锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研究

周慧

武汉誉城千里建工有限公司 湖北武汉 430051

摘 要：本文阐述混凝土当中锈蚀钢筋的危害，介绍了锈蚀钢筋获取方法以及粘结试验方法，提出今后一段时间当中锈蚀钢筋粘结性能研究方向与研究重点。

关键词：锈蚀钢筋；混凝土；粘结性能

在钢筋混凝土结构当中，结合了钢筋与混凝土两者优点，属于世界上最常用的结构形式。但是钢筋锈蚀之后，将会对钢筋混凝土造成极大的影响。

1. 钢筋混凝土锈蚀原理

混凝土当中，钢筋锈蚀很多时候属于一个电化学反应过程。一般来说，混凝土孔隙当中充满着氢氧化钙过饱和溶液，混凝土当中含有很多的碱性物质，因此PH数值一般都在12以上。在这样的强碱环境当中，混凝土与钢筋之间很多时候会形成钝化膜，保护好钢筋。因此在正常情况下，钢筋不会出现锈蚀，但是钝化膜如果一旦受到破坏，在水氧充足的条件下，将会产生电化学腐蚀。由于钢筋出现了锈蚀，一方面会导致钢筋有效横截面减少，钢筋出现脆化。而另一方面，锈蚀产物体积膨胀还将会导致混凝土出现裂缝，进而导致混凝土承重能力和粘结作用下降，破坏共同工作的基础，进而严重影响结构安全性以及正常的使用性能。

2. 钢筋混凝土中钢筋锈蚀的主要影响因素

钢筋出现的锈蚀很多时候是由于阴极反应、阳极反应以及氢氧离子在水溶液当中的扩散来控制，阴极反应的主要因素是钢筋所在位置的水溶液当中氧含量，氧气的扩散过程又将会受到孔隙水饱和度、水灰比、保护层厚度等等各因素的影响。而阳极反应的主要因素则是酸碱度、氯离子浓度、温度的影响，氢氧根离子扩散速度很多时候则是混凝土电阻抗所表示。

3. 钢筋锈蚀方法

锈蚀钢筋的获取途径具体来说主要有四种，第一种方式是实际工程当中拆分下的老构件作为锈蚀钢筋试件，这种方法很多时候实在室外的自然条件下开展，可以反映出工程的真实情况，与之对应，没有锈蚀的对比构件很多时候难以获得，这就给钢筋锈蚀率的计算带来了影响与难度。其次第二种方式则是在大气环境当中使用自然裸露锈蚀的钢筋进行试件，这种方式主要针对于停建工程预留钢筋或捆绑之前的钢筋室外堆放引起的锈蚀情形。第三种方式就是人工机械模拟的钢筋构件，这种方式获取的锈蚀钢筋很多时候难以反映出真实的情况，只适合锈坑对钢筋材料力学性能的影响研究。第四种方法则是通电加速锈蚀的钢筋试件，由于锈蚀钢筋的周期较短，很多时候没有锈蚀的试件也就容易获得，这是一种比较常用的锈蚀方法。

4. 粘结试验方法

在结构当中，钢筋粘结部位受力状况狠毒哦时候较为复杂，难以准确进行模拟，常用的粘结试验，可以根据对应的目的归纳成为三种类型。首先是中心拔出试验，其次则是梁式试验，最后则是短埋长拔试验。目前来说不仅粘结试验研究的方法不同，同时对于同一种试验方法、试件的规格，比如说试件的横向尺寸、保护层厚度、钢筋埋入、粘结长度等等也并不同意。因此很多时候还没有哪一种方法可以真实并且完成的反映出钢筋与混凝土之间的粘结性能，粘结试验方法还处于不断研究的过程中。

5. 锈蚀钢筋与混凝土粘结性能退化

有关于锈蚀钢筋混凝土粘结性能退化的机理，当下有了比较一致的看法。钢筋的锈蚀产物很多时候属于一种结构疏松的氧化物，在钢筋混凝土当中，这种氧化物形成一层疏松隔离层，这一隔离层的出现明显的改变了钢筋与混凝土的接触表面，降低了钢筋与混凝土之间的粘结作用。钢筋的锈蚀产物很多时候要比锈蚀钢材占据更大的体积，从而对包围在钢筋周围的混凝土产生径向膨胀力，这一膨胀力达到一定程度之后，就会引起混凝土开裂。混凝土开裂很多时候后会导致混凝土对钢筋的约束力随之检索，钢筋与混凝土之间的粘结性能退化而加剧这一反应。开裂引起的粘结性能退化对于光圆钢筋和变形钢筋又有所不同，对于光圆钢筋，在混凝土保护层尚未开裂之前，由于钢筋和混凝土之间的挤压力增加，就会提升钢筋与混凝土之间的粘结性能。但是一旦保护层锈蚀开裂，那么外围混凝土对于钢筋的约束力将会随之价格低，粘结性能也就会急剧衰退。而对于带肋钢筋，由于横肋的锈蚀，降低了钢筋与混凝土之间的机械咬合力，钢筋锈蚀对于整体粘结性能的影响并不像光圆钢筋一样直到保护层开裂才能够表现出来，在锈蚀率较小时，就会使钢筋与混凝土之间的粘结性能随之衰退。总体来说，混凝土保护层锈蚀开裂之后，外围混凝土对钢筋的约束力将会随之降低，进而破坏钢筋与混凝土之间的粘结锚固作用，这也会降低钢筋混凝土构件或者结构的承载力以及实际使用性能。下图为钢筋混凝土锈蚀过程中，导致钢筋与混凝土之间的结合强度下降实际图。

图1 钢筋腐蚀导致混凝土与钢筋结合强度下降

6. 粘结滑移本构关系

在钢筋混凝土有些结构的设计以及分析过程中，要求钢筋与混凝土之间的粘结应力具有对应的滑移本构关系，比如说计算钢筋的锚固或者搭接长度、非线性有限远分析当中的粘结单元，计算抗震构件以及节点位置的钢筋滑移变形量等等。但是相对来说较为常见的一些粘结滑移关系，都没有考虑到钢筋锈蚀产生的影响，因此建立考虑钢筋锈蚀影响的粘结滑移本构关系，都没有考虑到钢筋锈蚀产生的影响，因此需要建立考虑到钢筋锈蚀影响的粘结滑移本构关系，属于既有构件或者结构安全性、耐久性评估的基础所在。在近些年来发展的过程中，不少学者都针对于这些方面进行了研究与分析，比如说有学者根据拔出破坏试验将粘结滑移过程分为了五个阶段，分别是微滑移阶段、滑移阶段、劈裂阶段、下降阶段、残余阶段。而根据曲线的临界转折点，可以定义四个粘结强度特征数值，分别时滑移强度、劈裂强度、极限强度、残余强度以及对应的特征滑移量。其次，有些学者使用钢筋开槽、内贴应变片的试验，建立了考虑锚固位置影响的粘结滑移本构关系。除此之外，也有学者研究了混凝土保护层胀裂时及胀裂之前锈蚀对无横向约束光圆钢筋混凝土试件粘结性能的影响机理，提出光圆钢筋粘结应力计算模型。但是站在整体上来说，对锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移本构关系的研究很多时候也较为有限，目前依旧停留在试验统计以及定性分析阶段。

结束语

在当下，锈蚀钢筋主要是通过通电快速锈蚀的方法来获得，是这种方式与自然锈蚀之间有着一定的区别，而这两种方法相关性较差，目前来说这方面的研究比较少。在今后研究的过程中，需要研究这两者之间的联系，让试验数据可以更加接近自然环境的实际情况。其次则是需要对于锈蚀之后本构关系的研究依旧停留在试验统计的定性分析阶段，需要进一步的研究。最后则是需要通过对钢筋混凝土锈蚀之后粘结性能来明确构件可靠性以及剩余的寿命评估，建立可靠度方程将会是研究的重点方向。

参考文献：

[1]郑山锁,杨建军,郑跃,董立国,温桂峰,姬金铭.锈蚀钢筋混凝土粘结滑移性能综述[J].材料导报,2020,34(S2):1221-1226.