锈蚀钢筋混凝土结构性能的研究现状

曲 伟 伟

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

锈蚀钢筋混凝土结构性能的研究现状

曲 伟 伟

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

从锈蚀钢筋的力学性能、微观特征、粘结性能、锈蚀率对钢筋屈服强度的影响四个方面入手，分析了锈蚀钢筋混凝土结构性能的国内外研究现状，并对锈蚀钢筋混凝土结构性能进行了归纳总结，以供参考应用。

锈蚀钢筋混凝土结构，力学性能，微观特性，粘结性能

锈蚀钢筋混凝土结构损伤是指由于钢筋锈蚀导致结构性能劣化。随着时间的增加，钢筋混凝土结构的承载力也在下降，而造成钢筋混凝土结构承载力下降的主要原因是钢筋的锈蚀。同时钢筋锈蚀也是影响钢筋混凝土结构耐久性的重要因素。钢筋锈蚀造成结构破坏的具体原因主要体现在以下几个方面：首先是由于随着钢筋锈蚀，钢筋的横截面逐渐减小，钢筋的受拉压弯扭的横截面面积减小，同时钢筋与混凝土粘结面积减小，所以降低了钢筋混凝土结构的力学性能；其次是由于钢筋在锈蚀过程中，会产生化学变化，产生大量的气体，如O2，CO2等，此现象造成钢筋混凝土的体积膨胀，此膨胀力会对混凝土内部产生很大的拉张力，最终将导致混凝土从内部向外产生裂缝，使混凝土的强度和刚度大幅降低。最重要的是钢筋与混凝土粘结性能降低，钢筋混凝土结构的力学性能降低，继而影响钢筋混凝土的正常使用；最后是由于钢筋锈蚀在混凝土中产生相当大的拉应力，使钢筋混凝土承受双向或三向应力，另外由于钢筋在锈蚀过程中，会产生化学变化，产生新的杂质，从而降低了钢筋混凝土的延性[1]。根据理论和实际工程广泛的应用得知，钢筋锈蚀会对钢筋混凝土结构的承载力产生很大的影响，局部损伤会导致钢筋混凝土结构失去承载性能，最终由于一部分的破坏导致整个结构的破坏，甚至导致整个建筑处于很危险的境地，给经济建设造成不可挽回的损失。

1 锈蚀钢筋的力学性能

钢筋锈蚀后，使得钢筋的屈服强度和钢筋刚度产生很大的降低，使得整体钢筋混凝土的承载能力下降。要想判断一个钢筋混凝土结构的承载力下降的程度，了解钢筋锈蚀后钢筋混凝土结构的破坏规律，就需要充分掌握钢筋锈蚀后钢筋内部和混凝土内部的力学性能和金相组织变化规律。进入21世纪，随着科学技术和土木工程技术的飞速发展，国内外的很多科研工作者对锈蚀钢筋的力学性能做了大量的研究[2]。惠云玲[3]引用中国建筑科学研究院以及西安建筑科技大学的部分试验数据，研究了锈蚀钢筋的应力应变曲线变化特征以及对应的屈服点的特征。然后对21根不同锈蚀量的钢筋进行了冷弯试验来了解锈蚀钢筋的冷弯性能，通过大量的实验研究和金相组织对比观察，得到了钢筋锈蚀后截面损失率与重量损失率之间的统计关系，提出了锈蚀钢筋的屈服强度与锈蚀钢筋截面锈蚀率之间的计算方法以及建议取值：

(1)

(2)

σus=(1-0.69ηs)fu

(3)

还有其他的学者通过对上述三式的修正，得到了锈蚀钢筋的屈服强度与锈蚀钢筋截面锈蚀率之间的简化计算方法：

σys=(1-1.077ηs)fy

(4)

σus=(1-0.805ηs)fu

(5)

对于式(1)～式(5)，当ηs≤15%时，公式σys=(1-1.077ηs)fy的计算准确率会高；当ηs≥15%时，公式σus=(1-0.805ηs)fu的计算准确率会高。

Tomosawa F等[4]考虑了钢筋的两种锈蚀方法，包括均匀锈蚀和坑状锈蚀。通过实验研究了两种锈蚀对钢筋屈服强度的影响。同时基于实验数据得到了锈蚀钢筋屈服强度的诱导公式。当δ<3%时，锈蚀钢筋的屈服强度的减小量小于3%，锈蚀钢筋混凝土的力学分析时，可不考虑锈蚀钢筋对钢筋混凝土力学特性的影响；当δ>15%时，此时锈蚀钢筋的屈服点不明显，伸长率小于规范允许的最小值。

对于钢筋的均匀锈蚀，其表达式表示为：

(6)

对于钢筋的坑状锈蚀，其表达式为：

(7)

其中，fy为原始钢筋的屈服强度；fyc为锈蚀钢筋的屈服强度；δ为钢筋的质量损失率。

李凤兰等[5]根据式(6)和式(7)得到了锈蚀钢筋的屈服强度，并将锈蚀钢筋的计算结果与实验结果进行对比，对比结果如表1所示。

其中，fys为锈蚀钢筋的屈服强度的试验值，由表1中实测值与计算值比值的平均值为0.979，标准差为0.047。

2 锈蚀钢筋混凝土结构的微观特征

章鑫森等[6]通过显微电镜对大量锈蚀钢筋表面特征的观测，结合钢筋锈蚀的电化学理论可知，钢筋锈蚀均由大量坑状锈斑组成，随着锈蚀量的增大，锈蚀的离散性逐渐增大。当钢筋的锈蚀处于初始阶段时，锈蚀程度不高，钢筋锈蚀的深度很浅，此种情况的钢筋锈蚀可以看作为均匀锈蚀。随着钢筋的锈蚀程度逐渐增加时，钢筋锈蚀的深度开始变深，此时不能将锈蚀看作是均匀锈蚀，部分锈斑变成为锈坑，锈蚀影响开始向钢筋内部扩展，此种情况的钢筋锈蚀可以看作为坑状锈蚀。鉴于锈蚀钢筋表面的不对等性，将钢筋锈蚀程度用平均锈蚀率表示，平均锈蚀率定义为锈蚀的钢筋与无锈蚀钢筋的质量比。

3 锈蚀钢筋混凝土结构的粘结性能

对于钢筋混凝土来说，完好钢筋混凝土具有很好的力学性能，主要是由于钢筋和混凝土之间的粘结力导致的。当钢筋和混凝土之间的粘结力最大时，其粘结性能最好。所以粘结性能是钢筋和混凝土之间相互作用、相互耦合的主要因素。随着科技的发展，国内外学者开始对锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能的研究主要侧重于三种研究方法：首先可以通过制备试件进行现场实验研究；其次可以通过一定假设建立正确几何模型推导出理论计算公式；最后通过有限元软件对所研究的几何模型进行数值分析。

表1 锈蚀钢筋的计算值和实验值

J Casal等[7]通过拔出实验，对不同锈蚀率的钢筋和混凝土之间的粘结性能进行了实验，通过实验结果得到：当钢筋的锈蚀程度较小时，钢筋和混凝土之间的粘结强度随锈蚀量的增加而增加，但随着钢筋锈蚀程度的严重，钢筋和混凝土之间的粘结强度将明显减小。G.J.Al-Sulaimani等[8]通过混凝土粘结性能拔出实验来研究钢筋锈蚀和粘结剂开裂的力学机理与钢筋和混凝土之间的粘结强度的影响。混凝土粘结性能拔出实验是用来模拟严重的局部锈蚀，而梁测试是模拟钢筋表面相对均匀的锈蚀。

4 锈蚀率对钢筋屈服强度的影响

通过理论知识得知，钢筋的锈蚀程度有两种表示方法，分别为：截面损失率和质量损失率[9]。

对于钢筋的锈蚀程度，我们可以采用质量损失率δ来表示[5]：

(8)

其中，m0为原始钢筋的质量；mc为锈蚀钢筋的质量。

当钢筋的锈蚀处于初始阶段，锈蚀为均匀锈蚀时，此时锈蚀程度不高，钢筋锈蚀的深度很浅，钢筋的截面损失率和质量损失率近似相等；随着钢筋的锈蚀程度逐渐增加时，钢筋锈蚀的深度开始变深，钢筋的锈蚀为坑状锈蚀，质量损失率和截面损失率完全不同，此时的钢筋的截面损失率远大于质量损失率。

锈蚀钢筋的名义强度是基于未锈蚀钢筋的公称面积得出的。锈蚀钢筋的力学性能变化主要是由钢筋截面面积减少引起的。钢筋的屈服荷载和极限荷载取决于钢筋的最小剩余截面面积，最大蚀坑深度是影响钢筋力学性能的主要因素。

5 结语

本文从锈蚀钢筋的力学性能、锈蚀钢筋混凝土结构的微观特征、锈蚀钢筋和混凝土结构的粘结性能、锈蚀率对钢筋屈服强度的影响四个方面对锈蚀钢筋混凝土结构性能的国内外研究现状进行了详细的论述。

[1] 苏 刚.锈蚀钢筋混凝土结构损伤评估研究现状[J].IM&P化工矿物与加工,2002(5):29-31.

[2] 毛苏毅.锈蚀钢筋混凝土结构承载力研究现状[J].山西建筑,2007,33(34):85-86.

[3] 惠云玲，柳志伸，李 荣.锈蚀钢筋性能试验研究[J].工业建筑，1997，27(6):10-13.

[4] Lee H S,Noguchi T,Tomosawa F.FEM analysis for structural performance of deteriorated RC structures due to rebar corrosion[C].Proceedings of the Second International Conference on Concrete under Severe Conditions,Troms,Norway,1998:327-336.

[5] 李凤兰,侯维玲,侯朋兵.锈蚀钢筋的力学性能试验研究[J].华北水利水电学院学报,2013,34(4):61-64.

[6] 章鑫森,戴靠山.锈蚀钢筋的力学性能退化模型[J].重庆建筑,2004(S1):84-85.

[7] J Rodriguez,LM Ortega,J Casal.Load carrying capacity of concrete structures with corroded reinforcement[J].Construction and Building Material,1997,11(4)：239-248.

[8] G.J.Al-Sulaimani,M.Kaleemullah,I.A.Basunbul,et al.Influence of Corrosion and Cracking on Bond Behavior and Strength of Reinforced Concrete Members[J].Structural Journal,1990,87(2):220-231.

[9] 侯鹏兵.不均匀锈蚀钢筋混凝土梁承载力试验研究[D].郑州:华北水利水电学院,2012.

Research status of corroded steel reinforced concrete structure performance

QU Wei-wei

(TaiyuanHousingGuaranteeCenter,Taiyuan030001,China)

The paper analyzes factors influencing steel yield strength from four aspects of mechanical performance, micro-specialty, adhesive property and corrosion rate, discusses domestic and abroad research status of corroded steel reinforced concrete structure performance, and summarizes corroded steel reinforced concrete structure performance, with a view to provide some guidance.

corroded reinforced concrete structure, mechanical performance, micro-specialty, adhesive property

1009-6825(2014)30-0055-02

2014-07-16

曲伟伟(1983- )，女，工程师

TU375

A