2013-2014学年第1学期
《土木工程科研创新》报 告 书
题 目： 钢筋锈蚀及锈胀裂缝的研究 姓 名： 许 愿
班 级： 土 木 10-6 班 学 号： 02100437 指导教师： 鲁 彩 凤
日 期： 2013年12月21日
中国矿业大学力学与建筑工程学院
钢筋锈蚀及锈胀裂缝的研究
许愿
力建学院、土木10-6班
摘要：本文主要从钢筋锈蚀的机理进行研究，分析钢筋锈蚀的影响因素，分别通过试验统计和数值仿真模拟研究钢筋锈蚀裂缝扩展过程，总结各影响因素和锈蚀裂缝宽度的关系，建立锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率之间的关系，并提出合理的防治措施。通过钢筋锈蚀率推算裂缝宽度可极大简化锈胀裂缝的确定方法。通过构件锈胀过程的分析，并结合理论推导，探讨了锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率的关系。结果表明，锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率存在较好的正比关系，与钢筋直径成反比，而与钢筋保护层厚度无关。
关键词：钢筋锈蚀、机理、影响因素、裂缝宽度、有限元模拟、防治
The study of the reinforcement corrosion and the corrosive cracks
Xu Yuan
Civil engineering 10-6 classes，School of mechanics and civil engineering，CUMT
Abstract：This article mainly starts study from the mechanism of reinforcement corrosion, analysis the influence factors of reinforcement corrosion, study reinforcement corrosion crack extension processrespectively through the test and numerical simulation, summarize the relationship between various influencing factors and corrosion crack width, establish the relationship between corrosive crack width and steel corrosion rate, the reasonable control measures were put forward. Through the rebar corrosion rate calculate crack width calculation method can greatly simplify the determination method of corrosive cracks. Through the analysis of the corrosive process, combined with the theoretical derivation, the corrosive crack width and reinforcement corrosion rate are discussed. Results show that the corrosive crack width and reinforcement corrosion rate is good proportional relationship and inversely proportional to the steel bar diameter, and has nothing to do with reinforced protective layer thickness.
Keywords:Reinforcement corrosion、Mechanism、Influence factor、Crack width、Finite element simulation、Prevention and control measures
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1、引言
从目前国内外建筑物结构的缺陷和事故分析中发现，混凝土结构的耐久性已成为决定建筑物结构长期稳固安全的主要因素，有专家指出当今混凝土结构破坏的主要原因依次为钢筋
1锈蚀、冻融破坏和物理化学作用，并明确指出钢筋锈蚀是其首要因素。钢筋锈蚀导致混凝土结构损坏的事故越来越多，同时众多学者和专家深刻认识到这种缺陷对混凝土结构耐久性的严重危害。如何充分了解混凝土结构中钢筋锈蚀的机理并通过实验或理论模型推导确定钢筋锈蚀率、锈蚀裂缝宽度，从而对钢筋锈蚀的程度及其成因做出准确判断，及时采取补救措施，是一个值得深入研究的课题。
2、混凝土中钢筋锈蚀的机理
在通常情况下。混凝土是一种高碱性环境(PH值约在13左右)，钢筋在这种环境下，钢筋表面迅速形成一层氧化铁钝化膜，膜厚约200-600nm。该膜内部为一种致密、稳定的共格结构，水和氧气不能渗透过去，内部无法形成腐蚀电池；而且，即使阴极区有足够的水和氧气，也会因为该钝化膜抵制了铁离子的释放、阻止了阳极反应。进而避免电化学反应的发生。很显然，混凝土的正常碱度能很好地阻
止钢筋锈蚀，并且碱度愈高，钝化膜的稳定性和对钢筋的保护性能就愈好。但是当钢筋混凝土被氯离子污染时，如海洋环境或桥梁结构冬季撤除冰盐后，氯离子通过混凝土表面的孔隙
2逐渐扩散至钢筋表面，氯离子可以破坏钢筋表面钝性，钢筋由钝态转为活化态，钢筋的腐蚀产物多为Fe3O4等氧化物，其体积远远大于产生这些产物的钢的体积，因此产生了内应力，使混凝土开裂。钢筋混凝土腐蚀的另外一个原因是酸性物质(如二氧化碳)的渗入，使得孔隙液的PH值降低，当PH值降低至12．5时，加之氯离子的作用，腐蚀以较快的速度发生。
关于氯离子的去钝化机理，目前主要有两种观点，一种观点是氯离子只具有去钝化作用，其腐蚀过程如下：氯离子易渗入钝化膜引起钝化膜破坏。在阳极，铁原子失电子成为二 价铁离子，自钢筋表面进入混凝土孔隙液中，阳极区产生的电子通过钢筋被送往阴极，并将阴极区溶解于孔溶液中的氧气还原，生成氢氧根离子，阴极产生的氢氧根离子通过混凝土中的孔溶液被运往阳极区，在阳极附近，二价铁
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离子与氢氧根离子形成难溶的氢氧化亚铁白色沉淀，其在有氧环境中是不稳定的，立即被氧化，变成棕红色的氢氧化铁，在溶解氧含量少的情况下，既有氢氧化铁生成，又有氢氧化亚铁存在，二者还可以生成绿色含水的混合价态氧化物Fe3O4·4H2O，若Fe3O4·4H2O失水，则变为黑色的四氧化三铁。当锈堆把阳极区遮住时，氧气不易进入小孔，小孔中的二价铁离子又将“水解”产生氢离子，使PH值下降，从而加剧了腐蚀。从以上分析可以看出，腐蚀电流能形成一个闭合回路(如图2)，符合腐蚀原电池的基本工作过程。
关于氯离子去钝化机理的另一种观点是氯离子既有去钝化作用又有搬运作用。氯离子与氢氧根离子争夺腐蚀产生的二价铁离子，形成易溶的FeCl2·4H2O，FeCl2·4H2O从阳极区向含氧量较高的混凝土孔溶液迁移，分解为氢氧化亚铁，同时释放出氢离子和氯离子，使阳极区附近的孔溶液局部酸化，同时氯离子又返回阳极区，再带出更多的二价铁离子，这样，氯离子虽然不构成腐蚀产物，在腐蚀中也不消耗，但促进了腐蚀的发生，对混凝土中钢筋的腐蚀起到了一个催化、搬运的作用。
由以上分析可知，腐蚀电流也能形成一个闭合回路(如图3)，也符合腐蚀原电池的基本工作过程。
3、影响混凝土中钢筋锈蚀的因素3
(1)混凝土液相的PH值
钢筋锈蚀速度与混凝土液相PH值有密切关系。当PH值大于10时，钢筋锈蚀速度很小；而当PH值小于4时，钢筋锈蚀速度急剧增加。
(2)混凝土中氯离子含量
氯离子含量对钢筋锈蚀的影响极大。一般情况下，钢筋混凝土结构中的氯盐掺量应少于水泥重量的百分之一（无水状态），而且掺氯盐的混凝土结构必须振捣密实，也不宜采用蒸汽养护。
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(3)混凝土密实度和保护层厚度
混凝土对钢筋的保护作用主要包括两个方面：一是混凝土的髙碱性使钢筋表面形成钝化膜；二是保护层对外界腐蚀介质、氧气和水分等渗入的阻止。后一种作用主要取决于混凝土的密实度及保护层厚度。
(4)保护层完好性
混凝土保护层完好性指混凝土是否开裂、有无蜂窝孔洞等。它对钢筋锈蚀有明显的影响，特别是对处于潮湿环境或腐蚀介质中的混凝土结构影响更大。许多调查表明，在潮湿环境中使用的钢筋混凝土结构，横向裂缝宽度达0.2mm时即可引起钢筋锈蚀。钢筋锈蚀物体积的膨胀加大保护层纵向裂缝的宽度，如此恶性循环的结果必将导致混凝土保护层的彻底剥落和钢筋混凝土结构的最终破坏。
(5)水泥品种和搀和料
粉煤灰等矿物搀和料能降低混凝土的碱性，从而影响钢筋的耐久性。国内外许多研究表明，在慎用优质粉煤灰等掺合料时，在降低混凝土碱性的同时能提高混凝土的密实度，改变混凝土内部孔结构，从而能阻止外界腐蚀介质和氧气与水分的渗入，这无疑对防止钢筋锈蚀是十分有利的。近年来，我国的研究工作还表明，掺入粉煤灰可以增强混凝土抵抗杂散电流对钢筋的腐蚀作用。因此，综合考虑上述效应，可以认为在混凝土结构中掺入符合标准的粉煤灰不会影响混凝土结构耐久性，有时反而会提高。
(6)环境条件
环境条件如温度、湿度及干燥交替作用、海水飞溅、海盐渗透等是引起钢筋锈蚀的外在因素，都对混凝土结构中的钢筋锈蚀有明显的影响。特别是混凝土自身的保护能力不合要求或混凝土保护层有裂缝等缺陷时，外界因素的影响会更突出。许多实际调查结果表明，混凝土结构在干燥无腐蚀介质情况下，其使用寿命要比在潮湿及腐蚀介质中使用要长2到3倍。
(7)其他因素
除以上因素外，钢筋应力状态对其锈蚀也有很大影响，应力腐蚀比一般腐蚀更危险。应力腐蚀不同于钢筋的蚀坑及均匀锈蚀，而是以裂缝的形式出现，并不断发展直到破坏，这种破坏又常常是毫无预兆的突然脆断。一般来讲，钢筋的应力腐蚀分为两个阶段，即局部电化学腐蚀阶段及裂缝发展阶段。对此必须充分估计，以免钢筋发生事故性断裂。
4、混凝土锈蚀裂缝的确定方法
154.1锈胀裂缝扩展过程试验研究及影响因素分析
混凝土内钢筋锈蚀是造成混凝土构件耐久性劣化的主要诱因, 其中锈胀裂缝是结构损伤最为直接和极易获取的表观特征。在不损伤结构完整性的情况下, 依据裂缝宽度与构件性能的内在关联性, 对结构进行耐久性设计及评估具有重要的工程意义。但大量的研究主要集中在氯离子向混凝土内传输、混凝土保护层锈胀开裂, 而对于锈胀裂缝宽度扩张的研究却很
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6 ,王深通过钢筋锈胀过程的有限元模拟分析得出类似的计算式, 形式简单, 但考
7虑影响因素较少; ZHEN G J. J. 依据断裂力学理论建立了锈胀裂缝宽度的预测模型;V
少4,58IDAL T.基于两根自然锈蚀14a 和17a的梁裂缝研究, 提出钢筋截面损失与裂缝宽度呈现
直线关系的经验公式。
钢筋锈蚀产物的体积是原未锈蚀钢筋体积的2到6倍,体积膨胀使钢筋与混凝土界面产生锈胀力,继而导致保护层表观裂缝的形成以及扩展。本文通过加速电腐蚀试验, 深入探讨了裂缝宽度与锈蚀程度、保护层厚度等影响因素的相互关系,并进行了模型有效性的验证及分析。同时考虑工程运用的适用性,基于模型分析及试验研究结果给出了锈胀裂缝宽度的简化实用计算式。
（1） 试验结果及分析
通过对保护层厚度分别为50mm和20mm试件的几个典型观测点数据的分析，发现在相同的电流密度的条件下,锈胀裂缝扩展起始阶段变化梯度较小,而到后期变化梯度相对较大,但整体上可用线性规律描述裂缝扩展过程;保护层厚度对裂缝宽度度的影响程度较小。
（2）简化模型
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由文献试验及文献研究可知：钢筋直径与保护层厚度的增加对裂缝宽度的影响恰是相反,但级量相同,将钢筋直径与保护层厚度比值作为一个变量;混凝土的弹性模量变化对裂缝扩展的影响非常小,可近似取为零,这样可不考虑混凝土强度及弹性模量的影响; 锈蚀产物膨胀率对裂缝的影响最大,是简化模型的重要影响因子。
则得出的简化模型为：
Δω = (0. 3d∕c+ 2π)(n-1)Δx （1）
为了说明简化模型与理论模型的一致性,其对cd= 1.5 (小保护层, 如c= 30mm ,
d=20 mm) 及cd= 4.2 (大保护层, 如c= 50mm, d= 12mm) 分别进行比对分析,n=
3,fck=20.1Nmm,经比较简化模型与理论模型具有很好的一致性。
（3）结论
锈胀裂缝宽度是混凝土结构耐久性设计及评估的一个基本参数, 同时锈胀裂缝宽度又较为容易获取, 研究锈胀裂缝宽度扩展对混凝土结构耐久性设计及评估具有重要意义。通过电腐蚀试验研究发现, 在相同的电流密度的条件下, 锈胀裂缝扩展起始阶段变化梯度较小,而到后期变化梯度相对较大, 但整体上可用线性规律描述裂缝扩展过程; 保护层厚度对裂缝宽度度的影响程度较小。
4.2锈胀开裂过程的有限元模拟
1711根据文献研究，文献利用断裂力学和弹性力学理论得到了混凝土保护层开裂时钢
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筋的膨胀力和均匀锈蚀率的理论预测模型。文献通过外加电流加速锈蚀的锈胀试验，认
2为在钢筋锈蚀深度小于一定值的情况下，钢筋锈损深度与胀裂宽度呈线性比例关系，而与保
13护层厚度、混凝土强度等参数无关。文献通过钢筋锈胀过程的有限元模拟分析，其计算
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研究表明，胀裂宽度与钢筋深度有关且成线性关系提出了从胀裂宽度预测钢筋截面损失率的公式。《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS220)也建议了一个基于锈胀裂缝宽度的钢筋锈蚀
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深度计算公式。鉴于经验公式理论依据不足，牛荻涛等在锈胀开裂前钢筋锈蚀量预测模型的基础上，基于腐蚀电化学原理对锈胀开裂后的钢筋锈蚀进行了分析并给出了计算公式，该公式计算结果离散性较大，且在实际工程检测中，模型参数还难以确定。
4.2.1 弥散型裂缝模型
与混凝土受压具有明显的应变软化行为相比，受拉时混凝土的脆性较为明显。但深入研究发现，混凝土受拉时的应力-应变曲线也有一个下降段。通过对受弯混凝土试件断裂过程的应变量测可知，不同长度的应变片测得应变在材料软化段有明显的不同。在素混凝土试件的数值计算中若材料本构模型采用应力-应变关系，计算结果在一定程度上受计算网格的大小的影响，引起数值结果的网格依赖性。Hillerhorg提出了断裂能Gf的概念，即单位面积裂纹扩展需要的能量，并将其作为材料参数。由断裂能与裂缝宽度的关系，混凝土的软化性质就可以用应力-裂缝宽度关系曲线来代替应力一应变关系曲线。
试验研究表明，当混凝上受拉达到应力峰值以后，混凝土出现微裂纹，无裂纹区的混凝土应变回缩而裂纹处的宽度增大。因而可以以拉应力-裂缝宽度来代替应力-应变全曲线的下降段，以表示混凝土的应变软化行为。简单起见，假定混凝土的软化段为单直线软化，ft为材料的抗拉强度，Gf为断裂能，Wt为σ-W材料的极限张开位移，Gf为σ-W曲线下部所包含的面积。只考虑单直线软化时有：
Gf=0.5ft.Wt （2）
4.2.2 裂缝开展过程的模拟与结果分析
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文献通过假定的均匀性腐蚀，采用有限元方法模拟计算钢筋锈胀过程，混凝土裂缝的开展过程，将钢筋锈蚀过程视为平面应变问题，计算过程中采用平面应变四边形单元。保护层厚度为20mm不变，分别针对钢筋直径为8mm、10mm、12mm、l4mm、16mm、18mm和20mm情况进行模拟计算。
结果表明，钢筋膨胀首先使得周围混凝土达到抗拉强度．然后在混凝土的表面出现细微裂纹，随著钢筋锈蚀量的不断增加，表面裂缝不断向内扩展，裂缝宽度不断增大。不同钢筋直径的锈胀裂缝宽度与锈胀位移的联系结论如下，保护层厚度一定条件下，而钢筋的直径不同，钢筋锈蚀导致的径向膨胀与裂缝宽度问存在线性关系，且直线的斜率并无明显变化，则径向膨胀位移与裂缝宽度间关系可表达为：
ωt=k•δt （3） 式中δ1.5。
4.2.3 钢筋锈蚀率与锈胀裂缝宽度的关系
假定钢筋锈蚀为均匀锈蚀。在分析混凝土保护层受力特性时通常将它简化成同心圆柱
t为混凝土径向膨胀位移；ωt为裂缝宽度，由图中可以看出，线性系数k约为
图
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体。R0为钢筋初始半径，RS为剩余钢筋截面的半径，Rr为锈胀产物的外径。
令钢筋锈蚀产物的体积为原钢材体积的α倍，则： α(πR0-πRS22)= πRr2-πRS2 （4）
Rr2=αR02-(α-1) RS2 （5）
钢筋锈蚀率为：
η=1-(RS∕R0) （6） 将式(5)代入式(4)得：
2 Rr-R0=[(1+αη-η)½-1]•R0 （7） 令δ=Rr-R0，即为因钢筋锈蚀产生的径向膨胀位移。则式(6)可写为：
δ∕R0=[1+(α-1)η] ½-1 （8） 式(7)即为钢筋膨胀率与锈蚀率的关系．通常钢筋膨胀率较小，则：
η=2δ∕[(α-1) •R0] （9）
设初始未锈蚀钢筋与混凝土间的间隙δi(取值范围通常认为在15—20 µm之间)，钢筋的锈蚀产物将首先填满这一孔隙区．随后由于膨胀造成混凝土的挤压。
δ=δ将式(3)与式(10)代入式(9)得：
c+δt （10）
η=(4∕D)[(1∕k)ωt+δi]∕(α-1) （11）
式(11)即为锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率的关系，由此可以看出混凝土表面锈胀裂缝宽度与钢筋直径成反比，与钢筋锈蚀率成反比。
取α=4，k=1.5，δi=15μm，则式（9）可改写为：
η=（4∕D）[0.222ωc+0.005] （12）
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数值模拟研究结果如下：假定钢筋锈蚀为均匀膨胀过程，锈胀裂缝宽度与钢筋锈胀位移存在较好的线性关系。最后，从均匀锈蚀理论出发，建立了钢筋锈蚀率与锈胀裂缝宽度的关系。数值模拟结果表明，锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率存在较好的正比关系，与钢筋直径成反比，而与钢筋保护层厚度并不存在明显的相关性。
5、钢筋锈蚀的防治措施20
钢筋锈蚀的原因是由于混凝土保护层的碳化和氯离子的侵入而造成的，为了防止钢筋锈蚀，必须防止混凝土的碳化或减慢碳化速度和防止氯离子的侵入。防止碳化提高混凝土的抗渗性的方法有：
（1）降低水灰比。
（2）掺外加剂。一是掺引气型的减水剂，阻止液体的渗透，增加混凝土的密实度，提高抗渗性；二是掺抗渗剂，，提高抗渗性；三是掺膨胀剂。
（3）选择合适的材料。应选用颗粒细、水化热低的水泥。水泥标号一般不低于425号；
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并掺用适量优质掺合料；细骨料要求砂的颗粒均匀、圆滑、质地坚硬、平均粒径为0.4mm左右的河砂，含泥量＜3％，并含适量的粉砂；选用粗骨料，除大体积外，一般情况下粒径5～30mm为宜，最大粒径不超过40mm。含泥量＜1％，要求组织细密、颗粒整齐、质地坚硬，另外级配要优良，以改善混凝土的和易性，增加密实度，提高抗渗性。
（4）加强养护。如混凝土早期养护不好，水泥得不到正常水化，会降低混凝土的密实度，继而影响抗渗性。所以一定要加强混凝土的早期湿润养护，时间不得少于14d，以保证水泥正常水化，增加密实度，提高抗渗性。
（5）防止裂缝。
防止氯离子进入混凝土的措施有：
（1）配置混凝土时不使用含氯离子的材料或外加剂。
（2）采取各种措施，提高混凝土的密实度，防止氯离子侵入混凝土内部，避免钢筋锈蚀。
（3）掺入阻锈剂，使钢筋表面的氧化膜趋于稳定，弥补表面的缺陷，使整个钢筋被一层氧化膜所包裹，致密性很好，能防止氯离子穿透，从而达到防锈的目的。
（4）适当增加钢筋混凝土保护层的厚度，以延缓二氧化碳、氯离子等到达钢筋表面的时间。
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