现役桥梁混凝土钢筋在自然环境下的锈蚀特征及分级评价＊

郝保红 曾 丁 盛敏徽 宋夕洋

（北京石油化工学院机械工程学院1） 北京 102617 交通运输部公路科学研究院2） 北京 100088）

0 引 言

钢筋混凝土结构在长期的服役过程中，随着时间的推移钢筋会发生锈蚀，这是一种常见的自然现象［1］.造成钢筋锈蚀的环境因素比较多，主要有自然环境（如潮湿的空气、含侵蚀性介质的地下水、海洋环境等）以及工业生产中的酸、碱、盐腐蚀等.前期已经在实验室采用模拟加速试验的方法［2-3］，研究了不同pH 情况，有无氯盐的环境下混凝土中钢筋的锈蚀规律.然而，自然腐蚀过程是一个复杂的过程，远比实验室的因素要复杂得多，桥梁外部环境如空气干湿度、周边污染程度、混凝土有无涂层以及桥梁使用年限，甚至南北地域的差异等都会对腐蚀速率的预测及测量造成十分复杂的影响.

本课题在前期工作的基础上运用多种电化学检测手段，对服役实桥内部配筋进行了无损量化检测，分析总结了自然环境下钢筋锈蚀的特征，通过与前期实验室结果对比分析，揭示了自然环境与加速模拟环境的区别与联系.

1 实桥资料

根据图纸及雷达探查情况，确定该实桥2＃盖梁测点位置见图1.

图1 实桥定位测点坐标图

2 结果和讨论

2.1 盖梁实测结果分析

图2为实桥盖梁内部配筋电化学实测结果失重率分布图及钢筋裸露情况照片.

图2 实桥2＃盖梁电化学检测结果分析

由图2a）可见，15根内置钢筋锈蚀情况大致接近，失重率基本落在8.3%～20.8%的区间中，均值为13.3%.其中（0.2，0.4，1.8 m）等处出现的个别钢筋数值偏大的情况，是由于混凝土剥落致使该处钢筋外露导致的腐蚀加剧.参见图2b）钢筋裸露实景图，表明锈蚀率实测结果与钢筋裸露情况基本吻合.

2.2 桥台实测结果分析

图3是实桥0＃桥台电化学实测结果失重率分布柱状图及实桥场景照片.

图3 实桥0＃桥台电化学检测结果分析

由图3 可见，整体地看：失重率基本落在18.6%～33%的区间中，均值为24.9%.整体数据偏大.原因是由于桥台处于严重积水潮湿环境侵蚀状态下，锈蚀速率大于干燥地带；由图3a）还可发现，脉冲电流法实测结果比线性极化法实测结果普遍偏大，这表明线性极化比脉冲电流法更具精准性，数据出入反映出2种检测方法存在的检测误差；但数据的基本接近又表明了检测数据的科学性和可信赖性.2种检测结果均显示：桥台两侧的钢筋失重率检测结果高于中间部位检测结果，这与两侧地势偏低，积攒的雨水使钢筋常年处于湿度较高的环境中导致锈蚀程度加重有关.参见图3b），检测出的锈蚀率与环境恶劣程度相吻合.

2.3 箱梁实测结果分析

图4为用2种电化学方法检测的箱梁无损量化实测结果对比图及箱梁钢筋裸露处局部放大图.

图4 实桥箱梁钢筋锈蚀率检测结果图

由图4可见，1＃位钢筋失重率明显高于后四根.这是因为在一号钢筋末端位置有一段裸露在空气中的钢筋，促使了1＃钢筋位的加速腐蚀，但整体看，所有钢筋的锈蚀率都处于较低的水平，这是因为该箱梁表面涂有防水涂层，使得桥体处于干燥服役状况下，在经历了20 多年的服役之后依然维持了一个较低的锈蚀速率.由实测结果还可发现：2种方法测得的结果很接近，这也说明了干燥的环境不仅有利于降低钢筋的锈蚀程度，而且对测量的精准性也很有利，可有效降低测量误差及系统分析误差.

2.4 护栏实测结果分析

图5是用2种电化学方法检测的实桥护栏的失重率计算结果.

图5 电化学方法检测三洪奇旧桥护栏锈蚀率图

由图5 可见，1＃和2＃护栏锈蚀率大致在8%～12%，相对较低，而且上下两段钢筋失重率最大，中间部位较小.这是因为两段钢筋所处位置容易受到空气、雨水、风等自然环境的侵蚀的缘故.

2.5 然气候条件下的钢筋锈蚀速率时变模型

自然气候条件下的钢筋锈蚀速率时变模型及钢筋腐蚀破坏的阶段分区图见图6～7［4-6］.

图6 锈蚀速率时变过程模式

图7 钢筋腐蚀破坏的几个阶段

由图6可见，在不同条件下，钢筋锈蚀速率的时变过程比较相似，锈蚀电流密度曲线的演变规律基本一致；而且锈蚀速率具有时变性特征；钢筋锈蚀速率的时变过程可以划分为6个阶段，依次为上升阶段TP-1、下降阶段TP-2、平稳阶段TP-3、上升阶段TP-4、平稳阶段TP-5以及下降阶段TP-6；通过实桥分析检测基本验证了上述时变模型的正确性，即：无论是盖梁还是桥台，无论是潮湿还是干燥，也不论有无涂层，锈蚀率的整体变化规律都基本一致.都经历了快速锈蚀之后的稳定期.由图7可见：钢筋腐蚀破坏经历了腐蚀开始、混凝土开始胀裂、混凝土开裂、彻底破坏4 个阶段.通过实桥检测，盖梁处于碳化前沿达到侵蚀介质在混凝土与钢筋界面的临界值，但钢筋钝化膜未被破坏，属于t0期，处于真正的结构安全使用期.桥台由于腐蚀介质在局部区域超过临界值而发生了局部腐蚀，腐蚀产物的积累导致混凝土局部开裂，属于t1，需要做必要的维护和加固处理.有涂层的箱梁属于干燥状态下的腐蚀，年限虽长，但也属于t0期，护栏风化加剧了腐蚀，属t2段：需进行必要的维修加固［7］.

3 结 论

1）通过用脉冲电流法和线性极化法的实桥检测对比分析可知：线性极化法的检测精度高于脉冲电流法.

2）实桥检测结果表明：盖梁箱梁螺纹钢的锈蚀程度低于桥台和护栏的光圆钢的锈蚀程度，这一结果与前期实验室加速模拟结果似乎不同.主要是因为外部环境不同和尺寸差异导致的.桥台常年处于潮湿且有氯盐的环境中，自然会比处于干燥环境下的盖梁混凝土螺纹钢腐蚀严重.特别是暴露在空气中的钢筋锈蚀情况要明显高于实桥内部配筋的锈蚀率.此外，因为桥台和护栏使用的光圆钢筋直径为8cm，而盖梁和箱梁使用的螺纹钢直径为16cm.二者没有可比性.

3）实桥测量结果得知：潮湿处的桥台钢筋的失重率最高达到33%，最低为18%；而干燥处的盖梁钢筋失重率则分布在8%～15%之间.有涂层的护栏钢筋和箱梁钢筋则具有更小的失重率.仅为4%～8%，表明环境对钢筋锈蚀的影响作用是非常之大的.涂刷了防水层的箱梁及护栏，有助于保护混凝土内部配筋，有效降低内部配筋的腐蚀速率.此外，承重的因素也是影响钢筋锈蚀的主要因素，桥台高于护栏钢筋锈蚀率，盖梁高于箱梁的锈蚀率就与承载轻重有关.

［1］姬永生，袁迎曙，宋 萌，等.混凝土中钢筋锈蚀层发展和细观结构分析［J］.建筑结构学报，2009，37（11）：303-308.

［2］HAO Baohong，ZENG Ding，LI Hang，et al.Model research of concrete reinforcement corrosion mechanism and corrosion rate under the corrosion of chloride ion［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，470：847-853.

［3］HAO Baohong，DOU Yantao，ZENG Ding，et al.Linear polarization method research of quantitative de-tection based on concrete reinforcement corrosion［J］.Applied Mechanics and Materials，2014，526：64-69.

［4］丁国清，蔡建军，张 波.桥梁钢结构的大气腐蚀特征［J］.公路交通科技，2010，27（9）：10-19.

［5］WEI J，FU X X，DONG H，et al.Corrosion evolution of reinforcing steel in concrete under dry／wet cyclic conditions contaminated with chloride［J］.Mater.Sci.Technol，2012，28（10）：905-912.

［6］何仲文，郑 宏，李培军，等.环保型裂缝修复材料对混凝土构件抗渗性能的影响研究［J］.新型建筑材料，2013，4（1）：71-73.

［7］吴 顺.公路桥梁钢筋锈蚀原因及防治方法［J］.山西建筑，2012，38（27）：190-192.