长期停建工程锈蚀钢筋力学性能研究

杨兴兴， 肖珍

（1.湖南博联检测集团有限责任公司，湖南 常德 415000；2.湖南交通工程学院，湖南 衡阳 421009）

0 引言

近年来因各种原因停建、缓建的工程项目增多，长期停建工程中，主体结构留置的裸露结构钢筋，受环境影响发生锈蚀，将可能导致钢筋截面减少、力学性能退化，钢筋与混凝土的粘结性能退化，混凝土锈胀保护层脱落等不利影响［1］。钢筋锈蚀轻则影响结构的使用性和耐久性，重则降低结构承载力，甚至导致结构失效。国内学者对长期停建工程钢筋锈蚀问题开展了深入研究［2，3］，但还停留在钢筋锈蚀机理及后期施工维护方面，缺乏锈蚀钢筋力学性能试验研究。也有学者利用加速试验法模拟钢筋锈蚀过程并测试不同锈蚀程度对钢筋力学性能的影响［4，5］，这与钢筋自然状态下锈蚀的力学性能具有的一定差异。为此，文中理论研究钢筋锈蚀机理及危害，测试自然条件下钢筋锈蚀力学性能，研究长期停建工程中不同锈蚀程度对钢筋力学性能的影响，这对续建建筑物的工程质量有着十分重要的意义。

1 钢筋锈蚀机理

优质混凝土中的钢筋一般不会生锈，因为拌制普通混凝土的硅酸盐水泥含硅酸钙，水化产生大量OH-，使得pH值高达12以上，钢筋在这种高pH条件下，表面会形成一层非常致密、厚（2～10）×10-9m的尖晶石固溶体Fe3O4-γFe2O3膜，这层膜称之为钝化膜，它牢牢吸附在钢筋表面，阻止钢筋发生锈蚀［6］。钢筋表面的钝化膜是最为理想的涂层，因为这层钝化膜是钢筋表面在混凝土中高碱性环境下原位自发生成的，且只要这种高碱性环境条件保持不变，钝化膜就能在破损处重新生成，使破损弥合，即具有自愈合功能。然而，一旦钝化环境发生破坏，钢筋就将以各种不同的方式发生破坏，而混凝土碳化和氯离子侵蚀是导致钢筋锈蚀破坏最主要的原因。

1.1 混凝土碳化

混凝土碳化，又称为中性化，是空气中的二氧化碳气体通过渗透到混凝土细孔内，与可碳物质发生化学反应，生成碳酸钙。完全碳化的混凝土pH值约为8.5～9.0，pH下降到一定程度时，混凝土内的钢筋钝化膜将会遭到破坏。根据分析，影响混凝土碳化的因素有：

（1） 水泥用量和品种：增加水泥用量可以改善混凝土的和易性和密实性，减小混凝土碳化速度。水泥品种不一样，对碳化速度的影响也不同，一般而言，水泥强度等级越高水泥抗碳化能力越强，普通硅酸盐水较泥矿渣硅酸水泥和粉煤灰硅酸盐水泥的抗碳化能力强。

（2） 水灰比：一般情况下，随着水灰比的减小，混凝土结构孔隙率减小，混凝土就越密实，二氧化碳的渗透率就越低，从而提高混凝土的抗碳化能力。

（3） 骨料品种及颗粒级配：有研究表明，骨料粒径越大，混凝土的抗碳化能力越差；轻骨料混凝土的抗碳化能力低于普通混凝土。

（4） 混凝土抗压强度：通常随着混凝土抗压强度的提高，其抗碳化能力随之增强。

（5） 施工质量及养护：同等条件下，混凝土施工质量越好，其强度、密实性越好，抗碳化能力强。但是混凝土早期养护不良，水泥水化不充分，表层混凝土的渗透性将增大，混凝土的抗碳化能力将降低。此外，养护时间也对碳化速度有较大的影响。

（6） 保护层：混凝土表面保护层对混凝土碳化具有一定的延缓作用，有助于提高混凝土的抗碳化能力。

1.2 氯离子侵蚀

氯离子侵蚀导致钢筋锈蚀是一个很复杂的电化学过程。当混凝土与含有氯离子的介质进行接触时，由于氯离子具有极强的穿透能力，会透过混凝土毛细孔到达钢筋表面发生电化学反应。当钢筋周围的氯离子富集到达到锈蚀的临界值时，钢筋钝化膜就会局部破坏而使钢筋表面活化，遇孔隙中的水和氧时会生成“褐锈”Fe（OH）2及红锈Fe2O3、黑锈Fe3O4等其它形式的锈蚀产物。在此过程中，氯离子不构成锈蚀产物，也未被消耗，对锈蚀提供动力条件和起着催化作用［7］。

氯离子侵蚀是破坏钢筋表面钝化膜，导致钢筋锈蚀的主要原因，而影响氯离子侵入混凝土的因素又有以下几个方面：

（1） 混凝土本身特性：混凝土结构越密实，氯离子渗透率越低，混凝土抵抗氯离子侵蚀能力越强。

（2） 氯离子扩散系数：氯离子扩散系数越大表示氯离子侵入混凝土越容易，混凝土抵抗氯离子侵蚀能力越差。

（3） 氯离子浓度：氯离子浓度差是引起氯离子的扩散的根本原因。混凝土表面的氯离子浓度越高，内外部氯离子浓度差越大，扩散到混凝土内部的氯离子就会越多。此外，初始氯离子浓度过高，也是比较容易诱发混凝土中的钢筋发生锈蚀。

2 钢筋锈蚀过程及危害

无论是由混凝土碳化，还是由氯离子侵蚀诱发的钢筋锈蚀，都是一个电化学反应过程，即发生铁电离的阳极反应和氧还原的阴极反应。反应式为：

阳极：3Fe+4H2O→Fe3O4+8H-+8e-；2Fe+3H2O→Fe3O4+6H++6e-；Fe+2H2O→HFeO2-+3H++2e-；Fe→Fe2++2e-

阴极：2H2O+O2+4e-→4OH-；2H++2e-→H2

2.1 钢筋锈蚀过程

混凝土中钢筋锈蚀过程可分为锈蚀孕育期、锈蚀发展期、锈蚀破坏期、锈蚀危害期四个阶段。

（1） 锈蚀孕育期：从完成混凝土浇注到混凝土碳化层深度直至钢筋表面，或氯离子侵入开始破坏钢筋钝化膜，钢筋开始发生锈蚀。

（2） 锈蚀发展期：从钢筋开始锈蚀发展到混凝土保护层表面因钢筋锈胀而出现开裂破坏。

（3） 锈蚀破坏期：从混凝土表面因钢筋锈蚀膨胀开始破坏发展到混凝土保护层出现严重胀裂甚至剥落破坏。

（4） 锈蚀危害期：从局部混凝土保护层锈胀剥落已经扩大到使混凝土结构区域性破坏，致使结构不能安全使用。

2.2 钢筋锈蚀对混凝土结构的危害

钢筋锈蚀后，对混凝土结构会产生比较大的影响，主要表现在以下几个方面。

（1） 钢筋锈蚀导致钢筋的有效截面面积减小，从而引起钢筋的强度降低、脆性增大、延性变差。有试验表明，当锈蚀钢筋的截面损失率达5%～10%时，其屈服强度、极限抗拉强度以及延伸率均开始下降；当钢筋发生严重锈蚀，截面损失率达10%～60%时，其各项力学性能指标出现严重下降。

（2） 钢筋锈蚀导致钢筋和混凝土之间的摩擦力下降，引起钢筋与混凝土的粘结锚固性能下降，极大地影响了钢筋与混凝土的协同工作，对钢筋混凝土构件的承载能力造成了显著影响。

（3） 钢筋锈蚀产物体积膨胀，对周边混凝土产生挤压作用，混凝土保护层在挤压作用下其拉应力逐渐增大并发生开裂、脱落，引起钢筋与混凝土的粘结性能迅速下降，甚至完全丧失，从而显著影响钢筋与混凝土的粘结性能。

3 停建工程钢筋锈蚀力学试验

通过收集某市停建工程主体结构构件预留的锈蚀钢筋，检测各根钢筋名义质量锈蚀率（以下简称锈蚀率，为钢筋试件的质量损失率），测试其力学性能，分析锈蚀钢筋强度损失与锈蚀率的关系。

3.1 锈蚀率检测

取锈蚀钢筋试件，两端磨平，用12%的盐酸溶液酸洗，经清水漂净后用石灰水中和，再以清水冲洗干净，擦干后放于烘箱内烘干，等钢筋试件冷却后用钢丝刷除去表面锈蚀产物，并用天平称重锈蚀钢筋除锈后的质量。钢筋锈蚀率为锈蚀失重质量与钢筋原质量的比值。各试验组钢筋锈蚀率检测结果如表1所示。

表1 钢筋锈蚀率检测结果

图1 待测钢筋试件除锈前后照片

3.2 拉伸试验

针对不同锈蚀程度钢筋的力学性能进行试验分析。每种规格各选取4根400mm长经除锈处理后的钢筋试件（含1根未锈蚀无缺陷的国标规格钢筋）进行拉伸试验，通过测试其屈服强度、极限强度、伸长率及冷弯性能等，分析不同锈蚀率钢筋力学性能变化趋势。各种规格锈蚀钢筋拉伸试验结果如表2所示。

图2 锈蚀钢筋试件拉伸试验

表2 锈蚀钢筋力学性能检测结果

通过分析，可以发现不同规格的钢筋，随着钢筋锈蚀率的增加，其屈服强度、极限抗拉强度、断后伸长率和最大应力总延伸率均呈现出下降趋势。但是所测的锈蚀钢筋试件的屈服强度、极限抗拉强度、断后伸长率和最大应力总延伸率，仍满足现行规范对HRB400的下屈服强度400MPa、抗拉强度540MPa、断后伸长率16%、最大应力总延伸率7.5%的要求［8］，说明当钢筋锈蚀率较小时（试验试件锈蚀率均低于4%），并未对钢筋的屈服强度、极限抗拉强度、断后伸长率和最大应力总延伸率造成明显的影响。定义锈蚀钢筋的强度相对于未锈蚀钢筋强度的减少百分表为强度损失率，绘制钢筋强度损失率与钢筋锈蚀率的关系曲线如图3所示。可以分析出随着钢筋锈蚀率的增加，钢筋的屈服强度、极限强度损失越严重，在钢筋锈蚀率小于4%时，近似为线性关系。

图3 钢筋强度损伤与锈蚀率关系图

3.3 拉拔试验

针对不同锈蚀程度的钢筋与混凝土的粘结性能进行试验分析。取每种规格经除锈处理过的钢筋试件各5根，长650mm，分别预埋在强度等级为C45、直径为200mm、高250mm的圆柱体混凝土试件中。钢筋埋入混凝土深度为250mm，钢筋自由端长度约400mm，混凝土试件成型后立即送入标准养护室养护28d后取出进行钢筋抗拉拔试验。

测试不同锈蚀程度下各种规格钢筋的抗拉拔力，取钢筋拉断或混凝土发生劈裂破坏时的拉力荷载为每根钢筋的极限拉力，并计算其平均值（去掉最大、最小拉力值后再平均）作为该锈蚀率下的锈蚀钢筋抗拉拔力，以分析锈蚀钢筋的混凝土粘结力损失情况。各种规格锈蚀钢筋混凝土试件拉拔试验结果如表3所示。

表3 锈蚀钢筋混凝土试件拉拔试验结果

定义锈蚀钢筋与混凝土间的粘结力相对于未锈蚀钢筋的减少百分表为粘结力损失率，绘制钢筋与混凝土粘结力损失率与钢筋锈蚀率之间的曲线关系如图4所示。通过分析可以发现当钢筋锈蚀较小时（约小于3%），锈蚀钢筋与混凝土的粘结力较未锈蚀钢筋有增加的现象，当钢筋锈蚀率较大时（约大于3%）时，锈蚀钢筋与混凝土的粘结力低于未锈蚀钢筋，并呈现出随着锈蚀率的增加其粘结力减小的趋势。

图4 钢筋与混凝土粘结力损失与锈蚀率关系

4 性能分析

（1） 混凝土碳化和氯离子侵蚀是影响钢筋锈蚀的主要原因。引起混凝土碳化的因素包括水泥用量和品种、水灰比、骨料品种及颗粒级配、混凝土抗压强度、施工质量及养护、保护层厚度等；混凝土本身特性、氯离子扩散系数、氯离子浓度是影响氯离子侵入混凝土的主要因素。

（2） 钢筋锈蚀存在锈蚀孕育期、锈蚀发展期、锈蚀破坏期、锈蚀危害期四个阶段。锈蚀钢筋对混凝土结构的危害主要表现在导致钢筋的力学性能下降，影响钢筋和混凝土之间的粘结强度，甚至致使混凝土开裂、保护层脱落等。

（3） 钢筋锈蚀导致钢筋周围产生了锈蚀产物，钢筋截面减小等不良影响，进而会对其拉伸强度产生一定的影响。通过对长期停工工程中锈蚀钢筋的拉伸试验，当钢筋锈蚀率小于4%时，随着钢筋锈蚀率的增加，钢筋屈服强度、极限抗拉强度呈下降趋势，钢筋屈服强度、极限强度损失率与钢筋锈蚀率近似呈现线性关系。钢筋的断后伸长率和最大应力总延伸率随着钢筋锈蚀呈现出下降趋势。

（4） 由于钢筋锈蚀产物的存在，对钢筋周边混凝土产生了一定的挤压应力，在钢筋锈蚀率不大时，对钢筋与混凝土间的粘结强度有提升作用。但是随着锈蚀产物的增加，对钢筋周边混凝土的挤压应力达到了混凝土拉应力极限，混凝土开裂，将减小了钢筋与混凝土间的粘结力。通过对长期停工工程中锈蚀钢筋混凝土试件进行拉拔试验，试验结果表明当钢筋锈蚀率小于3%时，锈蚀钢筋与混凝土的粘结力较未锈蚀钢筋有所增加；当钢筋锈蚀率大于3%时，锈蚀钢筋与混凝土的粘结力呈现出随着锈蚀率的增加而减小的趋势。

5 结语

文中通过分析钢筋锈蚀机理及其危害，研究了长期停建工程锈蚀钢筋力学性能。通过对锈蚀钢筋进行拉伸实验和拉拔试验，发现随着钢筋锈蚀率的增加，钢筋屈服强度、极限抗拉强度出现了近似线性下降；当钢筋锈蚀率小于3%时，钢筋与混凝土的粘结力较未锈蚀钢筋有所增加；但当锈蚀率大于3%时，其粘结力呈现出随着锈蚀率的增加而减小。这也主要是由于钢筋锈蚀导致钢筋截面面积减小、产生的锈蚀产物对钢筋周围混凝土挤压作用的影响所致。