混凝土中钢筋锈蚀对结构耐久性的影响毕业论.doc

毕业设计（论文）题 目：混凝土中钢筋锈蚀对结构耐久性的影响 指导教师： 站 点： 学 号： 专 业： 年 级： 姓 名： 2014 年 6 月毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重承诺网络教育 专升本 层次土木工程 专业的毕业论文 混凝土中钢筋锈蚀对结构耐久性的影响 的主要观点和思想系本人独立思考完成，并在此申明我愿承担与上述承诺相违背的事实所引起的一切消极后果。签名：年 月 日 混凝土中钢筋锈蚀对结构耐久性的影响Influence of reinforcing steel corrosion in concrete structure durability摘要钢筋混凝土结构是土木工程中应用最广泛的结构形式之一，自从钢筋混凝土问世以来，推动着建筑工业的飞速发展，然而由于荷载作用和环境侵蚀使得混凝土中的钢筋容易发生锈蚀，造成钢筋混凝土结构发生耐久性破坏。钢筋锈蚀是一个比较普遍并且严重威胁结构安全的耐久性问题，是造成钢筋混凝土耐久性损伤的最主要和最直接因素，也是混凝土结构耐久性破坏的主要形式之一。本文介绍了钢筋混凝土中钢筋的作用、钢筋锈蚀的原因、钢筋锈蚀对结构耐久性的影响，同时针对钢筋锈蚀的原因提出提高结构耐久性和预防钢筋锈蚀的措施，最后写到对于钢筋混凝土耐久性的发展展望关键词： 钢筋锈蚀；结构耐久性；混凝土 AbstractReinforced concretestructure is one of the mostwidely usedstructure form in civil engineering,since theadvent ofreinforcedconcrete,driving the rapid development ofthe construction industry,however,due to loading andenvironmental erosionhas reinforced concretein theprone tocorrosion,resulting inthe reinforced concretestructuredurability damage.Corrosion of reinforcementis a relativelycommon andserious threat to the safetyof thestructuredurability,the durability of the reinforced concreteiscaused by thedamageof the most important and direct factor,is also one of the mainformsof durability of concrete structure damage.This paper introducesthefunctionof reinforced concrete,steel corrosionreasons,steel corrosion on thedurability of structures，and reasons for thecorrosion of reinforcementis proposed to improve the structure durabilityandcorrosionpreventionmeasures,and finallywrote to the developmentprospect ofreinforced concrete durability.Keywords: Steel corrosion; The durability of the structure; ConcreteII目 录摘要IAbstractII1 前言111 钢筋混凝土中钢筋的作用112 钢筋混凝土的特点213 混凝土结构耐久性研究的必要性314 混凝土结构耐久性研究的特点52 混凝土结构钢筋锈蚀损伤721 钢筋锈蚀研究的重要性722 钢筋锈蚀的化学机理和条件923 钢筋锈蚀产生的原因1124 混凝土中的钢筋锈蚀破坏过程及破坏特征143 钢筋锈蚀对结构耐久性的影响1831 钢筋锈蚀后对钢筋的力学性能的影响1832 钢筋锈蚀后对钢筋与混凝土协同工作性能的影响2033 钢筋锈蚀后对钢筋混凝土结构性能的影响2134 工程实例224 提高结构耐久性以及预防钢筋锈蚀的措施2741 保证钢筋有足够的保护层厚度2742 提高混凝土的质量2843 改善钢筋工作的环境条件3144 限制混凝土中氯离子含量325 混凝土结构耐久性发展展望3451 加强混凝土结构耐久性的基础研究3452 适当提高混凝土结构耐久性设计、施工和维护水平35结束语37致谢38参考文献391 前言1.1钢筋混凝土中钢筋的作用混凝土具有许多优点，如抗压性能好，有良好的耐火性能和耐久性能，可根据不同要求配制各种不同性质的混凝土，在凝结前具有良好的可塑性，因此，可以浇筑成各种形状和大小的构件或结构物，经硬化后抗压强度高与耐久性能好的特性，其组成材料中，砂和石等地方材料占80%以上，符合就地取材和经济的原则。由于混凝土具有上述各种优点，无论是工业与民用建筑，给水与排水工程、道路工程、桥梁工程、水利工程以及地下工程、国防建设等都广泛地应用混凝土。因此，它是一种主要的土木工程材料，在国家基本建设中占有重要地位。相对于混凝土具有抗压强度高的优点，混凝土的缺点也非常明显，其抗拉强度和抗剪强度很低，受拉时变形能力小，在直接受拉时，很小的变形就要开裂，它在断裂前没有残余变形，是一种脆性破坏。混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/101/20，且随着混凝土强度等级的提高，比值有所降低，因此，混凝土在工作时一般不依靠其抗拉强度，未加钢筋的混凝土也极少被单独使用于工程。从材料的物理力学性能来看，混凝土只具有较高的抗压强度，抗拉强度很低，但钢筋具有较高的抗拉强度，而且两者的弹性模量较接近，有着近似的膨胀系数(混凝土为（1.01.5)10-5，钢筋为1.210-5)，不会由环境温度不同而发生相应的温度变形，其次钢筋与混凝土之间有良好的粘结力，有时钢筋的表面也被加工成有间隔的肋条（称为变形钢筋）来提高混凝土与钢筋之间的机械咬合，使钢筋混凝土紧密连接，协同工作，不易因热胀冷缩而脱离或引起破坏。此外，混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，在钢筋表面形成了一层钝化保护膜，使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易腐蚀。因此在混凝土中加入钢筋，可以很好改善混凝土抗拉强度低的缺点，由钢筋承担拉力，混凝土承担压力，这样既发挥了各自的受力性能，又很好地协调工作，共同承担结构构件所承受的外部荷。1.2钢筋混凝土的特点钢筋混凝土结构以其广泛的适用性和低廉的造价在现代化建设中得到普遍的应用，钢筋混凝土问世以来，推动着建筑业的飞速发展，使现代建筑向更高层、更大跨度、更大负荷能力的方向发展。钢筋混凝土结构的优越性能使之成为建筑、桥梁以及公路交通等建设中的重要结构形式，它在绝大多数人的心目中是一种坚不可摧的结构形式。然而由于外界侵蚀环境的影响，钢筋混凝土并非如人们所认识的那样是一种寿命可达百年而不会受到损坏的结构材料。钢筋的锈蚀对钢筋混凝土结构的耐久性影响极大，尤其是在氯盐环境（如海泮及沿海、盐碱地）及人为造成的氯盐条件下（道路除冰盐、含氯盐外加剂、使用海砂等），世界各地不同程度地受到钢筋锈蚀带来的危害，造成了严重的经济损失。国内外研究表明，在非腐蚀性介质作用下，混凝土构件的使用寿命基本上取决于混凝土完全碳化的时间，而在腐蚀性介质作用下，钢筋的腐蚀还取决于促进腐蚀的离子浓度，如果腐蚀作用集中于局部，即使混凝土未完全碳化，钢筋也会受到腐蚀。据资料介绍，在约21.4%的钢筋混凝土结构损坏是因为钢筋锈蚀引起的。美国一项调查显示，美国的混凝土 设施工程总价值为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中有20万座己有损坏，平均每年有150200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年，美国共建设有混凝土水坝3000座，平均寿命30年，其中约有32%的水坝年久失修。在我国的工业和民用建筑中，钢筋混凝土结构也占有相当的比例，其老化现象非常严重。有关调查表明，我国初期的建筑均己达到必须大修的状况，现有的大多数工业建筑也己不能满足安全、经济使用50年的要求，尤其是处于恶劣环境下的桥梁、码头等。如图1.2.1、图1.2.2。我国目前的基础设施建设工程规模宏大，每年高达2万亿人民币以上，照此来看，约3050年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费用和重建费用将更为巨大，因此，必须通过提高混凝土耐久性来降低巨额的维修和重建费用。 1.3混凝土结构耐久性研究的必要性世界上一般国家的基本建设大体上都可分为三个阶段：第一阶段为大规模新建，第二阶段为新建与维修改造并重，第三阶段为重点转向旧建筑物的维修改造。随着我国经济建设飞速发展，人们生活水平不断提高，特别对房屋的耐久性问题非常关注，我国现行规范已把房屋耐久性问题作为主要性能编入。以往人们普遍认为，钢筋混凝土是耐久性非常好的材料，钢筋混凝土结构是无比坚固、不会自然损坏和失效的，但是有许多房屋和桥梁因混凝土结构耐久性问题而引起倒塌。如图1.3.1、图1.3.2，东北某市百货商店因混凝土保护层剥落、钢筋过早锈蚀而引起房屋结构倒塌。如图1.3.3、图1.3.4上海高阳大楼辅助建筑耐久性损伤，混凝土严重碳化，主筋不同程度锈蚀、箍筋锈断，引起胀裂和混凝土保护层剥落等问题。 混凝土结构耐久性问题不容忽视，我国人口众多，过去为及时解决居住需要和促进工业生产，建造过不少质量不高的民用房屋和工业厂房。近几年房屋开发中反映的质量问题也很突出，不少新建好的商品房，未使用几年就需要修复，给国家造成极大浪费。我国是一个发展中大国，正在从事大规模基本建设中，由于我国财力有限，能源短缺，因此，要有效地利用资金，节约能源，既要科学地设计出安全、适用、耐久的工程项目，还要充分地、合理地、安全地延续利用现有房屋资源和工程设施。不仅中国如此，国外也是如此，仅就桥梁而言，1998年由美国国家材料顾问委员会提报生称约有25.3万座钢筋混凝土桥腐蚀破坏，而且每年还将增加3.5万座，40%承载力不足需要修复加固处理，仅混凝土桥梁每年修复费用高达1550亿美元。调查表明，美国全年各种因腐蚀造成的损失为700亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占40%。混凝土耐久性已是当今世界的重大问题，在第二届国际混凝土耐久性会议上，梅塔教授指出：“当今世界混凝土破坏原因，按递减顺序是：钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用”。他明确将“钢筋锈蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位。而来自海洋环境和使用“防冰盐”中的氯盐，又是造成钢筋锈蚀的主要原因。当然，混凝土中性化、冻融等也促进钢筋腐蚀破坏。我国海港码头不能耐久，北方使用化冰盐，桥梁道路遭破坏。以北京立交桥为例，仅使用19年的西直门立交桥，钢筋锈蚀破坏十分明显与严重。我国存在着广泛的腐蚀环境，北方地区使用化冰盐有增无减，而桥梁道路却未采取应有的防护措施(甚至“规范”中无防盐腐蚀要求)；我国海岸线很长，而大规模的基本建设大都集中于沿海地区，以往的海港码头等工程，多数达不到设计寿命要求；特别是沿海一带河砂已呈短缺现象，滥用海砂则其害无穷；我国还有广泛的盐碱地(石油基地)，其腐蚀条件更为苛刻；特别应该指出的是，我国工业环境中的建筑物，其钢筋锈蚀破坏十分普遍与严重，有调查报告表明，大多数工业建筑达不到设计寿命的年限，目前正在进入大规模修复的时期。因此，我国钢筋锈蚀破坏的形势十分严峻。钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要而迫切需要加以解决的问题，通过开展钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对己有建筑结构进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以及对其正确处理的方法。另一方面也可对新建筑工程项目耐久性设计与研究揭示影响结构寿命的内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量，确保混凝土结构生命过程的正常工作。因此，加强混凝土结构耐久性研究，提高设计质量，延长结构使用寿命，具有极其重要的意义。1.4混凝土结构耐久性研究的特点混凝土结构耐久性研究的特点主要有三个方面首先具有理论与实际相结合的特点。混凝土结构耐久性研究过程，要注重理论基础，又要切合工程实际，这样才具有较高的理论价值和实用价值，必须从大量的实际建筑物因耐久性失效案例中去寻找理论依据，找到原因和解决问题的有效途径。其次，具有定性与定量相结合的特点，结构耐久性不良的事例在二十世纪七八十年代频繁发生，典型情况为，对处于冰冻与潮湿环境的结构，设计中没有对混凝土抗冻性能提出要求，随着对混凝土耐久性研究的逐步深入和混凝土生产与施工技术的进步，大多数国家的标准规范都按照混凝土耐久性破坏的因素与强弱，将结构设计中规定相应技术措施提高混凝土耐久性，这只能定性分析，后来到八十年代中期，混凝土耐久性的定量化研究取得了突破，许多学者尝试建立各种破坏因素导致混凝土材料老化与劣化的定量关系，预测混凝土的工作期限。最后，具有材料学科与结构工程学科相统一的特点。老化和劣化是任何建筑材料自然的、不可避免的过程，对于结构设计，材料的老化与劣化本身不是问题，便必须要掌握老化与劣化的机理与速率，这样才可能避免设计阶段的盲目性。材料学科关于混凝土耐久性的研究多是基于混凝土结构的寿命为某一定值而言的，或者说没有充分考虑结构的使用不同设计寿命也应不同的情况。混凝土结构是由多种材料组成的，且影响混凝土结构耐久性的因素很多，材料之间和影响因素之间的关系错综复杂，仅通过研究某一因素影响下某一材料的破坏速度来解决混凝土结构耐久性问题是困难的，因此必须把材料学科和结构工程统一起来才能达到研究目的。2 混凝土结构钢筋锈蚀损伤2.1 钢筋锈蚀研究的重要性混凝土材料以其较强的适应性和低廉的造价而成为土木工程中不可缺少的材料。钢筋混凝土结构己经成为一种被广泛应用的结构形式。然而由于不良的使用条件（海洋环境和工业环境）、环境污染（二氧化碳浓度增加和酸雨）、不当的使用方法（公路和桥梁路面撒化冰盐）等的影响，造成钢筋锈蚀成为混凝土结构中的普遍现象，轻则影响结构的使用性，重则降低结构承载力，甚至导致结构失效，比如1982年柏林议会大厅的倒塌和2000美国北卡罗来纳州高速公路桥的坍塌。当今世界，混凝土破坏原因按重要性递降顺序排序是：钢筋锈蚀、寒冷天气下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用。“钢筋腐蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位。钢筋腐蚀给国民经济造成了巨大的经济损失，全世界每年花在钢筋腐蚀的修复费用是非常巨大的因此，钢筋锈蚀引起混凝土结构的过早破坏，已经成为世界各国普遍关注的一大灾害，大量混凝土结构由于钢筋锈蚀产生不同程度的破坏，甚至发生倒塌，不得不维修或拆除，因此造成了巨大的经济损失。下面举一些工程实例加以具体说明20世纪30年代建在的美国俄勒冈州Alsea海湾上的多拱大桥施工质量极好，但因混凝土的水灰比太大，钢筋广泛严重腐蚀，引起结构破坏，用传统的局部修补方式修补破坏处，不久就发现修补处的附近，钢筋又加剧腐蚀造成破坏，不得不拆除，更换。60年代建在的旧金山海湾第二座San Mateo-Hayward跨海湾大桥，处于浪溅区的预制横梁，虽然采用优质（水灰比0.45，水泥用量370kg/）混凝土拌合物，但由于梁体尺寸大，底部配筋密，加上蒸汽养护引起微裂隙，给钢筋腐蚀创造了必要条件，因此有发生了严重腐蚀，1980年又耗巨资修补。我国工业与民用建筑中，因钢筋锈蚀而引起的混凝土结构失效问题也非常严重，如青岛一座大楼仅使用3年而因楼盖钢筋严重锈蚀导致结构失效，16层楼盖全部拆除。山东改革开放以来兴建的一批高速公路桥，投入使用约十年左右已经发现钢筋严重锈蚀，虽经维修加固，23年后仍出现锈蚀破坏，部分桥梁则需要重建，由此造成的经济损失实在是巨大。如图2.1.1、图2.1.2 总之，无论在国内，还是在国外，混凝土碳化，尤其是氯化物污染引起的钢筋腐蚀破坏，都是严重威胁钢筋混凝土上部结构耐久性最主要、最普遍的病害。从国内外对水利工程、海港工程、路桥结构、工业建筑、民用建筑等调查研究结果来看，混凝土中钢筋锈蚀，尤其是在海洋环境、化工车间、冬天撒化冰盐的氯化物污染环境中，导致混凝土结构的过早破坏，是当今影响混凝土结构耐久 的首要原因，钢筋锈蚀已经给国民经济带来巨大经济损失。可见钢筋锈蚀是影响混凝土上结构耐久性的最主要因素。因此研究钢筋混凝土锈蚀构件的损伤，对在用结构的抗力评定、可靠性评价、准确预测结构使用的寿命都具有十分重要的意义。2.2 钢筋锈蚀的化学机理和条件2.2.1钢筋锈蚀机理普通混凝土结构中的钢筋在一般情况下是不会发生锈蚀的，但是在某些条件下，由于混凝土的碱性降低或者由于有害介质的侵入，钢筋表面的氧化膜遭到破坏，空气中的氧气和水分通过混凝土保护层达到钢筋表面，并在其上形成一层很薄的水膜，此时 钢筋如同浸在电解液中。钢筋本身含有杂质，它的表面状态也有一定的差异，所以在同一钢筋的不同部位形成电极，形成腐蚀微电池。（1）碳化引起钢筋锈蚀混凝土的微孔内含有可溶性的钙、钾、钠等碱金属和碱金属的氧化物。这些氧化物与微孔中的水起化学反应生产碱性很强的氢氧化物，从而为钢筋造成一个高碱性的环境条件（pH值为1213）。在这样的环境条件下，钢筋表面生成一层致密的、分子和离子难以穿过的“钝化膜”。钝化膜能完全覆盖钢筋表明，并长期保持完好。因此钢筋表面不容易发生锈蚀。混凝土碳化是大气中的与混凝土中的碱性氢氧化物相互作用的结果。气体溶解于水中生成一种酸，与混凝土微孔水中的碱发生中和反应，生成，沉积于微孔的内壁上。由于Ca(OH)2在微孔水溶液中是过饱和的，微孔中存在的Ca(OH)2比融入微孔水中的Ca(OH)2多，因此当碳化反应开始时，微孔水溶液的pH值还能在1213左右的正常水平维持一段时间。然而随着微孔中Ca(OH)2的消耗和生成的在水溶液中的沉淀，微孔水溶液的pH值会明显降低。当pH值降到11.5时，钝化膜不在稳定；当pH值降到910时，钝化膜的作用完全被破坏，钢筋出于脱钝状态，锈蚀有条件发生了。此时pH值即为锈蚀的起始门槛值。（2）氯化物诱发钢筋锈蚀混凝土中的氯化物可能是在搅拌、浇注是掺入的，也可能是在凝结硬化后有外界通过扩散渗入的。主要来源包括有意加入的氯化物速凝剂、早强剂及抗冻剂，如,氯化钠，等；用海水进行混凝土搅拌时进入的海盐等；以未经清洗或未经充分清洗的海捞砂作骨料，随砂带入的海盐；冬季为化学除冰而在路上喷洒的粗盐。局部酸化作用。虽然氯化物是中性盐，它的侵入不会引起整个混凝土微孔水溶液pH值的变化，但是,当其中的与其他阴离子共存、并竞相被吸附时，具有优先被媳妇的趋势。所以，钢筋钝化层表面附近的浓度远高于微孔水中的平均浓度。这说明，钢筋钝化层表面附近已被局部酸化。形成“活成-钝化”锈蚀原电池。半径小、活性打，常从膜结构的缺陷处渗进将钝化膜击穿，直接与金属原子发生反应。这样，露出的金属变成了“活化-钝化”锈蚀电池的阴极。这种小阳极、大阴极的锈蚀电池促成了所谓的小孔锈蚀，即坑蚀现象。 催化作用。氯离子在钢筋锈蚀过程中，其本身不被消耗，只能起到加速锈蚀过程的催化剂作用。在氯离子的催化作用下，钢筋表明锈蚀（坑蚀）微电池的阳极反应产物被及时运走，不使其在阳极区域堆积下来。混凝土由于膨胀性腐蚀和钢筋锈蚀而产生裂缝,这些裂缝又成为侵蚀介质的通道,从而进一步加剧了钢筋的锈蚀。2.2.2钢筋锈蚀的条件混凝土中钢筋锈蚀的根本原因是电化学腐蚀。电化学腐蚀必须满足两个基本条件:存在两个具有不同电位值的电极；金属表面存在有电解质液相薄膜。一般说来，由于钢筋成分不均匀或存在内部应力，第个条件总是能够满足的；第二个条件则要求混凝土中锈蚀的相对湿度大于60%。未被腐蚀的混凝土对其内部的钢筋具有良好的保护作用，这是因为混凝土呈强碱性，在强碱性环境中，钢筋表面形成一层致密的氧化 膜，使钢筋处于钝化状态不被腐蚀。但是，如果由于某种原因破坏了钢筋表面的钝化膜，则在适宜的条件下钢筋就会发生锈蚀。钢铁的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种，化学腐蚀通常是由于氧化作用，使钢材中的铁形成疏松的氧化铁而被腐蚀，而电化学腐蚀是由于金属在潮湿气体及导电液中，电子流动而引起的腐蚀。钢铁在酸碱盐溶液及海水中发生的腐蚀，地下管线的土壤腐蚀，在大气中的腐蚀，与其它金属接触处的腐蚀，均属于电化学腐蚀，可见电化学腐蚀是钢材腐蚀的主要形式。根据电化学腐蚀原理，混凝土中钢筋锈蚀的发生必须具备以下三个条件1） 在钢筋表面存在电位差，构成腐蚀电池2） 钢筋表面的钝化膜破坏，处于活化状态3） 在钢筋表面有腐蚀反应所需的水和溶解氧 由于钢筋含有杂质及钢筋成分的不均匀性、周围混凝土提供的化学物理环境的不均匀性，都会使钢筋各部位的电极电位不同形成腐蚀电池，空气中氧气和水分很容易通过混凝土中贯通的空隙与微裂缝进入到钢筋表面，提供锈蚀反应所需的氧和水。钢筋处于活化状态的原因：一是氯离子侵蚀或混凝土中掺入过量氯盐，当钢筋表面氯离子浓度超过临界值，则使钢筋锐钝，二是混凝土碳化使保护层混凝土的PH值降低，从而破坏钢筋表面的钝化膜。2.3 钢筋锈蚀产生的原因混凝土结构中的钢筋锈蚀受许多因素影响，其中内部因素有钢筋位置、钢筋直径、水泥品种、混凝土的密实度、保护层厚度的完好性、混凝土的pH值及混凝土中氯离子含量等；外部因素有温度、湿度、周围介质的腐蚀性、周期性的冷热交替作用的。2.3.1混凝土的保护层厚度不够在通常情况下钢筋表面的混凝土层对钢筋有物理和机械保护作用，混凝土对钢筋的保护作用可以包括以下几个方面：一是混凝土结构中，钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种不同材料组成的复合材料，两种材料具有良好的粘结性能是它们共同工作的基础，从钢筋粘结锚固角度看，混凝土保护层保证钢筋与其周围混凝土能共同工作，并使钢筋充分发挥计算所需强度。二是混凝土为钢筋提供的是一个高碱度的环境，能使钢筋表面形成一层致密的钝化膜，使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易发生腐蚀。但是，因为钢筋的主要成分是铁，铁裸露在常温下就很容易被空气氧化，在潮湿的环境中就更容易锈蚀，被氧化或锈蚀的钢筋其承载能力及各方面性能都会大大降低，使得钢筋的有效截面减少，影响结构受力，从而影响工程质量，因此需要根据耐久性要求规定不同使用环境的混凝土保护层最小厚度，以保证构件在设计使用年限内钢筋不发生降低结构可靠度的锈蚀。三是保护层对外界腐蚀介质、氧化剂及水分等渗入的阻止作用，使外界的腐蚀介质、氧化剂及水分等不能轻易接触混凝土中的钢筋，钢筋也就不容易发生腐蚀。在施工实践中经常因操作等方面的不规范引起钢筋保护层质量的问题：1）一般工地上主要是水泥砂浆块或是细石砼块、塑料定性垫块等，施工中可以满足使用要求，但往往由于施工人员不是很注意或者其他的人为因素，造成垫块移位或者乱用、少用垫块，致使垫块失去作用；2）对于板保护层来说，由于板的厚度相对较薄，又养护不到位，在施工过程中容易出现两种状况：一个是移位，一个是破碎；从而失去垫块的作用，使这一区域的钢筋下沉，保护层不能满足要求。3）对于墙保护层来说，主要表现为根部主筋位移保护层不准不足、垫块太少、模板施工中墙面垫块破坏、剪力墙绑扎中墙拉筋收缩了墙的有效截面。4）对于梁保护层来说，梁底垫块不够或者已被破坏、梁侧面保护层控制不好、模板位置安装不准确、砼浇灌梁顶标高控制不准等。钢筋保护层厚度对钢筋锈蚀的影响呈线性关系，世界各国规范对保护层厚度都作了规定，随着使用环境条件的劣化，混凝土保护层厚度也在增加，诚然，钢筋保护层厚度对单项工程质量并不是起决定作用的，但如果不重视它，所产生的危害也是不容忽视的。我们要在正确了解钢筋及混凝土的受力机理的前提下，充分认识到合理的钢筋保护层对工程结构的重要性，只有防微杜渐，才能使我们的工程施工技术水平更上一个档次。2.3.2混凝土的碳化混凝土在空气中的碳化是中性化最常见的一种形式，它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。混凝土未碳化时，混凝土的微孔内含有可溶性的钙、钾、钠等碱金属和碱金属的氧化物。这些氧化物与微孔中的水起化学反应生成碱性很强的氢氧化物，由于水泥的高碱性，钢筋表面会形成一层致密的氧化膜，氧化膜完全覆盖钢筋表面，并长期保持完好，阻止了钢筋锈蚀电化学过程，因此钢筋表面不容易发生锈蚀。但是当混凝土被碳化时，混凝土的碱度会降低，造成PH值降低，使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋表面的氧化膜会被破坏，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应，从而发生锈蚀。钢筋锈产生的铁锈，体积比铁增加二到四倍，保护层会被挤裂，使空气中的水分更易进入，促使锈蚀加快发展。2.3.3环境因素引起的钢筋锈蚀环境因素也是钢筋锈蚀的重要影响因素，环境对钢筋锈蚀的影响主要有以下几个方面，温度、湿度、二氧化碳的浓度、氧气的浓度以及侵蚀介质的浓度。对于钢筋混凝土结构来说，影响最大的是湿度，湿度对混凝土中钢筋的锈蚀有双重作用，一方面影响混凝土中氧气的扩散速度，另一方面影响混凝土的电导性，当混凝土结构处在湿度较大的环境下，最容易发生锈蚀。特别是当混凝土的自身保护能力（如密实度及保护层厚度）不合要求和保护层有裂缝等缺陷时，外界因素的影响非常明显，许多实际调查结果都表明，钢筋混凝土结构在干燥无腐蚀介质条件下的使用寿命要比在潮湿的腐蚀介质中使用的要长两到三倍。2.3.4混凝土施工质量不合要求混凝土施工过程是确保混凝土结构耐久性的重要环节，正确合理的拌制、浇筑、震捣、养护对混凝土结构的耐久性十分有利。因为混凝土的微孔内含有可溶性的钙、钾、钠等碱金属和碱金属的氧化物，这些氧化物与微孔中的水起化学反应生成碱性很强的氢氧化物，由于混凝土的高碱性，钢筋表面会形成一层致密的氧化膜，氧化膜完全覆盖钢筋表面，并长期保持完好，阻止了钢筋锈蚀电化学过程，因此钢筋表面不容易发生锈蚀。然而，由于施工过程中不按规范要求施工，导致混凝土施工质量不合格往往会导致钢筋锈蚀，尤其当水泥用量偏少,水灰比不当和浇捣不良,或者在砼浇筑中产生露筋、蜂窝、麻面等缺陷,都给水（汽）、氧和其他侵蚀性介质的渗透创造了有利条件,多种介质容易到达钢筋表面,从而加速钢筋的锈蚀。例如在施工过程中，震捣不到位，造成混凝土密实度不够、蜂窝、孔洞或者不可控制的裂缝，使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋表面的氧化膜会被破坏，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应，从而发生锈蚀。特别是当钢筋混凝土工作的环境条件较差时，如地下室、地下沟道、交通隧道、城市地铁等，混凝土施工质量不合格对钢筋锈蚀的影响将更为明显。混凝土的施工质量对钢筋锈蚀的影响巨大，因此必须保证混凝土施工的质量，重视做好砼的浇筑工作。施工时要严格按照施工规范,掌握好水灰比、水泥质量、振捣和养护等有关规定;在有严重的侵蚀性介质的处所,应适当增加保护层的厚度;对现有的房屋建筑结构,如砼质量不良,可在构件外表面涂抹绝缘层如沥青漆,环氧树脂涂料等,进行防护。2.3.5混凝土内掺加氯盐为提高混凝土早期强度和防冻性能，在混凝土内掺加一定量的氯盐，如氯化钙、氯化钠是有效的。但是氯盐掺量过大，将会产生很大的危害。如：（1）水泥和氯化钙结合生成氯铝酸钙，若硬化结晶形成，则会在固相中膨胀而形成微细裂缝，使钢筋遭受腐蚀。（2）混凝土中存在的氯离子会破坏钢筋表面的钝化膜，使局部活化，形成阴极区，并能使钢筋表面局部酸化，加速钢筋腐蚀。（3）钢筋腐蚀生成物中的氯化铁，体积膨胀数倍，引起混凝土结构开裂。（4）降低混凝土抗化学侵蚀和耐磨性以及抗折强度（5）影响混凝土的耐久性。混凝土中的氯离子主要来源于原材料和外加剂，如水泥中的氯离子，砂子中的氯离子，水中的氯离子和外加剂中的氯离子等。国内已经出现过多起因加氯盐过量而引起的严重腐蚀事故，例如北京工人体育场于1958年10月底开始施工，1959年四月初结构完成。全部时间处于冬季施工阶段，施工时在24个看台的全部混凝土中都掺用了早强抗冻外加剂，有的看台掺用了两种甚至三种抗冻剂，且均未加阻锈剂。到1983年底调查发现，看台下的主梁、看台板、柱子等构件出现大量裂缝，有的混凝土剥落，钢筋锈蚀严重，主筋直径明显减小，箍筋锈断。1986年，为承办四年后的第十一届亚运会，工人体育场不得不进行了历时3年的大规模改建，造成了巨大的损失。鉴于掺加氯盐对混凝土结构影响的严重性，规范规定一般钢筋混凝土中氯化物掺量不得超过水泥重量的百分之一。2.4 混凝土中的钢筋锈蚀破坏过程及破坏特征2.4.1钢筋锈蚀破坏过程（1）自由膨胀阶段由于钢筋与混凝土接触的界面存在微细空隙，钢筋表面锈蚀时产生的锈蚀产物逐步填充其孔隙。如果钢筋锈蚀量小于填充需的锈蚀量时，在钢筋周围混凝土中就不会产生任何应力（2）应力产生阶段当钢筋锈蚀量超过填充钢筋与混凝土接触面空隙所需的锈蚀量时，则在钢筋周围的混凝土界面上产生膨胀压力，膨胀压力随着钢筋锈蚀量的增大面增大，直至达到临界锈蚀量之前称为应力产生阶段。（3）裂纹产生阶段当钢筋锈蚀量达到导致保护层开裂的锈蚀量时，锈蚀产物体积增大产生的就力，超过混凝土抗拉强度，锈蚀产物周围混凝土出再现裂纹，直至裂缝产生。（4）裂缝扩展阶段当应力强度因子大于临界应力强度因子时，混凝土初始裂纹尖端扩展，裂缝渐发展，混凝土保护层沿着锈蚀钢筋形成裂缝。这些裂缝成为侵蚀性介质到达钢筋表面的通道，因面随着裂缝的扩展会加速钢筋的锈蚀，若不采取措施，则钢筋的锈蚀会进一步发展直至保护层剥落。2.4.2钢筋腐蚀破坏的主要特征混凝土中的钢筋一旦具备了腐蚀条件，锈蚀便会发生和发展。钢筋锈蚀是一个电化学过程，由铁变成氧化铁，其体积发生膨胀，根据最终产物的不同，可膨胀27倍。钢筋锈蚀破坏的主要破坏特征可归纳为：(1)混凝土顺钢筋开裂混凝土具有较好的抗压性能，但其抗折、抗裂性差，尤其钢筋表面混凝土缺乏足够的厚度时，钢筋锈蚀产物体积发生膨胀，足以使钢筋表面发生混凝土顺钢筋开裂。大量试验研究和工程实践表明，钢筋表面锈层厚度很薄时(如2040m)，便可导致混凝土顺钢筋开裂。换言之，钢筋锈蚀导致混凝土开裂是容易发生的。设计、施工、使用、管理及维护人员，认识到这一点十分重要。欲使混凝土不发生顺钢筋开裂，提高结构物的耐久性，其着眼点就是要最大限度地阻止钢筋生锈，而不应立足于锈蚀发生后再采取补救措施。混凝土一旦发生顺钢筋开裂，腐蚀介质更容易到达钢筋表面，钢筋锈蚀的速度将会大大加快。研究和工程实践表明，这时钢筋锈蚀的速度，有可能快于裸露于大气中的钢筋。这是由于裂缝处更易促成电化学腐蚀的发生和发展。由此引出两个重要观念：一是要阻止钢筋生锈，二是钢筋锈蚀一旦发生或初见混凝土顺钢筋开裂时，就立即采取防护措施。这是被提高了的新认识，对于防钢筋锈蚀破坏、提高结构物的耐久性具有重要指导意义，更具有巨大经济价值。(2)“握裹力”下降与丧失初见混凝土发生顺钢筋开裂时，结构物物理力学性能、承载能力等，可能还没有发生明显变化(这是人们不重视初始顺钢筋开裂的重要原因之一)。然而，随着裂缝的不断加宽，混凝土与钢筋之间的粘结力(握裹力)也随之下降(下降速度取决于钢筋锈蚀速度)，滑移增大，构件变形。当“握裹力”丧失到一定限度时，局部或整体失效便会发生。这时的钢筋锈蚀程度也并不一定十分严重。那些对“握裹力”敏感的构件，更具重要性。(3)钢筋断面损失混凝土中钢筋锈蚀，一般分为局部腐蚀(如坑蚀)和全面腐蚀(均匀腐蚀)，常常是局部腐蚀为主而造成钢筋断面损失，其损失率达到极限时，构件便会发生破坏。应该说明的是，从钢筋锈蚀、混凝土顺钢筋开裂到构件破坏，是一个复杂的演变过程，不仅取决于钢筋锈蚀的发展速度，也取决于构件的承载能力及钢筋的受力状态等。故有时钢筋锈蚀并不十分严重，构件就破坏了，而有时钢筋出现明显的断面损失，构件却还在支撑着(有些人认为“钢筋锈蚀无大妨害”就是依此为证)。对于钢筋断面损失与构件承载能力之间的关系，尚待进一步研究。(4)钢筋应力腐蚀断裂处在应力状态下的钢筋(包括预应力)，在遭受腐蚀时有可能发生突然断裂。世界上曾发生过此类事故，如钢筋混凝土桥梁突然倒塌，建筑物突然断裂等。柏林议会大厦屋顶突然塌落，即与钢筋应力腐蚀断裂有关。应力腐蚀断裂可在钢筋未见明显锈蚀的情况下发生，断裂时钢筋属于脆断。这是“腐蚀”与“应力”相互促进的结果：应力可使钢筋表面产生微裂纹、腐蚀沿裂纹深入、应力再促裂纹开展。如此周而复始，直到突然断裂。这是一种危险的形式，应引起重视。此外，应力腐蚀断裂与环境介质有关。3 钢筋锈蚀对结构耐久性的影响3.1 钢筋锈蚀后对钢筋的力学性能的影响3.1.1降低钢筋的塑性性能按照钢筋混凝土结构设计规范的要求，钢筋除需要具有必要的强度性能外，还应具有一定的塑性。在正常工艺制度和化学成分范围内生产的热轧钢筋都有明显的屈服强度和一定长度的屈服台阶，并且极限强度和屈服强度之比一般在1.5以上。然而当钢筋锈蚀后，应力应变曲线更接近于脆性材料的破坏形式。这时结构易发生无预兆的脆性破坏。试验表明，随着锈蚀量的增大，钢筋的屈服台阶和强化阶段逐渐缩短，锈蚀钢筋的塑性随着锈蚀量的增大而变差。3.1.2降低钢筋的延伸率钢筋锈蚀后，其伸长率降低程度远大于最大截面面积的损失率。其原因是钢筋锈蚀后塑性变形主要集中在截面锈蚀最大，发生断裂的部位，钢筋锈蚀后，截面不是均匀削弱而是局部削弱，当钢筋锈蚀最大处已经屈服，甚至达到极限强度将要拉断时，其它截面的应变可能还不大。这样总体表现为延伸率下降。3.1.3降低钢筋的抗拉性能抗拉性能是建筑钢筋最重要的性能之一，锈蚀钢筋抗拉性能的降低将会直接影响服役结构和构件的承载能力，严重时可能造成结构提前失效甚至倒塌。钢筋腐蚀后的力学性能，国内外已有较多的研究。钢筋锈蚀后锈坑产生的缺口效应和应力集中，引起钢筋性能指标的变化。试验表明，随着锈蚀量的增大，锈蚀的不均匀性和离散性增大，试件颈缩趋于不明显，应力-应变曲线屈服平台逐渐缩短，屈服强度和极限强度逐渐降低。沿钢筋长度发生均匀锈蚀时，钢筋的失重率近似等于钢筋的截面面积损失率，钢筋所能抵抗的极限拉力的降低与钢筋截面面积锈损率基本成正比，些时，可以简单地用锈损钢筋的实际面积乘以未锈钢筋的极限抗拉强度获得锈蚀钢筋的极限抗拉能力。但是，由于混凝土材料的不均匀性，使用环境的不稳定性，钢筋各部位受力程度的不同等因素，实际上混凝土中的钢筋锈蚀很少有均匀锈蚀的情况，通常钢筋截面面积损失率大于重量损失率，而且随着钢筋锈蚀的发展，锈蚀的不均匀性和离散性增大，重量损失率与截面面积损失率的差异也越大。因些，钢筋极限抗拉能力的下降，除钢筋截面的锈损，有效截面面积减小外，还有一个因素，锈损钢筋的表面凹凸不平，受力以后缺口外产生应力集中，使锈蚀钢筋的屈服强度和极限强度降低，且锈蚀越严重，应力集中引起的强度降低越多。3.1.4降低钢筋的动力性能钢筋的锈蚀将使钢筋混凝土结构的性能发生退化，进而对结构的动力性能（如疲劳性能和抗震性能）产生一定的影响。2006年1月5日5时15分左右，广东佛山市南海区九江大桥遭一艘运砂船撞击，造成大约200米桥面坍塌，约100米桥面坠入江中，如图3.1.4。有6辆车下落不明，桥面直插江底，桥面断裂处露出一根根被折断的钢筋。后经专家检查发现，近70%的拉索PE护层有不同程度的损坏，严重的已有剥落现象并有大量钢丝锈渣，个别PE护套内甚至有水流出，最严重的钢丝断丝己达三分之一数量，且两端锚头锈蚀严重。由此可见，由于腐蚀影响钢筋截面与破坏混凝土，因此对结构动力性能的不利影响将更为严重。3.1.5小结随着人们对钢筋锈蚀问题研究的深入，取得的成果也越来越多。由于锈蚀钢筋混凝土构件问题十分复杂，现在的研究成果还不完善，远不能满足实际工程的需要。目前锈蚀钢筋力学性能研究中所采用材料大多是在钢筋非应力的状态下进行的，而实际工程中钢筋都处于应力条件下，钢筋应力状态下遭受锈蚀其力学性能是否和非应力状态下的一致，还有待于进一步的研究，另外预应力钢筋锈蚀后的力学性能研究也应加强。为了能准确预测结构的剩余寿命，锈蚀钢筋混凝土构件的受压性能、抗剪性能及承载力衰减模型都是耐久性问题的研究目标。3.2 钢筋锈蚀后对钢筋与混凝土协同工作性能的影响钢筋和混凝土两种材料的物理力学性能很不相同，但能够共同工作，其主要原因是：（1）钢筋和混凝土之间存在有良好的粘结力，能牢固的形成整体，保证在荷载作用下，钢筋和外围混凝土能够协调变形，共同受力。（2）钢筋和混凝土两种材料的温度线膨胀系数接近，当温度变化时，两者之间不会产生过大的相对变形导致它们之间的粘结力破坏。（3）防止钢筋锈蚀。暴露在空气介质中的钢材，由于受空气中酸性介质的影响，很容易锈蚀，而埋在混凝土中的钢筋，收到呈弱碱性的混凝土保护，只要钢筋至构件边缘间的保护层具有足够的密实度和厚度以及控制构件裂缝不致过宽，混凝土都能够起保护钢筋免受锈蚀的作用，从而保证结构具有良好的耐久性，使钢筋和混凝土长期可靠的共同工作。钢筋锈蚀后，钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀发展可直接引起钢筋的体积膨胀，导致沿钢筋周围的内部压力产生并在混凝土中产生裂缝，随着钢筋的锈蚀加深和裂缝的增大，钢筋混凝土的界面上疏松蚀层的生成，破坏钢筋表面水泥胶体之间的化学胶着力，并降低钢筋和混凝土之间的摩擦系数，变形钢筋横肋的锈损，降低了钢筋和混凝土之间的机械咬合力，钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能降低。试验研究结果表明，锈蚀钢筋混凝土主梁抗弯承载力试验值小于只考虑锈蚀后钢筋截面积减小，屈服强度降低计算得到的抗弯承载力值，说明钢筋和混凝土的黏结强度降低也是锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力降低的主要影响因素之一。因此，对受拉钢筋必须乘以协同工作系数，以考虑粘结退化对钢筋混凝土梁抗弯承载力的影响。理论上，考虑黏结强度降低的影响，锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力应介于未锈蚀和无粘结构件之间，面相同条件下无黏结受弯构件承载力约为正常构件的70%-80%。其实，钢筋与混凝土的黏结是一种复杂的相互作用，通过它来传递二者之间的应力，协调变形，因此钢筋与混凝土之间粘结锚固性能是保证钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的基本前提。钢筋与混凝土间锈蚀层的润滑作用，钢筋表面横肋的锈损、混凝土保护层的开裂或剥落都会导致钢筋混凝土粘结锚固性能降低甚至完全丧失，最终影响钢筋混凝土结构的安全性、适用性和耐久性。3.3 钢筋锈蚀后对钢筋混凝土结构性能的影响混凝土中钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构性能的一个重要问题，也是建筑物安全鉴定过程中经常遇到的问题，多年来，许多工程由于耐久性不良引起的工程损坏事例不断发生，由此带来的工程损失和处理费用也迅速增加，相 应的经济损失也不可忽视。在水工建筑物安全鉴定过程中，常遇到大坝、水闸、桥梁等钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀开裂，混凝土保护层脱落的现象很多，使得结构承载力下降，有些危及安全，必须引起高度重视。混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，并且同时向周围混凝土孔隙中扩散、锈蚀产物体积经腐蚀钢筋的体积要大得多，一般可达钢筋腐蚀量的24倍。锈蚀产物的体积膨胀使钢筋外围混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时，在钢筋与混凝土界面处将出现内部径向裂缝，随着钢筋锈蚀的进一步加剧，钢筋锈蚀量的增加，径向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺钢筋方向的锈胀裂缝甚至保护层剥落，而裂缝及保护层的剥落又会进一步导致更剧烈的腐蚀，改变结构受状态和降低结构的耐久性，严重影响钢筋混凝土结构的正常使用。其次，钢筋锈蚀使钢筋截面变小而使构件突然破坏，钢筋腐蚀严重时，钢筋的箍筋和主受力筋横截面减小，钢筋应力过大，受腐蚀梁在钢筋屈服前，裂缝并不明显，一旦出现明显的裂缝，这时钢筋已经屈服，构件即将破坏。结构的破坏形态从有预兆的受弯塑性破坏变成无预兆的少筋或剪切脆性破坏。钢筋的锈蚀是钢筋混凝土结构中一个相当复杂、重要的问题。钢筋锈蚀不仅仅影响到钢筋本身的力学