引言

    鋼筋混凝土是鋼筋和混凝土材料的有機(jī)結(jié)合體，它有效發(fā)揮了鋼筋的抗拉性和混凝土材料的抗壓性，具有整體性優(yōu)、性價(jià)比高、耐火、抗凍、防水等諸多特點(diǎn)。自從波特蘭水泥問世至今，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛地在土木、水利、港口、橋梁等領(lǐng)域得以運(yùn)用，一直被當(dāng)作工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選形式。目前在鋼筋混凝土工程中普遍存在的問題就是鋼筋腐蝕導(dǎo)致的耐久性不足，而由于耐久性不足引發(fā)的實(shí)際工程問題也越發(fā)嚴(yán)重  。綜合國內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在由于氯化物污染腐蝕鋼筋和混凝土碳化而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性下降問題，腐蝕鋼筋結(jié)構(gòu)的耐久性破壞所引發(fā)的重大安全事故不在少數(shù)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失 。1967 年建于美國明尼蘇達(dá)州的跨密西西比河標(biāo)號(hào) 1-35W 鋼筋混凝土公路拱橋，使用了僅僅 20 多年就出現(xiàn)橋體嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，在采用局部修補(bǔ)方法進(jìn)行修復(fù)后不久又出現(xiàn)了腐蝕和混凝土裂縫問題，最終于 2007 年發(fā)生重大坍塌事故；臺(tái)灣地區(qū)不斷發(fā)生的“海砂屋”事件和濱海橋梁建筑受損問題，也是由于氯鹽導(dǎo)致鋼筋混凝土腐蝕所造成的；于 1979 年建成的北京西直門立交橋，在常年冬季撒鹽除冰的“鹽害”下使用不到 20 年就被迫拆除重建，直接造成經(jīng)濟(jì)損失萬元。“五倍定律”是由國外學(xué)者提出的概念：即如果設(shè)計(jì)初期忽視鋼筋防護(hù)技術(shù)要求而少投入 1 美元，后續(xù)在銹蝕問題暴露后將投入費(fèi)用 5 美元用以維修，而在保護(hù)層混凝土表面發(fā)生順筋開裂后則需要花費(fèi) 25 美元用以加固修復(fù)，最后當(dāng)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞時(shí)所投入的維修費(fèi)將高達(dá) 125 美元。因此，鋼筋腐蝕已成為威脅結(jié)構(gòu)安全的最大因素 。在大量已建成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于建造時(shí)重視度不夠，采用了大水灰比、薄保護(hù)層、摻加氯化物作為早強(qiáng)劑等較差的護(hù)筋技術(shù)條件直接引起了鋼筋的腐蝕破壞，同時(shí)加上一些極端惡劣侵蝕條件下施工技術(shù)質(zhì)量的控制不到位加劇了病害的發(fā)展，急需經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施。

    鋼筋腐蝕損傷原理

    鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役初期，由于混凝土中孔隙液的高堿性（pH 值 ＞12. 5）在鋼筋表面形成了一層鈍化層，有效防止了鋼筋遭受腐蝕侵蝕。而后期混凝土的碳化和氯離子侵蝕將導(dǎo)致鈍化膜的破壞，進(jìn)而引發(fā)了鋼筋的腐蝕。混凝土碳化主要表現(xiàn)為大范圍的全面腐蝕，而氯離子的侵入則表現(xiàn)為局部點(diǎn)蝕、坑蝕，雖然點(diǎn)蝕的腐蝕面積較小但腐蝕深度較大，易引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，出現(xiàn)毫無征兆的脆性破壞。

    混凝土碳化是水泥漿體中的堿性組分 （ 如、KOH 、Ca（OH） 2 ）和水化硅酸鈣）與空氣中的二氧化碳（CO 2 ）發(fā)生化學(xué)中和反應(yīng)。

    由于孔隙中的氫氧化鈣的消耗以及水溶液中碳酸鈣的沉淀，導(dǎo)致孔隙液 pH 值從最初大于 12. 5 急劇下降至 6 ～ 9，鋼筋表面鈍化層中 FeO、伴隨著－離子濃度的減少而被分解，造成了鋼筋表面的鈍化膜破壞，進(jìn)而引發(fā)混凝土保護(hù)層下的鋼筋腐蝕。

    氯離子的侵入加劇了鋼筋的腐蝕，混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕，其本質(zhì)是一種電化學(xué)腐蝕，可分為“陽極”和“陰極”2 個(gè)腐蝕過程。氧化反應(yīng)發(fā)生于鋼筋陽極：鋼筋中的鐵原子失去電子轉(zhuǎn)化為鐵離子，鐵基體發(fā)生損耗；還原反應(yīng)發(fā)生在鋼筋陰極：水和氧氣接收陽極轉(zhuǎn)移的電子生成了氫氧根離子（圖 1）。鋼筋電化學(xué)腐蝕如圖 1 所示

        在鋼筋腐蝕反應(yīng)過程中，氯離子－破壞了鋼筋表面的鈍化膜形成腐蝕電池，同時(shí)搬運(yùn)走鋼筋陽極產(chǎn)物，加速陽極腐蝕反應(yīng)，主要起到催化作用。同時(shí)在電化學(xué)腐蝕過程，氯離子－不被消耗，強(qiáng)化了腐蝕陰陽兩級的離子通路，使得兩極之間的電阻有效降低，提高了整個(gè)腐蝕電池反應(yīng)效率，促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕的過程。

   鋼筋腐蝕造成的破壞形式

    混凝土中鋼筋銹蝕后將產(chǎn)生體積膨脹，其銹蝕產(chǎn)物鐵銹的體積為原始鋼筋體積的 2 ～4 倍，鋼筋體積的擴(kuò)大將導(dǎo)致在鋼筋和混凝土的交界面上產(chǎn)生環(huán)向壓力，稱為鋼筋銹蝕膨脹力，當(dāng)銹脹較為嚴(yán)重時(shí)混凝土?xí)捎谥骼瓚?yīng)力過大而開裂破壞。大量的研究表明，鋼筋腐蝕對混凝土結(jié)構(gòu)承載力破壞的影響類型主要分為：①鋼筋力學(xué)性能退化，有效截面面積減少；②導(dǎo)致鋼筋保護(hù)層混凝土破壞發(fā)生剝落和順筋裂縫；③破壞了混凝土和鋼筋之間的粘結(jié)界面，降低了混凝土和鋼筋兩相的協(xié)同工作效應(yīng)  。

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    1 鋼筋力學(xué)性能的退化

    鋼筋銹蝕后，截面面積減小、在鋼筋表面出現(xiàn)大大小小的點(diǎn)蝕坑，鋼筋力學(xué)性能急劇劣化，其屈服強(qiáng)度、極限伸長率、抗拉性能都明顯降低，對于預(yù)應(yīng)力鋼筋更容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。近年來國內(nèi)外大量的學(xué)者分別通過電化學(xué)銹蝕試驗(yàn)、工程實(shí)際構(gòu)件的承載力試驗(yàn)、有限元方法進(jìn)行數(shù)值分析等多種手段，對銹蝕鋼筋的力學(xué)性能退化展開了研究。Capozucca 和惠云玲 的研究認(rèn)為：當(dāng)鋼筋銹蝕率小于 1% 時(shí)，其力學(xué)性能指標(biāo)和原材料基本相同；當(dāng)銹蝕率小于且腐蝕比較均勻時(shí)，熱軋鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線尚存在較為明顯的屈服點(diǎn)，鋼筋屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)與原材料大致相符，鋼筋伸長率基本符合規(guī)范要求，但是在計(jì)算結(jié)構(gòu)承載力時(shí)需要考慮界面的折減系數(shù)。Shuenn-Chem Ting 等 采用有限差分法編制計(jì)算程序計(jì)算了鋼筋截面損失對鋼筋混凝土梁承載力的影響，但并未考慮鋼筋強(qiáng)度降低和粘結(jié)力損失等因素。張平生等 的研究認(rèn)為銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度的降低與鋼筋截面損失率呈線性比例關(guān)系。袁迎曙 認(rèn)為當(dāng)鋼筋的平均銹蝕率小于時(shí)發(fā)生的是“均勻”銹蝕，而鋼筋表面的坑蝕會(huì)大大降低鋼筋的屈服強(qiáng)度。盧木等 認(rèn)為隨著腐蝕程度的加深，大面積的不均勻腐蝕導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變曲線屈服平臺(tái)逐漸縮短，鋼筋極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，極限伸長率減小其其減小程度遠(yuǎn)大于鋼筋截面銹蝕率。丁威等 通過對周期 10 年的銹蝕鋼筋混凝土試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銹蝕鋼筋力學(xué)性能衰減以延伸率最為敏感。黃振國等研究發(fā)現(xiàn)，銹蝕鋼筋的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度由鋼筋的銹蝕率和銹蝕不均勻系數(shù)共同決定。

    實(shí)際情況中鋼筋的腐蝕具有極大的隨機(jī)性，造成銹蝕鋼筋的結(jié)構(gòu)形狀、材料參數(shù)的不確定，使結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜。研究表明鋼筋最大銹蝕坑深度、銹蝕坑的分布等滿足概率隨機(jī)分布，因此可以考慮在概率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合不均勻分布于銹蝕鋼筋表面的輪廓曲線，采用隨機(jī)有限元的方法對實(shí)際銹蝕鋼筋的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。

     2 混凝土保護(hù)層的破壞

    鋼筋腐蝕銹脹后，體積擴(kuò)大為原來的 3 倍，在周圍混凝土的限制作用下，在混凝土和鋼筋的交界面四周存在有鋼筋銹脹力。鋼筋銹脹力不僅會(huì)影響鋼筋與混凝土界面之間的粘結(jié)性能，同時(shí)會(huì)造成混凝土破裂、剝落、截面性能損傷。金偉良等利用彈性力學(xué)理論分析影響鋼筋銹脹力的因素，研究了在鋼筋均勻腐蝕條件下外圍保護(hù)層混凝土脹裂的時(shí)刻和鋼筋銹脹力的計(jì)算公式，認(rèn)為鋼筋銹脹力最顯著的影響因素是鋼筋銹蝕率。Capozucca 通過研究認(rèn)為，鋼筋銹脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土受壓區(qū)處于雙軸異號(hào)受力狀態(tài)，此時(shí)混凝土將沿銹蝕鋼筋縱向脹裂，混凝土出現(xiàn)受壓軟化現(xiàn)象，完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，嚴(yán)重影響了鋼筋混凝土構(gòu)件的延性性能。張喜德等對混凝土抗壓強(qiáng)度與鋼筋銹脹應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)論是：在混凝土開裂之前鋼筋的銹蝕量很小，銹蝕導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，在混凝土銹脹開裂之后，其抗壓強(qiáng)度有略微回升趨勢。李悅等利用 ABAQUS 有限元分析軟件，模擬了不均勻銹蝕條件下銹蝕鋼筋的膨脹應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)由于鋼筋銹蝕膨脹導(dǎo)致混凝土的最大主拉應(yīng)力最大，且其值隨著路徑映射距離的增加而逐步減小。薛圣廣利用數(shù)值軟件研究了鋼筋不均勻銹脹在結(jié)構(gòu)角區(qū)和非角區(qū)對周邊混凝土的應(yīng)力響應(yīng)，同時(shí)通過在徑向施加不均勻位移，得到了鋼筋外部保護(hù)層中混凝土的應(yīng)力分布規(guī)律。

    混凝土的損傷不僅與鋼筋銹脹有關(guān)，混凝土本身的碳化和化學(xué)侵蝕也使其材料性能發(fā)生了變化，以往在試驗(yàn)中對加速腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件或者在役腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的保護(hù)層混凝土損傷研究中往往忽略了混凝土腐蝕初期的劣化作用。受腐蝕混凝土的力學(xué)特性研究是腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能的研究的基礎(chǔ)，對于受腐蝕混凝土自身的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則目前尚未取得清晰的研究結(jié)論，從而導(dǎo)致腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算與分析工作無法更好地反映真實(shí)情況。

     3 鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的下降

    鋼筋腐蝕后，在其表面產(chǎn)生了一層不均勻結(jié)構(gòu)疏松氧化物隔離層，損傷了混凝土和腐蝕鋼筋的接觸表面；周圍保護(hù)層混凝土在鋼筋銹蝕產(chǎn)物的徑向膨脹力作用下發(fā)生開裂，減弱了其對鋼筋的有效約束作用；同時(shí)鋼筋發(fā)生腐蝕后，其變形肋將逐漸退化，周圍混凝土和變形肋之間的機(jī)械咬合作用逐漸消失導(dǎo)致混凝土和鋼筋之間的界面粘結(jié)性能不斷劣化，降低了混凝土和鋼筋材料的協(xié)同工作效應(yīng)。研究表明，在鋼筋銹蝕的初期，當(dāng)銹蝕率小于 1% 時(shí)，腐蝕所引起的鋼筋銹脹增加了鋼筋與混凝土的裹握力，從而提高了混凝土和鋼筋兩者之間的粘結(jié)強(qiáng)度然而伴隨著腐蝕發(fā)展，鋼筋銹蝕率隨之增加，鋼筋表面的片狀腐蝕及金屬滑移縱向裂紋的擴(kuò)張等因素，粘結(jié)強(qiáng)度將大幅度下降  。X. Fu 通過試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，在銹蝕裂縫出現(xiàn)初期，銹蝕提高了光圓鋼筋表面的粘結(jié)強(qiáng)度，而變形鋼筋的銹蝕強(qiáng)度卻相較無銹蝕狀態(tài)有所降低。范穎芳等 試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的工程構(gòu)件中混凝土和銹蝕鋼筋的粘結(jié)能力下降幅度在 20% ～ 50%。Amleh  通過試驗(yàn)給出了粘結(jié)強(qiáng)度與鋼筋銹蝕率之間的關(guān)系曲線和粘結(jié)強(qiáng)度與裂縫寬度的關(guān)系曲線。為了更加準(zhǔn)確地分析銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力變化，大量的工作研究旨在找出準(zhǔn)確的鋼筋混凝土粘結(jié)—滑移本構(gòu)模型。趙羽習(xí)等 在鋼筋拔出試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析了銹蝕后的鋼筋應(yīng)力 、混凝土和銹蝕鋼筋之間粘結(jié)應(yīng)力 以及相應(yīng)的兩者相對的滑移量 關(guān)系，總結(jié)出了應(yīng)力與滑移量三者的解析表達(dá)式，得出了不同位移條件下 關(guān)系變化規(guī)律。孫彬等 以鋼筋銹蝕率和軸壓比為變量利用有限元分析軟件 ANSYS 對單調(diào)加載受彎銹蝕鋼筋混凝土柱進(jìn)行了全程分析，研究得出不同軸壓比條件下壓彎柱的屈服位移、屈服剪力和極限位移、極限剪力與鋼筋銹蝕率的退化關(guān)系。

    對于銹蝕鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能的研究，目前國內(nèi)外學(xué)者主要還是采用基礎(chǔ)試驗(yàn)方法，然而在試驗(yàn)中所使用的構(gòu)件中鋼筋腐蝕程度往往不易控制且費(fèi)事費(fèi)工，采用有限元進(jìn)行數(shù)值模擬仿真的方法能彌補(bǔ)試驗(yàn)中的不足，分析結(jié)果離散性小、成本代價(jià)低，但是限于現(xiàn)有的研究水平，無法給出準(zhǔn)確的混凝土和鋼筋界面的粘結(jié)—滑移本構(gòu)模型。現(xiàn)有的數(shù)值模擬中所采用的粘結(jié)—滑移本構(gòu)關(guān)系，主要還需要通過試驗(yàn)研究來獲得。

    鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)技術(shù)

    混凝土中的鋼筋銹蝕一般分為 2 個(gè)階段：初始階段 （ Initiation stage） 和 擴(kuò) 展 階 段。當(dāng)鋼筋表面的鈍化膜受到破壞出現(xiàn)銹蝕之后，溫度、氧氣擴(kuò)散濃度、孔隙液 pH 值、混凝土中的相對濕度（電阻率）都對鋼筋的腐蝕速率有一定影響 。實(shí)踐證明，對于在復(fù)雜惡劣條件下工作的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在建造和服役階段需要充分考慮鋼筋防腐的要求。現(xiàn)主要防護(hù)技術(shù)有內(nèi)摻阻銹劑法、外涂層法、陰極保護(hù)法以及采用特殊材料的方法。

    內(nèi)摻阻銹劑法。內(nèi)摻阻銹劑根據(jù)其所使用的材質(zhì)種類可分為無機(jī)類和有機(jī)類；根據(jù)其工作原理可分為陰極型、陽極型以及混合型阻銹劑  。在混凝土拌制過程中摻加化學(xué)阻銹劑，使其優(yōu)先參與并抑制鋼筋陰陽兩極與周圍電解質(zhì)界面上的電化學(xué)反應(yīng)來阻止鋼筋腐蝕。國內(nèi)外大量研究表明：采用鋼筋阻銹劑的方法，能夠有效防止并減緩混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕。同時(shí)由于其成本低廉、使用方便而且經(jīng)濟(jì)效應(yīng)高，在實(shí)際工程運(yùn)用中大量使用，是目前主要的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕防護(hù)技術(shù)措施。

    外涂層法。按作用機(jī)理可分為覆蓋層、隔離層、滲透層，按材質(zhì)類別可分為水泥基、樹脂類、聚合物涂層等 。外涂層具有隔離鋼筋混凝土與周圍腐蝕環(huán)境的功能，可以有效保護(hù)混凝土自身防止外部有害氯離子侵入，同時(shí)也可以起到裝飾效果。

    底層涂料（封閉漆）由于其低黏度性以及高滲透能力的特點(diǎn)，能夠有效封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙，有利于提高后續(xù)防腐涂層對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)表面的附著力。但是由于外涂層在荷載作用和外部環(huán)境的侵蝕下容易出現(xiàn)開裂、破損的狀況，而再次涂覆又比較困難，所以在使用時(shí)必須解決涂層中的附著力和耐堿性等方面的問題。

    陰極保護(hù)法。根據(jù)陰極保護(hù)原理，通過犧牲陽極或施加外加電流的方法，使得混凝土內(nèi)部的鋼筋受到電化學(xué)保護(hù)。陰極保護(hù)可以用于潮濕地下環(huán)境、海水環(huán)境下的獨(dú)立結(jié)構(gòu)構(gòu)件腐蝕防護(hù)，但是在使用時(shí)必須嚴(yán)格控制保護(hù)電位的范圍，特別是對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，需要注意防止由于析氫而引發(fā)的裹握力降低以及氫脆的情況發(fā)生。

    采用特殊材料法。制造鋼筋混凝土構(gòu)件時(shí)鋼筋與混凝土材料的選取直接決定了后期結(jié)構(gòu)的防腐性能的優(yōu)劣。特殊鋼筋的選取有耐腐蝕鋼筋、鍍鋅鋼筋、不銹鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋等。混凝土的選取通常需要具有高強(qiáng)度、壓密實(shí)和不透水的特性，采用新型混合混凝土材料（如樹脂浸透的混凝土等）能夠有效地防止內(nèi)部鋼筋腐蝕，提高結(jié)構(gòu)后期承載力及耐久性。

    展望

    現(xiàn)有國內(nèi)外對腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件承載力研究大都是基于試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，雖然試驗(yàn)研究能夠比較真實(shí)地模擬構(gòu)件實(shí)際銹蝕損傷情況，相對直觀具體地體現(xiàn)腐蝕鋼筋混凝土力學(xué)性能的退化，但是試驗(yàn)研究工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，開展大量的試驗(yàn)研究難度較大。而數(shù)值模擬的方法能夠有效彌補(bǔ)試驗(yàn)的不足，現(xiàn)有的大部分?jǐn)?shù)值模擬研究只考慮了銹蝕鋼筋和混凝土的宏觀力學(xué)特性和變形，忽視了銹蝕產(chǎn)物對于鋼筋和混凝土材質(zhì)的界面效應(yīng)。但是由于影響鋼筋腐蝕及鋼筋混凝土界面粘結(jié)性能破壞機(jī)理比較復(fù)雜，暫時(shí)缺乏一套論據(jù)充分、較完整的粘結(jié)滑移模型使得有限元數(shù)值分析的工作存在一定困難。同時(shí)，現(xiàn)有的腐蝕鋼筋混凝土防護(hù)技術(shù)，往往只考慮了防腐層面的技術(shù)要求，而忽視了結(jié)構(gòu)承載力方面的考量。后期的研究可以結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移的界面問題，考慮不同時(shí)刻鋼筋表面腐蝕程度對鋼筋混凝土界面力學(xué)特性的影響，建立損傷界面模型，采用均勻化思想，根據(jù)鋼筋混凝土的腐蝕損傷界面力學(xué)特性推導(dǎo)出腐蝕鋼筋混凝土材料的宏觀有效模量的表達(dá)式，更加準(zhǔn)確地計(jì)算在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在腐蝕條件下的實(shí)時(shí)承載力，簡化數(shù)值模擬工作量，提高計(jì)算結(jié)果精度，更好地指導(dǎo)構(gòu)件建造初期和后期的結(jié)構(gòu)修復(fù)工作以及表面防腐涂層和加固材料的制備，以滿足結(jié)構(gòu)承載力修護(hù)的技術(shù)要求。