曾嚴紅

(1.上海市建筑科學(xué)研究院，上海200032;2.上海市工程結(jié)構(gòu)新技術(shù)重點實驗室，上海200032)

鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化的主要原因之一，鋼筋銹蝕對耐久性的影響主要是兩個方面:一是銹蝕后鋼筋截面減小、力學(xué)性能退化;二是銹蝕產(chǎn)物體積膨脹引起順筋裂縫、保護層剝落，使鋼筋和混凝土間粘結(jié)能力下降，并又加速鋼筋銹蝕。研究銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件受力性能的關(guān)鍵在于鋼筋銹蝕程度的確定。國內(nèi)外學(xué)者就鋼筋銹蝕量或銹蝕速率的計算進行了大量的研究，提出了形式各異的銹蝕率預(yù)測模型。現(xiàn)有鋼筋銹蝕率預(yù)測模型按其建立的途徑可分為以銹蝕機理為基礎(chǔ)的理論模型［1]和以實踐經(jīng)驗得出的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?]兩類，這些模型在特定的條件下具有一定的使用價值。實際結(jié)構(gòu)在銹蝕過程中由于荷載的存在，混凝土和鋼筋上都有應(yīng)力?；炷林械膽?yīng)力會影響混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及微裂縫的擴展，會加速有害物質(zhì)和氧氣在混凝土中的擴散，進而導(dǎo)致鋼筋開始銹蝕時間提前和鋼筋的銹蝕加快。鋼筋上的應(yīng)力水平對鋼筋銹蝕形態(tài)和銹蝕速度有影響，而普通銹蝕模型很難準(zhǔn)確預(yù)測其銹蝕率。現(xiàn)有銹蝕模型大都沒有考慮這些因素的影響，所以建立應(yīng)力作用下鋼筋的銹蝕模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

1 開始銹蝕時間

計算一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時間t0，需先確定混凝土碳化深度計算模型。國內(nèi)外學(xué)者基于Fick第一定律提出了大量計算凝土碳化深度的模型，文獻［3] 根據(jù)實測結(jié)果，回歸得到混凝土碳化深度實用計算公式為

式中xc－t時刻完全碳化深度(mm);RH－環(huán)境相對濕度;w/c－水灰比;c－單位體積混凝土水泥用量(kg/m3);Cco－混凝土表面CO2體積濃度;t－碳化時間(d)，計算銹蝕模型時需轉(zhuǎn)換為年(a)。

早期碳化模型多為材料層次模型，大都為無應(yīng)力作用下碳化深度乘以應(yīng)力水平或荷載水平表示的狀態(tài)函數(shù)。Castel等人［4]將三點加載的混凝土小梁在大氣環(huán)境中放置13a，研究混凝土受拉面的碳化情況。金祖權(quán)［5]通過堆載方式得出以抗折強度水平表示的碳化深度荷載影響系數(shù)函數(shù)。劉亞芹［6]基于既有混凝土碳化深度實用計算模型，通過試驗回歸得到碳化深度應(yīng)力影響系數(shù)kσ與混凝土應(yīng)力水平 λc間的關(guān)系，如式(2)、式(3)所示。

由式(2)可以看出，當(dāng)壓應(yīng)力水平λc不超過0.3時，kσ＜1，壓應(yīng)力對碳化延緩作用增強;當(dāng) λc超過0.3后，由混凝土內(nèi)部沿壓應(yīng)力方向微裂縫的擴展，壓應(yīng)力對碳化延緩作用逐漸減弱;當(dāng)λc超過0.7后，kσ＞1，壓應(yīng)力對碳化有加速作用。通過式(3)知，拉應(yīng)力作用下 kσ＞1，但 λc低于0.3時，對碳化影響不明顯，λc超過0.7時，對混凝土碳化加速作用明顯。這種影響趨勢與涂永明等的研究結(jié)果相近［7]。

將碳化深度應(yīng)力影響系數(shù)引入式(1)，并設(shè)則得到應(yīng)力狀態(tài)下混凝土碳化深度計算公式為

根據(jù)混凝土碳化機理可知，混凝土完全碳化區(qū)與未碳化區(qū)之間存在部分碳化區(qū)。在部分碳化區(qū)內(nèi)，鋼筋會出現(xiàn)局部少量銹蝕現(xiàn)象，但銹蝕狀態(tài)不穩(wěn)定，當(dāng)鋼筋表面混凝土完全碳化后銹蝕才趨于穩(wěn)定［8]。假設(shè)混凝土保護層完全碳化時鋼筋開始銹蝕，可由式(5)獲得鋼筋開始銹蝕時間為

式中C0－混凝土保護層厚度。

鋼筋銹蝕模型如圖1所示，設(shè)r為鋼筋半徑，則碳化深度為(C0+2r)即碳化到鋼筋內(nèi)側(cè)C點的時間為

2 開裂前鋼筋銹蝕模型的建立

根據(jù)法拉第定律，在dt時間內(nèi)鋼筋銹蝕質(zhì)量損失可表示為

式中dwt－dt時間內(nèi)鋼筋質(zhì)量損失(g);M－鐵的摩爾質(zhì)量，取56 g/mol;n－銹蝕產(chǎn)物中鐵離子的化學(xué)價，因銹蝕反應(yīng)的不充分性，假設(shè)銹蝕產(chǎn)物中Fe3O4和 Fe2O3含量相同［8]，則 n=2.8;F － 法拉第常數(shù)96 500 C/mol;It－t時刻腐蝕電流強度。

2.1 腐蝕電流的計算

計算鋼筋銹蝕量，首先要確定腐蝕電流。理論上鋼筋單位長度腐蝕電流為

式中it－t時刻的腐蝕電流密度;At－t時刻的腐蝕面積。

根據(jù)腐蝕電化學(xué)原理［9]，混凝土中鋼筋的銹蝕由氧氣擴散控制，腐蝕電流密度等于氧氣的極限擴散電流密度。

式中n0－單位氧氣吸收的電子數(shù)，n0=4;D0－氧氣的有效擴散系數(shù);［O2]0－混凝土表面氧氣摩爾濃度，一般取8.93 ×10－9mol/mm3;xt－ t時刻銹蝕點距混凝土表面的距離。

因銹蝕開裂前腐蝕電流密度不大，假設(shè)t時刻腐蝕面上各點腐蝕電流密度相同，碳化到C點(圖1)以后電流密度由氧氣濃度及其擴散系數(shù)確定，則t時刻電流密度可表示為

由于銹蝕開裂前鋼筋截面損失率比較小，故忽略鋼筋半徑的變化，由圖1求得t時刻單位長度鋼筋銹蝕面積At為

則 C0≤xc≤C0+2r時腐蝕電流為

xc＞C0+2r時腐蝕電流為

2.2 氧氣有效擴散系數(shù)的確定

氧氣在混凝土中的擴散系數(shù)與混凝土的孔隙率有關(guān)。根據(jù)分子運動學(xué)原理，同等條件下氣體的有效擴散系數(shù)與氣體摩爾質(zhì)量的平方根成反比［10]，則由CO2的有效擴散系數(shù)可求得O2的有效擴散系數(shù)。文獻［3] 給出的CO2有效擴散系數(shù)為

式中Dc單位為mm2/s，其余參數(shù)單位同式(1)。

引入應(yīng)力參數(shù)，考慮應(yīng)力作用時換算得CO2有效擴散系數(shù)為

考慮應(yīng)力作用時O2在混凝土中的有效擴散系數(shù)為

式中MCO2－CO2摩爾質(zhì)量，取44 g/mol;MO2－O2摩爾質(zhì)量，取32 g/mol。

2.3 鋼筋應(yīng)力水平對銹蝕的影響

鋼筋上的應(yīng)力水平對其腐蝕速度的影響，有學(xué)者認為鋼筋上應(yīng)力低于其屈服應(yīng)力時對腐蝕速度幾乎無影響［11]。為驗證此結(jié)論的準(zhǔn)確性，進行了鋼筋應(yīng)力狀態(tài)下的加速銹蝕試驗［12]。

采用江陰華新鋼絞線廠生產(chǎn)的1860級7φS15.2鋼絞線的中絲，極限強度為1 950 MPa。在鋼絲松弛試驗儀上進行通電加速銹蝕，采用砝碼加載對鋼絲施加應(yīng)力。共進行3組試驗，試驗參數(shù)如表1，其應(yīng)力水平為鋼絲實際應(yīng)力與極限強度的比值。Y1組鋼絲腐蝕電流密度為1 225 uA/cm2，Y2、Y3組鋼絲腐蝕電流密度為2 450 uA/cm2;Y1、Y3組鋼絲銹蝕時間為47 h，Y2組鋼絲銹蝕時間為23.5 h。試驗裝置如圖2。取鋼絲中部400 mm為腐蝕段，兩端用環(huán)氧紗布包裹，穿上塑料瓶，瓶口做好防水處理。在塑料瓶中注入5%NaCl溶液作為腐蝕液，鋼絲與直流電源正極連接，電源負極連接放置在腐蝕液中的銅棒，形成閉合電路進行通電加速銹蝕?；诜ɡ诙煽刂其摻z銹蝕量。試驗結(jié)果如表1所示，可以看出在相同條件下，隨著應(yīng)力水平的增加，鋼絲銹蝕率略微增長，說明彈性狀態(tài)下應(yīng)力水平對鋼絲腐蝕速度有一定影響，但不是非常明顯。

表1 試驗參數(shù)和銹蝕結(jié)果Tab.1 Details of test specimens and corrosion results

設(shè)λs為鋼筋應(yīng)力水平，kη為實際銹蝕率相對值即每根鋼絲實際銹蝕率與本組無應(yīng)力鋼絲銹蝕率的比值，擬合kη與λs的關(guān)系得

2.4 銹蝕預(yù)測模型

各參數(shù)代入式(8)積分，考慮鋼筋上應(yīng)力水平對銹蝕量影響，用式(18)進行修正，同時考慮到只有溶于水的氧氣才參與銹蝕反應(yīng)，以氧氣在一般環(huán)境水中的溶解度0.031對其修正［13]，積分得到單位長度鋼筋銹蝕質(zhì)量損失w(t)的計算公式為t0≤t＜ t1時

其中t為構(gòu)件使用年限(a);w(t)單位為g/mm。平均質(zhì)量銹蝕率為

式中 ηs－鋼筋質(zhì)量銹蝕率;ρ－鋼筋的密度，g/mm3。

3 模型驗證

文獻［14] 從上海地區(qū)實際工程中取回3根自然銹蝕的鋼筋混凝土梁L1～L3，將梁破型取出銹蝕受拉縱筋，每根梁有兩根受拉鋼筋，沿梁縱向分段測量鋼筋銹蝕率，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，相同環(huán)境下梁跨中段鋼筋銹蝕率明顯大于梁端位置的鋼筋。實際工程中梁跨中段受拉混凝土和受拉縱筋的拉應(yīng)力水平高于梁端部，應(yīng)力水平的影響使跨中段鋼筋銹蝕率較大，可見應(yīng)力水平對鋼筋銹蝕的影響是不可忽視的。

文獻［14]中梁L1未發(fā)現(xiàn)可見銹脹裂縫，用梁L1的實測數(shù)據(jù)驗證本文銹蝕模型的準(zhǔn)確性。梁截面尺寸為164×175 mm，保護層厚度15 mm;服役年限25a，梁端部碳化深度20 mm，端部和跨中實測銹蝕率均值分別為0.018和0.051;實測混凝土抗壓強度25.6 MPa，并依此反算水灰比;鋼筋半徑6 mm，梁間距3 m，梁間均布荷載 0.35 kN/m2，從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)所列數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到上海地區(qū)30a平均濕度為75%。將實測數(shù)據(jù)代入式(19)計算銹蝕率，計算結(jié)果如表2所示。從計算結(jié)果可以看出，應(yīng)力狀態(tài)下鋼筋開始銹蝕時間提前，銹蝕速率較無應(yīng)力狀態(tài)有較大提高。銹蝕率計算結(jié)果與實測結(jié)果差異在可接受范圍之內(nèi)，說明前文所推導(dǎo)的銹蝕模型能較準(zhǔn)確地計算應(yīng)力狀態(tài)下鋼筋銹蝕率。

表2 計算結(jié)果Tab.2 Calculation results

4 結(jié)論

1)混凝土應(yīng)力水平超過0.7后，混凝土碳化加速，鋼筋開始銹蝕時間縮短。

2)隨著混凝土應(yīng)力水平的提高，混凝土中氧氣的擴散系數(shù)增大;隨著鋼筋應(yīng)力水平的提高，裸露鋼筋的腐蝕速率也略有增大，最終導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)下混凝土中鋼筋銹蝕加速。

3)同一環(huán)境中高應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域混凝土中鋼筋開始銹蝕時間短，持續(xù)銹蝕時間長，且銹蝕速率高，以致高應(yīng)力區(qū)域鋼筋銹蝕率明顯高于低應(yīng)力區(qū)域。綜合考慮以上因素的鋼筋銹蝕率預(yù)測模型與實測結(jié)果符合較好。

［1] 劉西拉，苗澍柯.混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕及其耐久性計算［J] .土木工程學(xué)報，1990，23(4):69 －78.

［2] KIM A T，MARK G S.Structural reliability of concrete bridges including improved chloride－induced corrosion models［J] .Structural Safety，2000，22(4):313 －333.

［3] 張譽，蔣利學(xué)，張偉平，等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論［M] .上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003.

［4] CASTEL A，F(xiàn)RANCOIS R，ARLIGUE G.Effect of loading on carbonation penetration ration in reinforced concrete elements［J] .Cement and Concrete Research，1999，29(4):561－565.

［5] 金祖權(quán)，孫偉，張云升，等.荷載作用下混凝土的碳化深度［J] .建筑材料學(xué)報，2005，8(2):179－183.

［6] 劉亞芹.混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕實用計算模式［D] .上海:同濟大學(xué)，1997.

［7] 涂永明，呂志濤.預(yù)應(yīng)力混凝土試件碳化試驗及碳化深度預(yù)測模型研究［J] .工業(yè)建筑.2006，36(1):47－50.

［8] 張偉平.混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕損傷預(yù)測及其耐久性評估［D] .上海:同濟大學(xué)，1999.

［9] 曹楚南.腐蝕電化學(xué)原理(第三版)［M] .北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［10] VAGELIS G，MICHAEL N.Physical and chemical characteristics affecting the durability of concrete［J] .ACI Materials Journal，1991，88(2):186 －196.

［11] BARTON S C，GARRY W.Accelerated corrosion and embrittlement of high － strength bridge wire［J] .Journal of Materials in Civil Engineering，2000，12(1):33－38.

［12] 曾嚴紅，顧祥林，張偉平，等.銹蝕預(yù)應(yīng)力筋力學(xué)性能研究［J] .建筑材料學(xué)報，2010，13(2):169－174.

［13] 周志華，吳滌塵.溶解、溶解度及計算［M] .北京:科學(xué)普及出版社，1987.

［14] 張偉平，王曉剛，顧祥林，等.加速銹蝕與自然銹蝕鋼筋混凝土梁受力性能比較分析［J] .東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版增刊(II)，2006，36，Sup(II):139－144.