常熟市工程质量检测中心 常熟 高新
摘要: 介绍了在正常大气环境下以及海洋环境情况下混凝土里钢筋出现锈蚀的相关机理，以及实验室钢筋快速锈蚀与自然锈蚀之间存在的关联性，除此之外还对混凝土里钢筋锈蚀量的预测方式进行了介绍。对于在静力荷载作用下产生的锈蚀钢筋确定型本构关系以及随机本构关系还有锈蚀钢筋疲劳性能等几个方面的内容进行相关的研究和整体分析。
关键词: 锈蚀钢筋; 混凝土; 锈蚀机理; 力学性能
1 混凝土中钢筋锈蚀
混凝土结构里的钢筋锈蚀能够被分成自然电化学腐蚀以及杂散电流的腐蚀，针对当前预应力混凝土自身的结构，还会出现应力腐蚀以及氢脆腐蚀 。通常混凝土结构里出现的钢筋锈蚀一般都是自然电化学造成的腐蚀，所以本文主要针对自然电化学腐蚀进行分析。
1.1 混凝土中钢筋锈蚀机理
混凝土孔隙里属于碱度比较高的一种Ca (OH)2饱和溶液，pH 值在12.5 左右，因为混凝土里还包含了比较少的Na2O、K2O 等，因此其本身的pH 值则会超出13。在这样的一种高碱性环境里，钢筋表面出现氧化的情况，其会构成一层厚只有20～60A 0的水化氧化膜γ－Fe2O3×nH2O，这一层氧化膜会姥姥的吸附到钢筋的表面，即便是在有水与氧气的条件下钢筋也并不会出现锈蚀，所以也将其称之为“钝化膜”。在无杂散电流的环境里，有两种因素可能会使得钢筋钝化膜遭到损坏: 混凝土中性化令钢筋位置的pH 值有所减弱，或者是浓度较为充分的游离Cl－扩散至钢筋表面令钝化膜出现“溶解”的情况。脱钝之后混凝土里钢筋会出现一个电化学的过程，在阳极区出现一种氧化的发应: Fe－2e Fe2 + ; 在阴极区出现一种还原的反应: O2 + 2H2O + 4e 4OH－。阳极区释放的电子则会运用钢筋朝着阴极区进行流动，并且会出现Fe2 + 朝着周围进行迁移与扩散，并且与阴极区出现一种OH－的反应，然后生成Fe(OH)2。氧气充分的时候，Fe( OH)2则会被氧化成为Fe( OH)3: 4Fe( OH)2 + O2 + 2H2O→4Fe(OH)3，脱水之后则会成为一种疏松并且有着很多空洞的红锈Fe2O3; 少氧情况下，Fe( OH)2则会出现不完全的氧化情况，一些则会出现黑锈Fe3O4: 6Fe(OH)2 + O2→2Fe3O4 + 6H2O。
2 锈蚀钢筋的静力性能
2.1 锈蚀钢筋的确定型本构关系
国内外有很多学者在进行了相关的试验之后得出: 伴随着钢筋锈蚀率的不断增长，名义屈服强度和极限强度以及极限延伸率减弱，屈服平台缩短同时还出现了消失的情况，可是分析其弹性模量并未产生显著的转变变化。选择450 根锈蚀钢筋力学性能去进行试验获得的结果，收集当前现有的试验数据，设置锈蚀钢筋力学性能试验的相关数据库(共使用钢筋1138 根) ，假定钢筋屈服平台伴随着锈蚀率线性减少，设置了锈蚀钢筋确定型的应力-应变关系模型如图3a 所示。其数学的表达式则落惨嚎式4所示。
( b) 锈蚀预应力筋
图1 锈蚀钢筋以及锈蚀预应力筋本构之间的关系
式中: εshc、εsuc、Esc分别是锈蚀钢筋其自身的强化应变、极限应变以及弹性模量，Eshc属于强化段的模量，Eshc= ( fuc－fyc) /(εsuc－εshc)。试验的结果显示出: 不同钢筋其使用锈蚀如果不同，那么其数学模型里多种特征参数获得的取值也会存在一定差异。
2.2 锈蚀预应力筋的确定型本构关系
当前针对锈蚀预应力筋力学性能进行研究的文献还是较少的。文讨论了氯盐腐蚀钢绞线的受拉性能退化特点。作者还运用加速去对试验研究结果进行模拟，使用二折线模型作为研究的基础，指出如图3b 所示的锈蚀预应力筋本构关系的相关模型。在预应力筋锈蚀率超出了临界点ηscr=0.08 的时候，强化段则会消失。
2.3 锈蚀钢筋随机本构关系
因为使用环境存在不稳定性、同时混凝土材料自身也具备一定的不均匀性、不同部位应力状态也存在一定差异，混凝土碳化和氯离子侵蚀以及引起产生的钢筋锈蚀过程都是一个随机转变的过程。锈蚀程度会伴随着钢筋纵向存在差异，钢筋其自身的锈坑分布和表面几何特征与锈蚀的不均匀程度都是随机产生的，并且其自身也胡随着锈蚀的发展而产生变化，钢筋锈蚀不均匀性也会不断的增加。因此会令钢筋力学性能的变异性也会伴随着锈蚀的不断发展而产生一定的变化，也就是锈蚀钢筋力学性能产生的退化也是一个逐渐演变的过程。运用设置的锈蚀钢筋力学性能的试验数据库，使其能够针对不同平均截面锈蚀率下的弹性模量Esc、名义屈服强度相对值αyc以及名义极限强度相对值αuc分布完成正态性的检验，结果显示，不同平均截面锈蚀率下的弹性模量以及名义强度相对值都服从与正态分布。
3 锈蚀钢筋的疲劳性能
当前随着桥梁结构的老龄化与交通流量的提升、车载增多、使用环境的不断恶化，有很多锈蚀钢筋混凝土桥梁急切需要对其自身的安全性进行评价除此之外还需要对剩余的疲劳寿命给予适当的预测，而对于锈蚀钢筋其自身的疲劳性能进行研究是准延长荷载下锈蚀混凝土构件使用寿命的一个基础。有相关的研究人员在具体桥梁退化下的老化构件里截取锈蚀钢筋去给予了疲劳的试验。试验结果显示出，在钢筋出现锈蚀之后，因为其自身有效的截面积降低和屈服强度以及变形能力减弱等多种因素的制约，其自身的疲劳强度有显著的减弱。因为当前钢筋的数量十分有限，所以在分析这一试验的过程中并未对钢筋锈蚀率产生的影响进行分析。运用现场获得的自然锈蚀的钢筋试件，运用轴向拉伸高周的疲劳试验，设置了考虑锈蚀率影响的锈蚀钢筋疲劳曲线的方程。
4 结语
按照当前现有的与锈蚀钢筋力学性能相关的研究成果作为基础，使其能够W为当前复杂环境里现代混凝土结构其自身的服役寿命进行理论设计，日后需要在以下几个方面给予更为深入的研究:①在明确钢筋锈蚀机理的基础上，进一步去对锈蚀钢筋力学性能自身的退化机理进行研究，设置一个适宜的钢筋锈蚀量预测模型。②除此之外还需要对锈蚀试验以及自然锈蚀试验之彼此之间的关系进行研究。③研究HRB400、HRB500 以及新型预应力筋锈蚀后其在动力和静力之间的联想。④对于锈蚀混凝土构件的受力性能与受力性能之间的退化规律进行研究。
参考文献
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论文作者:葛晓红
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/4
标签：锈蚀论文; 钢筋论文; 混凝土论文; 预应力论文; 力学性能论文; 关系论文; 则会论文; 《防护工程》2018年第35期论文;