混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕及其耐久性計算

蘇紅艷

鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院（458030）

0 前言

鋼筋混凝土具備較高耐久性，在各建筑工程中得以廣泛應(yīng)用。目前建筑行業(yè)處于初級發(fā)展階段，所以鋼筋混凝土耐久性成為熱議話題。當(dāng)鋼筋耐久性降低后，會增加經(jīng)濟(jì)損失，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響非常大。

1 混凝土鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)耐久性的影響

鋼筋混凝土在耐久性結(jié)構(gòu)中的腐蝕會產(chǎn)生較多不良影響。部分學(xué)者分析研究顯示，鋼筋混凝土腐蝕對于混凝土構(gòu)造耐久性、可靠性影響非常大，涉及到外部要素和內(nèi)部要素。內(nèi)部要素主要為鋼鐵要求和施工要求，外部要素主要為環(huán)境要求。鋼筋應(yīng)力狀態(tài)會極大腐蝕、影響結(jié)構(gòu)，并且以應(yīng)力腐蝕為主，危險性比較高，因此鋼筋混凝土腐蝕對于結(jié)構(gòu)耐久性的影響較大。通常情況下，鋼筋應(yīng)力腐蝕涉及到電化學(xué)腐蝕、裂隙發(fā)育等。電化學(xué)腐蝕極易引發(fā)鋼筋斷裂事故。鋼筋對建筑結(jié)構(gòu)的耐久性影響較大，當(dāng)混凝土含堿量較低時，極易產(chǎn)生碳化反應(yīng)，使建筑結(jié)構(gòu)耐久性下降[1]。混凝土結(jié)構(gòu)裂紋和鋼筋腐蝕具備相互關(guān)系。因此，鋼筋腐蝕和構(gòu)造耐久性密切相關(guān)，出現(xiàn)鋼筋腐蝕將會降低建筑結(jié)構(gòu)耐久性。

2 鋼筋混凝土耐久性的影響因素

混凝土耐久性主要是在實(shí)際應(yīng)用期間，抵抗混凝土各類破壞因素，使其可以長期保持強(qiáng)度與外觀完整性。混凝土結(jié)構(gòu)正常使用中，因受到外部因素影響，無需專有資金維修和加固外觀與缺陷。因此，鋼筋混凝土耐久性的影響因素具體如下。

2.1 混凝土內(nèi)部缺陷

混凝土內(nèi)部存在缺陷，會影響混凝土密實(shí)度。當(dāng)鋼筋混凝土密實(shí)度下降時，將會引發(fā)多種問題，極大地影響鋼筋混凝土耐久性[2]。

1）堿集料反應(yīng)。該類反應(yīng)主要是混凝土內(nèi)部蘊(yùn)含的堿性物質(zhì)，集料活性成分的化學(xué)反應(yīng)，致使混凝土損壞、開裂和膨脹，會極大影響耐久性。

2）滲漏。如果混凝土內(nèi)部的密實(shí)度較低時，極易混合空氣與水?；炷羶?nèi)含化學(xué)物質(zhì)與毒害物質(zhì)，會導(dǎo)致鋼筋混凝土遭受侵蝕，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。

3）凍融循環(huán)破壞。此種破壞是飽水狀態(tài)下，混凝土由于凍融循環(huán)作用，出現(xiàn)的明顯破壞問題。多是由于混凝土處于正負(fù)溫度、飽水交替狀態(tài)，滲透到混凝土內(nèi)部的水會在低溫狀態(tài)下膨脹結(jié)冰，從而破壞鋼筋混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

4）化學(xué)侵蝕。硫酸鹽、酸、堿、壓力流動水，都包含腐蝕性物質(zhì)，從而侵蝕鋼筋混凝土。含侵蝕性介質(zhì)與水產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)，缺乏凝膠功能。水溶解的水化產(chǎn)物，含侵蝕性介質(zhì)、鋼筋混凝土等，極易出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，從而嚴(yán)重影響鋼筋混凝土耐久性。

2.2 混凝土外部缺陷

1）鋼筋銹蝕，混凝土碳化。影響鋼筋混凝土耐久性原因，離不開鋼筋銹蝕損傷。當(dāng)混凝土發(fā)生碳化發(fā)生時，會出現(xiàn)嚴(yán)重鋼筋銹蝕問題。當(dāng)混凝土呈現(xiàn)堿性時，混凝土水泥出現(xiàn)水化反應(yīng)，致使鋼筋混凝土表面出現(xiàn)鈍化膜，阻擋鋼筋銹蝕問題。在此種環(huán)境中，二氧化碳會產(chǎn)生酸性物質(zhì)，極易滲透到鋼筋混凝土內(nèi)部、堿性物質(zhì)水泥之間，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即混凝土碳化。

2）機(jī)械反復(fù)使用。在建造鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，當(dāng)應(yīng)用機(jī)械開展多次沖刷磨損處理時，將會削弱混凝土結(jié)構(gòu)，長此以往，會降低混凝土抵抗力。當(dāng)建筑修建時間較長時，周邊會生長青苔或生物，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu)，降低耐久性。

3）海水侵蝕、雨水侵蝕、高低溫等氣候環(huán)境因素，也會影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。當(dāng)鋼筋混凝土密實(shí)度不夠時，環(huán)境內(nèi)部存在侵蝕介質(zhì)，極易進(jìn)入到混凝土結(jié)構(gòu)中，破壞混凝土自身強(qiáng)度，還會降低鋼筋混凝土的耐久性。

3 鋼筋腐蝕過程的物質(zhì)量描述與電化學(xué)理論計算

鋼筋腐蝕的物質(zhì)包括氧化鐵、水、氧氣、氫氧化鐵、氫氧化亞鐵、氯離子。與凝結(jié)物表面平面相垂直，利用鋼筋中心作為分析平面、混凝土表面與鋼筋表面邊界。對平面中任意一點(diǎn)，通過物質(zhì)量守恒可知:

鋼表面電極反應(yīng)導(dǎo)致氧和氫氧化亞鐵變化及孔隙水滲透導(dǎo)致的水變化，均可以忽略不計。通過菲克定律定義可知:

在（2）中，D表示物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，w表示孔隙水，O為氧氣，C為氮?dú)?，f為氫氧化亞鐵。利用麥克斯韋方程、歐姆定律可得:

其中，i是一個點(diǎn)的電位與電流密度，即混凝土電阻率?；疚⒎址匠探M成包括（1）～（3）。電場與物質(zhì)邊界要求、促使要求，能夠?qū)γ總€點(diǎn)質(zhì)量變化進(jìn)行描述。鋼棒陽極區(qū)域，氫氧化亞鐵被氧化為氫氧化鐵。按照反映的力學(xué)的反應(yīng)速度定律、Fick定律、電化學(xué)基本理論、電量與物質(zhì)平衡要求，聯(lián)合歐姆定律獲得方程組:

在（4）中，R*表示腐蝕電流閉合回路電阻，SA表示陽極面積，SO表示陰極面積，nF值為1。通過（4）方程組，可以獲得理論腐蝕電流值，屬于混凝土氧氣擴(kuò)散因素。

4 鋼筋銹蝕的防護(hù)措施

4.1 避免氯離子侵蝕

氯離子侵入極易造成鋼筋銹蝕，氯離子會通過滲入、混入方式進(jìn)入混凝土。電化學(xué)法保護(hù)法可以避免氯離子入侵混凝土，涉及到陰極保護(hù)法和陽極保護(hù)法。其中，陰極保護(hù)法的經(jīng)濟(jì)性及有效性高，因此應(yīng)用較廣。陽極保護(hù)是連接保護(hù)金屬構(gòu)件、直流電源正極，電流通過時會產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而形成鈍化區(qū)，保護(hù)金屬構(gòu)件[3]。

4.2 提升混凝土密實(shí)度

外界有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部孔隙，極易深入到混凝土內(nèi)部，從而到達(dá)鋼筋表面，致使鋼筋銹蝕。因此，為了避免外部有害物質(zhì)影響，必須加強(qiáng)混凝土密實(shí)度。只有確?；炷量紫堵式档停趴梢栽黾踊炷撩軐?shí)度。所以，降低混凝土拌和用水量，可以降低孔隙率。但是如果僅僅將混凝土拌和用水量減少，不僅會降低工作性能，還會產(chǎn)生蜂窩現(xiàn)象。因此，工程規(guī)劃設(shè)計時，必須對混凝土構(gòu)件裂縫寬度進(jìn)行控制，合理設(shè)定保護(hù)層，同時控制原材料質(zhì)量，確保振搗操作的有效性，以此維護(hù)混凝土的密實(shí)度[4]。

4.3 混凝土裂縫控制

混凝土裂縫對混凝土材料耐久性、承載性能、抗?jié)B性能影響較大，還會影響建筑壽命與外觀，嚴(yán)重威脅人們的生命安全，所以必須對混凝土裂縫進(jìn)行科學(xué)控制。第一，選擇收縮量小，低、中熱水泥，例如粉煤灰水泥、礦渣水泥等。第二，混凝土干縮性極易受到水灰比影響。當(dāng)水灰比越大時，則干縮性就越大，因此必須對水灰比進(jìn)行科學(xué)控制。適當(dāng)添加高效減水劑，提升混凝土和易性與坍落度，減少水泥與水用量[5]。

4.4 使用階段的檢修與維護(hù)

由于建筑施工與運(yùn)營時間長，因此極易產(chǎn)生老化問題。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低下，會造成一系列檢修維護(hù)難題，從而加劇工程安全隱患。在使用鋼筋材料時，多數(shù)問題都是由于技術(shù)或資金不到位所致?；陂L遠(yuǎn)發(fā)展眼光，應(yīng)當(dāng)增加檢修維護(hù)費(fèi)用，積極投入到檢修維護(hù)中，避免鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)受到影響，降低混凝土耐久性[6]。

4.5 制定混凝土鋼筋標(biāo)準(zhǔn)

制定鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)。鋼筋加固的標(biāo)準(zhǔn)要求高。在特定外部要素、良好耐腐蝕性條件下，必須全面提升建筑結(jié)構(gòu)耐久性。由于鋼筋標(biāo)準(zhǔn)比較低，則上述要素會相互滲透，從而加劇鋼筋腐蝕，所以必須按照不同情況，靈活使用混凝土鋼筋標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

混凝土耐久性在自然環(huán)境與使用條件影響下，可以有效抵抗材料性能劣化，維護(hù)結(jié)構(gòu)適用性與安全性。結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，使用年限內(nèi)抵抗外部環(huán)境、內(nèi)部侵蝕影響。鋼筋銹蝕可以減小鋼筋截面積，促進(jìn)混凝土保護(hù)層脹裂剝落。通過減小鋼筋截面積，能夠使構(gòu)件承載力降低，進(jìn)一步促使構(gòu)件疲勞性能、延性、韌性下降。尤其是預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，當(dāng)出現(xiàn)初始腐蝕跡象后，局部腐蝕位置喪失剩余承載力，在無預(yù)兆情況下，會出現(xiàn)發(fā)生崩塌問題。當(dāng)混凝土保護(hù)層剝落、脹裂之后，會破壞鋼筋混凝土的黏結(jié)力，裂縫會造成鋼筋從混凝土內(nèi)部拔出。