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鋼筋銹蝕對鋼筋砼橋梁耐久性的影響分析

發布于:2022-11-17 

安徽天翰工程咨詢有限責任公司     劉志

  :鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的最主要和最直接因素,也是混凝土橋梁耐久性破壞的主要形式之一。本文從銹蝕機理、影響因素和影響后果等方面進行了綜述性討論。

關鍵詞:鋼筋銹蝕;橋梁;耐久性

鋼筋銹蝕是一個比較普遍、并且嚴重威脅結構安全的耐久性問題。它在影響結構物耐久性因素中,占據主導地位。美國、英國、德國和日本等國每年均花費巨資用于混凝土結構的耐久性修復,其中鋼筋銹蝕占有相當大的比例。我國也有相當數量的鋼筋混凝土橋梁相繼進入老化期,鋼筋銹蝕的研究和防治顯得非常重要。

鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的最主要和最直接因素,也是混凝土橋梁耐久性破壞的主要形式之一。鋼筋銹蝕對橋梁結構的破壞分為三個時期:前期是鋼筋表面局部銹蝕出現銹斑、銹片等;中期是鋼筋整個表面銹蝕,并產生膨脹,與保護層脫離,發生層裂;后期表現為鋼筋鐵銹進一步膨脹,混凝土本身發生破壞,出現順筋脹裂,混凝土脫離,直至鋼筋不斷銹蝕,有效截面不斷減小,橋梁結構承載力不斷下降,鋼筋混凝土構件喪失基本承載能力。

= 1 \* CHINESENUM3 \* MERGEFORMAT 、鋼筋混凝土橋梁中鋼筋銹蝕機理

正常情況下,由于初始混凝土的高堿性,鋼筋混凝土橋梁結構力筋表面形成一層致密的鈍化膜,使其處于鈍化狀態。但隨著環境介質的侵入,鈍化膜逐漸遭到破壞,從而導致腐蝕的發生。

力筋發生銹蝕需要三大基本要素:

(一)力筋表面鈍化膜的破壞:

(二)充足氧的供應;

(三)適宜的濕度(RH=60~80%)。

三個要素缺一不可,第一要素為誘發條件,而腐蝕速度則取決于氧氣及水分的供應。

鋼筋的銹蝕一般為電化學銹蝕。發生電化學銹蝕必須具備3個條件:

1、在鋼筋表面形成電位差;

2、在陰極部位鋼筋表面存在足夠的氧氣和水;

3、在陽極區,使陽極部位的鋼筋表面處于活化狀態,既鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞。

在氧氣和水的共同作用下,鋼筋表面不斷失去電子發生電化學反應,逐漸被銹蝕,在鋼筋表面生成紅銹,引起混凝土開裂。

對于鋼筋混凝土橋梁,在一般環境條件下,鋼筋的銹蝕通常由兩種作用引起:一種是混凝土碳化作用;一種是氯離子對混凝土本身都沒有嚴重的破壞作用,但是這兩種環境物質都是混凝土中鋼筋鈍化膜破壞的最重要又最常遇到的環境介質;混凝土碳化使混凝土孔隙溶液中的Ca(OH)2含量逐漸減少,PH值逐漸下降,鈍化膜逐漸變得不再穩定以至于完全被破壞,使鋼筋處于脫鈍狀態;周圍環境中的氯離子從混凝土表面逐漸滲入到混凝土內部,當到達鋼筋表面的混凝土孔溶液中的游離氯離子濃度超過一定值(臨界濃度)時,即使混凝土堿度再高,pH值大于11.5值,CI-也能破壞鈍化膜,從而使鋼筋發生銹蝕。氯鹽引起鋼筋銹蝕的發展速度很快,遠比碳化銹蝕嚴重,這種情況常發生在近?;蚝Q蟓h境以及冬季經常使用除冰鹽的環境。

二、影響鋼筋混凝土橋梁鋼筋銹蝕的主要因素

(一)混泥土的保護層厚度及完好程度和混凝土的密實度

這三個方面都與侵蝕性介質的侵蝕速度有關,保護層厚度對鋼筋銹蝕的影響呈線性關系,因此世界各國規范對保護層厚度都作了規定。我國新修訂的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中,對鋼筋的最小保護層厚度規定中,隨著使用環境條件的劣化,混凝土保護層厚度也在增加?;炷恋拿軐嵍扔绊懼炷恋臐B透性,滲透性高的混凝土更容易發生銹蝕。

(二)混凝土的碳化程度

混凝土的碳化降低了混凝土的堿度,造成PH值降低,給鋼筋脫鈍提供了可能。鋼筋的失重率與混凝土的碳化深度差不多呈線性關系由此混凝土的碳化程度對鋼筋銹蝕有重大影響。

(三)環境條件

環境對鋼筋銹蝕的影響主要有以下幾個方面:溫度、濕度、二氧化碳的濃度、氧氣的濃度以及侵蝕性介質的濃度。對于鋼筋混凝土橋梁來說,影響最大的是濕度,當橋梁處在濕度較大的環境下,尤其是水位浮動的橋墩部位和浪濺區,最容易發生銹蝕。

(四)氯離子的影響

氯化物是一種很危險的侵蝕介質,但是在我國北方地區,為保證冬季交通暢行,向道路、橋梁及城市立交橋等撒除冰鹽,大量地使用的氯話鈉和氯化鈣,使得氯離子滲入混凝土,引起鋼筋銹蝕破壞。

北方地區許多的工程經驗教訓表明,大量地使用除冰鹽是影響鋼筋混凝土橋梁結構耐久性的主要原因之一。根據國外的相關研究報道,使用除冰鹽的橋梁結構一般在5~10年就開始腐蝕破損造成鋼筋銹蝕,混凝土脹裂。由于到目前為止,還沒有找到能夠完全替代除冰鹽的除冰方法,除冰鹽仍將繼續使用。因此采取針對除冰鹽的防腐蝕措施是十分重要的。

三、鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土橋梁耐久性的影響

鋼筋銹蝕的直接結果是鋼筋的截面積減少,不均勻銹蝕導致鋼筋表面凹凸不平,產生應力集中現象,使鋼筋的力學性能退化,如強度降低、脆性增大、延性變差,導致構件承載力降低。

(一)銹蝕后鋼筋的力學性能

銹蝕鋼筋抗力的降低直接影響服役結構和構件的承載能力,嚴重時可能造成結構提前失效甚至倒塌。沿鋼筋長度發生均勻銹蝕時,鋼筋的失重率近似等于鋼筋的截面面積損失率,鋼筋所能抵抗的極限拉力的降低與鋼筋截面面積銹損率基本成正比,此時,可以簡單地用銹損鋼筋的實際截面面積乘以未銹鋼筋的極限抗拉強度獲得銹蝕鋼筋的極限抗拉能力。

但是,由于混凝土材料的不均勻性、使用環境的不穩定性、鋼筋各部位受力程度的不同等因素,實際上混凝土中的鋼筋銹蝕很少有均勻銹蝕的情況,通常鋼筋截面面積損失率大于重量損失率,而且隨著鋼筋銹蝕的發展,銹蝕的不均勻性和離散性增大,重量損失率與截面面積損失率的差異也越大。因此,鋼筋極限抗拉能力的下降,除鋼筋截面的銹損、有效截面面積減小外,還有一個因素:銹損鋼筋的表面凹凸不平,受力以后缺口處產生應力集中,使銹蝕鋼筋的屈服強度和極限強度降低;且銹損越嚴重,應力集中引起的強度降低越多。

(二)鋼筋銹蝕后對鋼筋與混凝土協同工作性能的影響

鋼筋銹蝕后,鋼筋與混凝土之間的粘結錨固性能降低。試驗研究結果表面,銹蝕鋼筋混凝土主梁抗彎承載力試驗值小于只考慮銹蝕后鋼筋截面積減小、屈服強度降低計算得到抗彎承載力值,說明鋼筋和混凝土的粘結強度降低也是銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力降低的主要影響因素之一。因此,對受拉鋼筋必須乘以協同工作系數,以考慮粘結退化對鋼筋混凝土梁抗彎承載力的影響。

理論上,考慮粘結強度降低的影響,銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力應介于未銹蝕構件和無粘結構件之間,而相同條件下無粘結受彎構件承載力約為正常構件的70%~80%左右,那么kb則應處于0.7~1之間。

(三)鋼筋銹蝕后對鋼筋混凝土橋梁結構性能的影響

混凝土中的鋼筋一旦發生銹蝕,在鋼筋表面生成一層疏松的銹蝕產物,并且同時向周圍混凝土孔隙中擴散。銹蝕產物體積比腐蝕鋼筋的體積要大得多,一般可達鋼筋腐蝕量的2-4倍。銹蝕產物的體積膨脹使鋼筋外圍混凝土產生環向拉應力,當環向拉應力達到混凝土的抗拉強度時,在鋼筋與混凝土界面處將出現內部徑向裂縫,隨著鋼筋銹蝕的進一步加劇、鋼筋銹蝕量的增加,徑向內裂縫向混凝土表面發展,直到混凝土保護層開裂產生順筋方向的銹脹裂縫,甚至保護層剝落,嚴重影響鋼筋混凝土橋梁的正常使用。

鋼筋與混凝土的粘結是一種復雜的相互作用,通過它來傳遞二者之間的應力,協調變形,因此鋼筋與混凝土之間粘結錨固性能是保證鋼筋與混凝土兩種不同材料共同工作的基本前提。鋼筋與混凝土間銹蝕層的潤滑作用、鋼筋表面橫肋的銹損、混凝土保護層的開裂或剝落都會導致鋼筋混凝土粘結錨固性能降低甚至完全喪失,最終影響鋼筋混凝土橋梁結構的安全性、適用性和耐久性。

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