锈蚀钢筋与混凝土的粘结本构关系

锈蚀钢筋与混凝土的粘结本构关系目录01影响钢筋锈蚀的因素02钢筋腐蚀与钢筋混凝土粘结力之间的联系03不同受力状态下锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结力04钢筋锈蚀的防治钢筋腐蚀的机理通常情况下,混凝土中的高碱性溶液(pH值一般在12以上,约为12.6)对混凝土中的钢筋起到保护作用.钢筋在这种高碱性的环境中,表面沉积着一层致密的水化氧化铁薄膜(F2O3￭2H2O)而处于惰性状态.通常钢筋表面薄膜的破坏有两种原因:因混凝土碳化而引起钢筋混凝土保护层的碱度降低(pH值可降至9以下),当混凝土pH值降到11.5以下时,钢筋表面的钝化薄膜就会受到破坏;由于氯离子和氧离子的扩散侵蚀而破坏钝化薄膜.钝化薄膜的破坏,失去了对钢筋的保护作用,若有空气(指其中的氧气)和水分侵入,钢筋便开始发生腐蚀。

影响钢筋锈蚀的因素影响钢筋腐蚀的因素很多.在一般大气条件下,影响钢筋腐蚀的主要因素有氯离子、混凝土碳化、环境条件(温度、湿度、浓度等)、混凝土渗透性和保护层厚度、钢筋位置与直径等.混凝土的渗透性与其强度、孔隙率、裂缝宽度及密度有关。混凝土的渗透性能与钢筋腐蚀速度有直接关系.研究表明,裂缝分布越密,混凝土水灰比越大,养护时间就越短,强度越低,裂缝宽度越大,混凝土渗透性越好,钢筋腐蚀越快.。环境因素对钢筋腐蚀也有重要影响。温度，相对湿度，环境中各种微量元素及物质，如氯离子、氧气、自由水等含量都会有影响。混凝土碳化和氯离子的侵蚀是影响钢筋腐蚀的两个最主要的因素。

影响钢筋锈蚀的因素侵蚀机理Cl-是一种钢筋腐蚀活化剂,即使在保护层不被中性化的条件下也会破坏钢筋钝化膜而对钢筋腐蚀起加速作用.同时,由于Cl-到达钢筋表面的不均匀性,特别是Cl-作用于钢筋局部区域时,便形成大阴极小阳极腐蚀,导致钢筋发生坑蚀.由于坑蚀的深度可达平均腐蚀深度的10倍左右,因而危害更大.Cl-离子的存在还增强了混凝土的导电性,使钢筋腐蚀容易发生.最后,钢筋活化后阳极区Cl-浓度增加以平衡Fe2+,从而进一步增加腐蚀面积和腐蚀速度.另外,由于混凝土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腐蚀。氯离子通过毛细吸附和扩散作用穿透混凝土保护层到达钢筋表面,当钢筋表面孔溶液中的氯离子浓度达到某临界值时,钢筋转入活化状态,开始腐蚀.随着腐蚀产物的增加,腐蚀产物体积膨胀(为钢筋体积的2~6倍[6]),作用于周围混凝土,裂缝开始出现,钢筋的腐蚀速度明显加快,直到混凝土裂缝达到0.1~0.5mm,但在保护层剥落以至钢筋完全裸露,失去微电池腐蚀条件时,钢筋腐蚀速度反而会有所降低.混凝土中氯离子侵蚀引起钢筋腐蚀速度的变化碳化导致的腐蚀机理碳化腐蚀比氯化物侵蚀发展慢.大量的结构混凝土用在民用、工业、办公楼建筑中,而不是工程结构中,因此,只有少量的结构存在着氯离子侵蚀引起钢筋腐蚀的危险,大多数的钢筋混凝土结构的潜在使用寿命主要取决于碳化和钢筋增强材料腐蚀的速率。空气中二氧化碳扩散到混凝土中与水作用生成碳酸,碳酸与水泥石中的氢氧化钙反应生成碳酸钙,在自由水的作用下碳酸钙沉淀在混凝土中内部的孔穴中,此过程称为混凝土碳化.碳化的结果可以使混凝土孔溶液的pH值从大于12降低于9以下,如果碱损失发生在钢筋附近,就会引起钢筋钝化膜的破坏,且在湿气和氧的作用下,还可以引起平行于钢筋的裂纹和混凝土崩裂.对碳化腐蚀最敏感的是暴露于雨水中的混凝土,特别是在钢筋的保护层较薄或保护层质量低时更易碳化。自然电化学腐蚀机理阳极：（氧化）阴极：(还原)当氧气含量较少时：当氧气含量较多时：外加电流加速锈蚀的方法

1.将钢筋混凝土构件置于大气中，部分区段掺氯盐或者外浇盐溶液，利用预埋不锈钢筋充当阴极进行通电腐蚀。

2.将混凝土试件浸泡在溶液中，利用浸入溶液的铜片充当阴极进行通电加速腐蚀。实验室中加速锈蚀与自然锈蚀间的相关性加速锈蚀过程图解共同点：将拟锈蚀钢筋作为阳极，通过外加电流使其发生阳极反应，整根钢筋外表面均产生Fe2+，发生比较均匀的锈蚀。不同点：阴极材料不同。外加电流加速锈蚀与自然锈蚀的比较通过单调拉伸荷载下钢筋的受力性能试验结果比较发现:两种锈蚀钢筋的屈服荷载、极限荷载及延伸率随锈蚀率的增大皆呈现下降的趋势;锈蚀达到一定程度后，钢筋的屈服平台消失;自然锈蚀的局部化特征和坑蚀引起的应力集中导致同等锈蚀率下自然锈蚀钢筋的屈服平台退化更为明显，且结果更为离散。通过单调荷载下锈蚀混凝土梁的受弯性能试验结果比较发现:自然锈蚀梁和外加电流加速锈蚀梁的破坏模式一致，但自然锈蚀条件下，锈蚀的局部发展使梁的破坏形式对锈蚀率更为敏感。由此可知，外加电流加速锈蚀在一定程度上可以模拟自然锈蚀。钢筋混凝土拉拔实验百分表一——自由端（sl）百分表二——加载端（sf）本试验加载速率为:A组试块2.5KN/min;B组试块5KN/min拉拔实验装置图实验现象：未锈蚀试块拉拔试验现象A组A01一A03试块及B组BO1一B03试块均为未锈蚀试块。在加载的初期，加载端滑移值Sl逐渐增大，自由端无滑移现象，自由端尚未发生粘结破坏;当荷载持续增大至Ps时，自由端开始出现微小滑动，但在达到极限荷载之前，自由端滑移值Sf始终很小，表明钢筋与混凝土之间的胶结破坏和相对滑移由加载端逐渐向自由端发展;接近极限荷载Pu时，自由端滑移速度加快;峰值荷载Pu之后，荷载逐渐减小，当达到Pr后，荷载几乎处于不变阶段，但钢筋滑移值持续增大，钢筋与混凝土发生粘结锚固破坏，此时荷载仅由钢筋与混凝土之间残余的摩阻力平衡。通过试验发现，A,B两组未锈蚀试块在拉拔试验过程中特性一致，无明显离散性，如图2.2所示:图2.2未锈蚀试块荷载-滑移曲线A组锈蚀试块拉拔试验现象：A组锈蚀试块在拉拔过程中呈现两类破坏特征。锈蚀率较小(<3%)的试块(试块A2~A6)，其典型试块A2的拉拔曲线如图2.3所示:加载初期，加载端的滑移值随荷载近似成直线变化;随着荷载的增加，自由端开始滑动，加载端的滑移速度加快。最后，当荷载继续增大至峰值荷载附近时，出现明显的响声，试块发生劈裂破坏，同时，荷载一滑移曲线无明显下降段。图2.3A2试块荷载滑移曲线锈蚀率较大的A1,A2D，A4D，A6D试块，其荷载一滑移曲线如图2.4所示。与未锈蚀试块相比，其自由端开始发生滑动所对应的Ps值与荷载峰值Pu明显变小;荷载超过峰值进入下降段后，试块出现第一条贯通裂缝，但仍能保持一定的承载能力，随后裂缝迅速变宽，被裂缝分割的各块体相互脱离，承载能力完全丧失，钢筋直接从孔洞中抽出，呈现显著的劈裂破坏特点，试块迅速破坏，其粘结刚度较锈蚀率小的试块大。图2.4A1试块的锈蚀情况及荷载滑移曲线图2.5A1,A2D,A4D,A6D试块平均荷载滑移曲平均滑移值：分别为试块加载端和自由端的滑移值锈蚀率较大时，随着锈蚀率的增大，上升段的粘结刚度明显减小，极限荷载降低，极限滑移值增大。结合对试块内部锈迹扩展情况以及保护层内锈胀裂缝的观察可知，这与试块内部已产生或大或小的锈胀裂缝有关。随着锈蚀率的增大，锈胀裂缝扩展得更宽更深，混凝土对钢筋的握裹力减小，粘结刚度和粘结强度显著降低。B组锈蚀试块拉拔试验现象B组试块钢筋直径较大、混凝土保护层较厚，在拉拔试验中表现出明显的脆性劈裂破坏特征。如图2.11所示，荷载一滑移曲线只有上升段而无下降段，在峰值荷载处，加载端产生持续的滑移，而自由端的滑移值始终很小，试块发生劈裂破坏，伴随有明显的劈裂声。在劈裂开的混凝土块体原钢筋孔道内，可观察到混凝土粉末，横肋之间的混凝土有明显刮过的痕迹，说明试块发生了典型的“刮犁式”破坏。对于B2试块，锈胀裂缝已发展至试块表面，混凝土保护层对钢筋的握裹力以及对内部开裂区域混凝土的约束力均降低;而试块B6内部无锈迹，且未观察到锈胀裂缝。因此，与B6试块相比，B2试块的极限荷载值大幅下降。图2.6B组试块的荷载滑移曲线锈蚀钢筋与混凝土的粘结力计算钢筋与混凝土的粘结机理：钢筋与混凝土作为两种力学性能截然不同的材料而能结合在一起协同工作，一方面是因为二者具有相近的温度线膨胀系数，另一方面则是在水泥水化作用后，钢筋与混凝土之间形成了良好的粘结作用。钢筋与混凝土之间良好的粘结性能，是二者能协同工作的前提，也是保证结构构件能发挥设计承载能力和变形能力的基础。钢筋与混凝土之间的粘结作用①钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力(胶结力)。这种吸附作用力来自于混凝土浇筑时水泥浆体对钢筋表面氧化层的渗透以及水化过程中水泥晶体的生长和硬化。这种吸附作用力一般很小，仅在受力阶段初期的局部无滑移区域起作用;当钢筋与混凝土的接触面发生微小滑移时该力即消失;②混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩擦阻力(摩阻力)。混凝土在凝结硬化过程中体积收缩，会对钢筋产生垂直于钢筋混凝土接触面的压应力，在钢筋相对于混凝土发生滑动时，该压应力即在接触面上产生摩阻力。此种压应力越大，钢筋与混凝土之间的接触面越粗糙，二者之间的摩阻力也越大;③钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力(咬合力)。对于光圆钢筋而言，此种咬合力主要来自于钢筋表面自身的粗糙不平。钢筋锈蚀对粘结力的影响图解目前被广泛认可的结论是，钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响主要体现在以下三方面:①钢筋锈蚀使钢筋有效截面积减小，同时也将使钢筋本身的力学性能，如强度和伸长率等发生改变，从而降低钢筋的承载能力;②钢筋锈蚀产生的膨胀压力导致钢筋周围混凝土处于受拉状态，进而导致保护层中出现锈胀裂缝，从而降低了构件截面的有效高度;同时，钢筋周围混凝土中存在锈胀应力，将造成混凝土本身材料性能的退化;③钢筋锈蚀将导致钢筋与混凝土粘结性能的退化，使构件中钢筋应变与混凝土应变不再保持协调，降低构件的承载能力和变形能力。钢筋锈蚀以后将在钢筋表面产生一层质地疏松的锈蚀产物。在钢筋锈蚀的初期，由于该层锈蚀产物体积膨胀所产生的垂直于钢筋混凝土接触面的压力，钢筋与混凝土之间的极限粘结强度在一定程度上可得到提高;随着膨胀压力的增大，钢筋锈蚀将从以下三方面影响钢筋与混凝土的粘结性能:①在钢筋与混凝土的接触面上产生了一层疏松的锈蚀产物层，降低了钢筋与混凝土之间的摩擦作用，使得钢筋与混凝土之间的摩阻力下降;②锈胀裂缝的产生降低了混凝土保护层对钢筋的握裹作用，进而导致钢筋与混凝土之间粘结力的下降;③锈胀压力将在钢筋周围的混凝土中造成许多微小的锈胀裂缝，这些锈胀裂缝及向其中扩散的锈蚀产物的存在将使得混凝土的材料性能劣化，进而使得锈胀裂缝更容易扩展，混凝土保护层的握裹作用更低。不考虑横向配筋和荷载影响的前提下，设锈蚀钢筋混凝土的极限粘结强度如下:式中K1为钢筋锈蚀产物厚度t影响参数;K2为相对保护层厚度c/d影响参数;K3为混凝土抗拉强度ft影响参数。对试验数据进行数据拟合分析，可得:则锈蚀钢筋混凝土极限粘结强度可表示为:在钢筋锈蚀率时，极限粘结强度折减系数有一段上升段，但其上升幅度不大，因此，为简单计，可设钢筋锈蚀率小于1%时，。根据试验，当钢筋锈蚀率达到5%时，试块已经完全胀裂，保护层刚度完全退化，而实际工程的相对保护层厚度一般低于本试验，混凝土保护层锈胀开裂将更为严重。根据《CECS220:2007混凝土结构耐久性评定标准》，钢筋锈蚀率达到5%时，构件已经属于严重锈损构件，故本文研究的适用范围限于锈蚀率小于5%的情况。本文选取的试验数据中，其混凝土抗拉强度最大值为2.99MPa，与混凝土规范规定的C70混凝土的抗拉强度标准值相等，考虑标准值和均值的关系，因此建议本文模型仅适用于普通混凝土(混凝土强度等级低于C50）。

在混凝土工程中，引起混凝土中钢筋锈蚀的原因主要包括:混凝土的碳化、氯离子侵蚀、混凝土材料缺陷、保护层较小、混凝土工程施工缺陷等都会造成混凝土中钢筋锈蚀。因此在预防混凝土钢筋锈蚀方面，可以依据造成钢筋锈蚀的因素采取措施。4.钢筋锈蚀防治防止钢筋氧化锈蚀LORE依据造成钢筋锈蚀的因素采取措施

钢筋的氧化反应是钢筋生锈的主要原因。置于空气中的钢筋出现淡黄色轻微浮锈不必处理,而红褐色锈斑则必须清除,可采用人工或机械方法。对锈蚀严重,发生锈皮剥落现象,因麻坑、斑点损伤截面的,要进行检测,考虑是否降级使用。而在强度大而密实的混凝土中,氧气到达钢筋的渗透速度是缓慢的,故而在施工中,特别是预制构件施工,不仅要保证混凝土的密实性和钢筋保护层厚度,在抹灰或混凝土原浆收光时,都要非常平整密实,保证达到构件所要求的平整度、光洁度和密实度,严防敲坏构件,造成混凝土剥落掉块。依据造成钢筋锈蚀的因素采取措施严格控制水灰比LORE

当混凝土水灰比过大,会使混凝土在凝固过程中收缩增大,由混凝土收缩造成的开裂增多。因此,严格控制水灰比,对确保混凝土的设计强度具有重要意义。水灰比适当,混凝土密实度就好,就能较好地阻止水和其他不利因素(酸性物质,有害气体)对混凝土的渗透,减少钢筋腐蚀和混凝土构件剥离损坏的可能,所以在实际施工中要严格掌握水灰比,保证混凝土搅拌时间,按规范对混凝土凝固过程进行养护。依据造成钢筋锈蚀的因素采取措施确保钢筋保护层厚度LORE

在绑扎钢筋和支护模板浇灌混凝土等工序中,确保钢筋有足够的保护层,是对埋置在钢筋混凝土构件中钢筋长期保护的主要措施。对受力钢筋的混凝土保护层厚度,必须严格执行设计要求和规范要求,分清在不同环境条件中工作的构件种类、混凝土强度等级对钢筋保护层厚度的不同要求。在钢筋混凝土构件中如需打洞,严防伤害钢筋,如因此而破坏了钢筋的保护层,则至少要用比原设计混凝土标号高一等级的细石混凝土填灌密实。依据造成钢筋锈蚀的因素采取措施减少混凝土的裂缝LORE

混凝土的裂缝为钢筋腐蚀提供了条件。因为有裂缝,酸性物质和有害气体等就会顺着裂缝向构件内渗透,裂缝越大越多,就越容易渗透。因此,在钢筋混凝土工程施工中。正确地配筋,规范地控制混凝土配合比,以及精心支模、浇灌、振捣和养护对防止混凝土裂缝的发生是非常重要的,