楊興興， 肖珍

（1.湖南博聯檢測集團有限責任公司，湖南 常德 415000；2.湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421009）

0 引言

近年來因各種原因停建、緩建的工程項目增多，長期停建工程中，主體結構留置的裸露結構鋼筋，受環(huán)境影響發(fā)生銹蝕，將可能導致鋼筋截面減少、力學性能退化，鋼筋與混凝土的粘結性能退化，混凝土銹脹保護層脫落等不利影響［1］。鋼筋銹蝕輕則影響結構的使用性和耐久性，重則降低結構承載力，甚至導致結構失效。國內學者對長期停建工程鋼筋銹蝕問題開展了深入研究［2，3］，但還停留在鋼筋銹蝕機理及后期施工維護方面，缺乏銹蝕鋼筋力學性能試驗研究。也有學者利用加速試驗法模擬鋼筋銹蝕過程并測試不同銹蝕程度對鋼筋力學性能的影響［4，5］，這與鋼筋自然狀態(tài)下銹蝕的力學性能具有的一定差異。為此，文中理論研究鋼筋銹蝕機理及危害，測試自然條件下鋼筋銹蝕力學性能，研究長期停建工程中不同銹蝕程度對鋼筋力學性能的影響，這對續(xù)建建筑物的工程質量有著十分重要的意義。

1 鋼筋銹蝕機理

優(yōu)質混凝土中的鋼筋一般不會生銹，因為拌制普通混凝土的硅酸鹽水泥含硅酸鈣，水化產生大量OH-，使得pH值高達12以上，鋼筋在這種高pH條件下，表面會形成一層非常致密、厚（2～10）×10-9m的尖晶石固溶體Fe3O4-γFe2O3膜，這層膜稱之為鈍化膜，它牢牢吸附在鋼筋表面，阻止鋼筋發(fā)生銹蝕［6］。鋼筋表面的鈍化膜是最為理想的涂層，因為這層鈍化膜是鋼筋表面在混凝土中高堿性環(huán)境下原位自發(fā)生成的，且只要這種高堿性環(huán)境條件保持不變，鈍化膜就能在破損處重新生成，使破損彌合，即具有自愈合功能。然而，一旦鈍化環(huán)境發(fā)生破壞，鋼筋就將以各種不同的方式發(fā)生破壞，而混凝土碳化和氯離子侵蝕是導致鋼筋銹蝕破壞最主要的原因。

1.1 混凝土碳化

混凝土碳化，又稱為中性化，是空氣中的二氧化碳氣體通過滲透到混凝土細孔內，與可碳物質發(fā)生化學反應，生成碳酸鈣。完全碳化的混凝土pH值約為8.5～9.0，pH下降到一定程度時，混凝土內的鋼筋鈍化膜將會遭到破壞。根據分析，影響混凝土碳化的因素有：

（1） 水泥用量和品種：增加水泥用量可以改善混凝土的和易性和密實性，減小混凝土碳化速度。水泥品種不一樣，對碳化速度的影響也不同，一般而言，水泥強度等級越高水泥抗碳化能力越強，普通硅酸鹽水較泥礦渣硅酸水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥的抗碳化能力強。

（2） 水灰比：一般情況下，隨著水灰比的減小，混凝土結構孔隙率減小，混凝土就越密實，二氧化碳的滲透率就越低，從而提高混凝土的抗碳化能力。

（3） 骨料品種及顆粒級配：有研究表明，骨料粒徑越大，混凝土的抗碳化能力越差；輕骨料混凝土的抗碳化能力低于普通混凝土。

（4） 混凝土抗壓強度：通常隨著混凝土抗壓強度的提高，其抗碳化能力隨之增強。

（5） 施工質量及養(yǎng)護：同等條件下，混凝土施工質量越好，其強度、密實性越好，抗碳化能力強。但是混凝土早期養(yǎng)護不良，水泥水化不充分，表層混凝土的滲透性將增大，混凝土的抗碳化能力將降低。此外，養(yǎng)護時間也對碳化速度有較大的影響。

（6） 保護層：混凝土表面保護層對混凝土碳化具有一定的延緩作用，有助于提高混凝土的抗碳化能力。

1.2 氯離子侵蝕

氯離子侵蝕導致鋼筋銹蝕是一個很復雜的電化學過程。當混凝土與含有氯離子的介質進行接觸時，由于氯離子具有極強的穿透能力，會透過混凝土毛細孔到達鋼筋表面發(fā)生電化學反應。當鋼筋周圍的氯離子富集到達到銹蝕的臨界值時，鋼筋鈍化膜就會局部破壞而使鋼筋表面活化，遇孔隙中的水和氧時會生成“褐銹”Fe（OH）2及紅銹Fe2O3、黑銹Fe3O4等其它形式的銹蝕產物。在此過程中，氯離子不構成銹蝕產物，也未被消耗，對銹蝕提供動力條件和起著催化作用［7］。

氯離子侵蝕是破壞鋼筋表面鈍化膜，導致鋼筋銹蝕的主要原因，而影響氯離子侵入混凝土的因素又有以下幾個方面：

（1） 混凝土本身特性：混凝土結構越密實，氯離子滲透率越低，混凝土抵抗氯離子侵蝕能力越強。

（2） 氯離子擴散系數：氯離子擴散系數越大表示氯離子侵入混凝土越容易，混凝土抵抗氯離子侵蝕能力越差。

（3） 氯離子濃度：氯離子濃度差是引起氯離子的擴散的根本原因?；炷帘砻娴穆入x子濃度越高，內外部氯離子濃度差越大，擴散到混凝土內部的氯離子就會越多。此外，初始氯離子濃度過高，也是比較容易誘發(fā)混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕。

2 鋼筋銹蝕過程及危害

無論是由混凝土碳化，還是由氯離子侵蝕誘發(fā)的鋼筋銹蝕，都是一個電化學反應過程，即發(fā)生鐵電離的陽極反應和氧還原的陰極反應。反應式為：

陽極：3Fe+4H2O→Fe3O4+8H-+8e-；2Fe+3H2O→Fe3O4+6H++6e-；Fe+2H2O→HFeO2-+3H++2e-；Fe→Fe2++2e-

陰極：2H2O+O2+4e-→4OH-；2H++2e-→H2

2.1 鋼筋銹蝕過程

混凝土中鋼筋銹蝕過程可分為銹蝕孕育期、銹蝕發(fā)展期、銹蝕破壞期、銹蝕危害期四個階段。

（1） 銹蝕孕育期：從完成混凝土澆注到混凝土碳化層深度直至鋼筋表面，或氯離子侵入開始破壞鋼筋鈍化膜，鋼筋開始發(fā)生銹蝕。

（2） 銹蝕發(fā)展期：從鋼筋開始銹蝕發(fā)展到混凝土保護層表面因鋼筋銹脹而出現開裂破壞。

（3） 銹蝕破壞期：從混凝土表面因鋼筋銹蝕膨脹開始破壞發(fā)展到混凝土保護層出現嚴重脹裂甚至剝落破壞。

（4） 銹蝕危害期：從局部混凝土保護層銹脹剝落已經擴大到使混凝土結構區(qū)域性破壞，致使結構不能安全使用。

2.2 鋼筋銹蝕對混凝土結構的危害

鋼筋銹蝕后，對混凝土結構會產生比較大的影響，主要表現在以下幾個方面。

（1） 鋼筋銹蝕導致鋼筋的有效截面面積減小，從而引起鋼筋的強度降低、脆性增大、延性變差。有試驗表明，當銹蝕鋼筋的截面損失率達5%～10%時，其屈服強度、極限抗拉強度以及延伸率均開始下降；當鋼筋發(fā)生嚴重銹蝕，截面損失率達10%～60%時，其各項力學性能指標出現嚴重下降。

（2） 鋼筋銹蝕導致鋼筋和混凝土之間的摩擦力下降，引起鋼筋與混凝土的粘結錨固性能下降，極大地影響了鋼筋與混凝土的協同工作，對鋼筋混凝土構件的承載能力造成了顯著影響。

（3） 鋼筋銹蝕產物體積膨脹，對周邊混凝土產生擠壓作用，混凝土保護層在擠壓作用下其拉應力逐漸增大并發(fā)生開裂、脫落，引起鋼筋與混凝土的粘結性能迅速下降，甚至完全喪失，從而顯著影響鋼筋與混凝土的粘結性能。

3 停建工程鋼筋銹蝕力學試驗

通過收集某市停建工程主體結構構件預留的銹蝕鋼筋，檢測各根鋼筋名義質量銹蝕率（以下簡稱銹蝕率，為鋼筋試件的質量損失率），測試其力學性能，分析銹蝕鋼筋強度損失與銹蝕率的關系。

3.1 銹蝕率檢測

取銹蝕鋼筋試件，兩端磨平，用12%的鹽酸溶液酸洗，經清水漂凈后用石灰水中和，再以清水沖洗干凈，擦干后放于烘箱內烘干，等鋼筋試件冷卻后用鋼絲刷除去表面銹蝕產物，并用天平稱重銹蝕鋼筋除銹后的質量。鋼筋銹蝕率為銹蝕失重質量與鋼筋原質量的比值。各試驗組鋼筋銹蝕率檢測結果如表1所示。

表1 鋼筋銹蝕率檢測結果

圖1 待測鋼筋試件除銹前后照片

3.2 拉伸試驗

針對不同銹蝕程度鋼筋的力學性能進行試驗分析。每種規(guī)格各選取4根400mm長經除銹處理后的鋼筋試件（含1根未銹蝕無缺陷的國標規(guī)格鋼筋）進行拉伸試驗，通過測試其屈服強度、極限強度、伸長率及冷彎性能等，分析不同銹蝕率鋼筋力學性能變化趨勢。各種規(guī)格銹蝕鋼筋拉伸試驗結果如表2所示。

圖2 銹蝕鋼筋試件拉伸試驗

表2 銹蝕鋼筋力學性能檢測結果

通過分析，可以發(fā)現不同規(guī)格的鋼筋，隨著鋼筋銹蝕率的增加，其屈服強度、極限抗拉強度、斷后伸長率和最大應力總延伸率均呈現出下降趨勢。但是所測的銹蝕鋼筋試件的屈服強度、極限抗拉強度、斷后伸長率和最大應力總延伸率，仍滿足現行規(guī)范對HRB400的下屈服強度400MPa、抗拉強度540MPa、斷后伸長率16%、最大應力總延伸率7.5%的要求［8］，說明當鋼筋銹蝕率較小時（試驗試件銹蝕率均低于4%），并未對鋼筋的屈服強度、極限抗拉強度、斷后伸長率和最大應力總延伸率造成明顯的影響。定義銹蝕鋼筋的強度相對于未銹蝕鋼筋強度的減少百分表為強度損失率，繪制鋼筋強度損失率與鋼筋銹蝕率的關系曲線如圖3所示?？梢苑治龀鲭S著鋼筋銹蝕率的增加，鋼筋的屈服強度、極限強度損失越嚴重，在鋼筋銹蝕率小于4%時，近似為線性關系。

圖3 鋼筋強度損傷與銹蝕率關系圖

3.3 拉拔試驗

針對不同銹蝕程度的鋼筋與混凝土的粘結性能進行試驗分析。取每種規(guī)格經除銹處理過的鋼筋試件各5根，長650mm，分別預埋在強度等級為C45、直徑為200mm、高250mm的圓柱體混凝土試件中。鋼筋埋入混凝土深度為250mm，鋼筋自由端長度約400mm，混凝土試件成型后立即送入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28d后取出進行鋼筋抗拉拔試驗。

測試不同銹蝕程度下各種規(guī)格鋼筋的抗拉拔力，取鋼筋拉斷或混凝土發(fā)生劈裂破壞時的拉力荷載為每根鋼筋的極限拉力，并計算其平均值（去掉最大、最小拉力值后再平均）作為該銹蝕率下的銹蝕鋼筋抗拉拔力，以分析銹蝕鋼筋的混凝土粘結力損失情況。各種規(guī)格銹蝕鋼筋混凝土試件拉拔試驗結果如表3所示。

表3 銹蝕鋼筋混凝土試件拉拔試驗結果

定義銹蝕鋼筋與混凝土間的粘結力相對于未銹蝕鋼筋的減少百分表為粘結力損失率，繪制鋼筋與混凝土粘結力損失率與鋼筋銹蝕率之間的曲線關系如圖4所示。通過分析可以發(fā)現當鋼筋銹蝕較小時（約小于3%），銹蝕鋼筋與混凝土的粘結力較未銹蝕鋼筋有增加的現象，當鋼筋銹蝕率較大時（約大于3%）時，銹蝕鋼筋與混凝土的粘結力低于未銹蝕鋼筋，并呈現出隨著銹蝕率的增加其粘結力減小的趨勢。

圖4 鋼筋與混凝土粘結力損失與銹蝕率關系

4 性能分析

（1） 混凝土碳化和氯離子侵蝕是影響鋼筋銹蝕的主要原因。引起混凝土碳化的因素包括水泥用量和品種、水灰比、骨料品種及顆粒級配、混凝土抗壓強度、施工質量及養(yǎng)護、保護層厚度等；混凝土本身特性、氯離子擴散系數、氯離子濃度是影響氯離子侵入混凝土的主要因素。

（2） 鋼筋銹蝕存在銹蝕孕育期、銹蝕發(fā)展期、銹蝕破壞期、銹蝕危害期四個階段。銹蝕鋼筋對混凝土結構的危害主要表現在導致鋼筋的力學性能下降，影響鋼筋和混凝土之間的粘結強度，甚至致使混凝土開裂、保護層脫落等。

（3） 鋼筋銹蝕導致鋼筋周圍產生了銹蝕產物，鋼筋截面減小等不良影響，進而會對其拉伸強度產生一定的影響。通過對長期停工工程中銹蝕鋼筋的拉伸試驗，當鋼筋銹蝕率小于4%時，隨著鋼筋銹蝕率的增加，鋼筋屈服強度、極限抗拉強度呈下降趨勢，鋼筋屈服強度、極限強度損失率與鋼筋銹蝕率近似呈現線性關系。鋼筋的斷后伸長率和最大應力總延伸率隨著鋼筋銹蝕呈現出下降趨勢。

（4） 由于鋼筋銹蝕產物的存在，對鋼筋周邊混凝土產生了一定的擠壓應力，在鋼筋銹蝕率不大時，對鋼筋與混凝土間的粘結強度有提升作用。但是隨著銹蝕產物的增加，對鋼筋周邊混凝土的擠壓應力達到了混凝土拉應力極限，混凝土開裂，將減小了鋼筋與混凝土間的粘結力。通過對長期停工工程中銹蝕鋼筋混凝土試件進行拉拔試驗，試驗結果表明當鋼筋銹蝕率小于3%時，銹蝕鋼筋與混凝土的粘結力較未銹蝕鋼筋有所增加；當鋼筋銹蝕率大于3%時，銹蝕鋼筋與混凝土的粘結力呈現出隨著銹蝕率的增加而減小的趨勢。

5 結語

文中通過分析鋼筋銹蝕機理及其危害，研究了長期停建工程銹蝕鋼筋力學性能。通過對銹蝕鋼筋進行拉伸實驗和拉拔試驗，發(fā)現隨著鋼筋銹蝕率的增加，鋼筋屈服強度、極限抗拉強度出現了近似線性下降；當鋼筋銹蝕率小于3%時，鋼筋與混凝土的粘結力較未銹蝕鋼筋有所增加；但當銹蝕率大于3%時，其粘結力呈現出隨著銹蝕率的增加而減小。這也主要是由于鋼筋銹蝕導致鋼筋截面面積減小、產生的銹蝕產物對鋼筋周圍混凝土擠壓作用的影響所致。