仍有明显的屈服点；然而当钢筋严重锈蚀后应力应变曲线发生很大的变化，没有明显的屈服点，屈服强度与抗拉强度非常接近，容易引起结构的突然破坏。即钢筋锈蚀后，其塑性性能变差。

2.4 锈蚀对钢筋延伸率的影响

钢筋的延伸率是表征钢筋内在质量的一个重要指标，它的变化会引起结构构件工作性能的改变。钢筋的不均匀锈蚀造成截面局部削弱，在应力作用下钢筋的最薄弱部位首先达到屈服，随着荷载的增加，在其余部位尚未充分变形时，该部位已过早的达到抗拉强度而断裂，导致钢筋的延伸率降低。锈蚀率越大，这种局部削弱的效应也就越显著，钢筋延伸率降低得也越大。

2.5 锈蚀对钢筋与混凝土粘结性能的影响

钢筋混凝土结构是一种复合材料结构，钢筋与混凝土两种材料共同作用的基础，在于它们之间具有足够的粘结强度，使得钢筋与混凝土之间可以有效的传递应力并协调变形。因此，锈蚀钢筋与混凝土间粘结性能的退化是关系到钢筋混凝土构件能否正常工作的关键，并决定着锈蚀钢筋混凝土构件的受力性能。钢筋轻微锈蚀时，钢筋锈蚀产物的体积膨胀使混凝土对钢筋的约束力增大，钢筋与混凝土之间的摩擦系数也因钢筋表面变得凹凸不平而增大，粘结力随锈蚀量增加而有所增大；但随着钢筋锈蚀的进一步发展，疏松的铁锈层破坏了钢筋表面与水泥胶体之间的化学胶着力，变形钢筋肋高的锈损则降低了钢筋与混凝上之间的机械咬合力，锈蚀产物膨胀使混凝土保护层开裂、剥落，降低了混凝土对钢筋的约束力，在这几方面的综合影响下，粘结力随钢筋锈蚀量的增加而逐渐减小。

3 结束语

总之，结构损伤后，结构耗能能力、刚度、承载力和延性等逐渐降低，抗震能力下降，可见工程损伤对结构的抗震性能影响显著，研究其损伤后性能的退化规律可以更好的指导相应设计、评估，以减少地震灾害的危害。

【参考文献】

[1]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京：科学出版社，2003.

[2]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（l）：43-46.