抗滑桩中钢筋锈蚀深度及其体积变化过程分析

陈庆玉 赵华

【摘要】基于电化学原理，结合抗滑桩中钢筋锈蚀的实际过程推导了不同服役时间，钢筋各部位的銹蚀深度及锈蚀后体积变化情况，对钢筋的整个锈蚀过程给予了形象直观的描述。

【关键词】电化学；电流密度；锈蚀深度；体积膨胀；抗滑桩

1 引言

目前国内外对钢筋混凝土中钢筋锈蚀的研究大多以钢筋的锈蚀为均匀锈蚀这一假设[1]为前提。抗滑桩中的钢筋往往处于非均匀锈蚀状态，本文以电化学原理为基础，以混凝土的碳化为钢筋锈蚀的诱导因素，根据不同锈蚀部位的锈蚀电流密度和锈蚀时间的关系推导了钢筋的锈蚀深度以及相应的体积变化关系，形象的再现了混凝土中钢筋的腐蚀过程。

2 任意时刻钢筋的锈蚀深度分析

钢筋锈蚀是一种电化学过程，由法拉第定律

可得 （1）

即： （2）

式中： 为腐蚀电流密度， 为腐蚀时间。

可见在其余条件一致的情况下，材料的腐蚀深度与腐蚀时间成正比。对于一般环境中的抗滑桩而言，其钢筋的锈蚀主要由氧气的扩散来控制，则在钢筋某点处的腐蚀电流密度可表示为：

（3）

锈蚀范围某点处的腐蚀电流密度表示成角度 的函数形式为：

（4）

式中 为钢筋半径， 为混凝土保护层厚度。如果假定混凝土的碳化是导致钢筋锈蚀的唯一因素，则钢筋的锈蚀范围是碳化深度的函数，如果以 表示碳化深度，则上式中角度 的极限值为： ， 为锈蚀轮廓对应的圆心角，称为锈蚀角。于是式（4）中的角度 取值范围为： 。

不同碳化深度的碳化时间为：

（5）

由此在钢筋的锈蚀范围内， 时刻角度 处的锈蚀时间为：

（6）

为混凝土碳化至此点所需时间.

将其代入式（2）中，则t时刻，角度 处的钢筋锈蚀深度为：

（7）

3 抗滑桩内钢筋的锈蚀体积膨胀过程分析

抗滑桩中钢筋锈蚀的前提是碳化至钢筋表面，锈蚀首先在靠近混凝土表面一侧发生，然后逐渐向内部扩展，相应的锈蚀角度也逐渐扩大。因此越靠近顶点位置，其锈蚀时间越长相应的锈蚀深度也就越大。

在任意角度 处取一微小角度 ，对该部分面积进行分析，如果 处的钢筋锈蚀深度为 ，则相应的 范围内的锈蚀体积为：

（8）

如果忽略锈蚀产物沿切向扩展量，则微元 范围内的钢筋在锈蚀后的总体积为：

（9）

由此得出在锈蚀后，该处的半径为：

（10）

式中的 为铁锈蚀后的体积膨胀倍数，其取值范围为2～6； 为锈蚀后 处的半径。

将式（7）代入上式，便可得到 时刻锈蚀角度为 时锈蚀外轮廓线方程：

（12）

（13）

为某点处的保护层厚度。

取钢筋半径 ，保护层厚度 ，混凝土抗压强度标准值取16.7Mpa，碳化系数按照文献进行选取，可计算碳化至钢筋表面的时间 年，锈蚀后的体积膨胀系数 ，假定碳化至钢筋表面钢筋即开始锈蚀，则分别计算钢筋不同服役时间各角度下的锈蚀深度及锈蚀后的半径，其结果如下图所示：

30年 40年

50年 60年

图1 钢筋锈蚀体积变化过程图

上图完整显示了钢筋在混凝土中的锈蚀及其体积变化过程、钢筋剩余体积及其外轮廓线的变化过程，在钢筋的锈蚀过程中，靠近混凝土表面一侧的钢筋由于碳化最先到达，因此该处首先发生锈蚀，且其腐蚀电流密度也最大，因而其锈蚀深度较大，而背离混凝土表面一侧则反之。

5 结论

本文在前人研究成果的基础上，结合抗滑桩中钢筋锈蚀过程的实际情况建立了考虑锈蚀顺序的钢筋锈蚀过程模型，通过分析发现钢筋在靠近混凝土表面一侧锈最为严重，从而体积扩展量也最大，而背离混凝土表面一侧则反之，这一结果比采用均匀锈蚀假设计算结果更加符合实际。

参考文献：

[1] 金伟良，赵羽习，鄢飞.钢筋混凝土构件的均匀钢筋锈胀力的机理研究[J].水利学报，2001（7）

[2] 李永和.地下钢筋混凝土与锚喷结果碳化断裂损伤及其耐久性研究[D].中国科学院博士学位论文，1999