引言

    鋼筋混凝土是鋼筋和混凝土材料的有機結合體，它有效發揮了鋼筋的抗拉性和混凝土材料的抗壓性，具有整體性優、性價比高、耐火、抗凍、防水等諸多特點。自從波特蘭水泥問世至今，鋼筋混凝土結構廣泛地在土木、水利、港口、橋梁等領域得以運用，一直被當作工程結構設計的首選形式。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致的耐久性不足，而由于耐久性不足引發的實際工程問題也越發嚴重  。綜合國內外的統計資料發現：現有的鋼筋混凝土結構普遍存在由于氯化物污染腐蝕鋼筋和混凝土碳化而導致結構耐久性下降問題，腐蝕鋼筋結構的耐久性破壞所引發的重大安全事故不在少數，造成巨大經濟損失 。1967 年建于美國明尼蘇達州的跨密西西比河標號 1-35W 鋼筋混凝土公路拱橋，使用了僅僅 20 多年就出現橋體嚴重腐蝕現象，在采用局部修補方法進行修復后不久又出現了腐蝕和混凝土裂縫問題，最終于 2007 年發生重大坍塌事故；臺灣地區不斷發生的“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，直接造成經濟損失萬元。“五倍定律”是由國外學者提出的概念：即如果設計初期忽視鋼筋防護技術要求而少投入 1 美元，后續在銹蝕問題暴露后將投入費用 5 美元用以維修，而在保護層混凝土表面發生順筋開裂后則需要花費 25 美元用以加固修復，最后當結構嚴重破壞時所投入的維修費將高達 125 美元。因此，鋼筋腐蝕已成為威脅結構安全的最大因素 。在大量已建成鋼筋混凝土結構中，由于建造時重視度不夠，采用了大水灰比、薄保護層、摻加氯化物作為早強劑等較差的護筋技術條件直接引起了鋼筋的腐蝕破壞，同時加上一些極端惡劣侵蝕條件下施工技術質量的控制不到位加劇了病害的發展，急需經濟有效的防護措施。

    鋼筋腐蝕損傷原理

    鋼筋混凝土結構在服役初期，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致鈍化膜的破壞，進而引發了鋼筋的腐蝕。混凝土碳化主要表現為大范圍的全面腐蝕，而氯離子的侵入則表現為局部點蝕、坑蝕，雖然點蝕的腐蝕面積較小但腐蝕深度較大，易引起結構應力集中，出現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 ）發生化學中和反應。

    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，進而引發混凝土保護層下的鋼筋腐蝕。

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

        在鋼筋腐蝕反應過程中，氯離子－破壞了鋼筋表面的鈍化膜形成腐蝕電池，同時搬運走鋼筋陽極產物，加速陽極腐蝕反應，主要起到催化作用。同時在電化學腐蝕過程，氯離子－不被消耗，強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，提高了整個腐蝕電池反應效率，促進了電化學腐蝕的過程。

   鋼筋腐蝕造成的破壞形式

    混凝土中鋼筋銹蝕后將產生體積膨脹，其銹蝕產物鐵銹的體積為原始鋼筋體積的 2 ～4 倍，鋼筋體積的擴大將導致在鋼筋和混凝土的交界面上產生環向壓力，稱為鋼筋銹蝕膨脹力，當銹脹較為嚴重時混凝土會由于主拉應力過大而開裂破壞。大量的研究表明，鋼筋腐蝕對混凝土結構承載力破壞的影響類型主要分為：①鋼筋力學性能退化，有效截面面積減少；②導致鋼筋保護層混凝土破壞發生剝落和順筋裂縫；③破壞了混凝土和鋼筋之間的粘結界面，降低了混凝土和鋼筋兩相的協同工作效應  。

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    1 鋼筋力學性能的退化

    鋼筋銹蝕后，截面面積減小、在鋼筋表面出現大大小小的點蝕坑，鋼筋力學性能急劇劣化，其屈服強度、極限伸長率、抗拉性能都明顯降低，對于預應力鋼筋更容易產生應力腐蝕。近年來國內外大量的學者分別通過電化學銹蝕試驗、工程實際構件的承載力試驗、有限元方法進行數值分析等多種手段，對銹蝕鋼筋的力學性能退化展開了研究。Capozucca 和惠云玲 的研究認為：當鋼筋銹蝕率小于 1% 時，其力學性能指標和原材料基本相同；當銹蝕率小于且腐蝕比較均勻時，熱軋鋼筋的應力—應變曲線尚存在較為明顯的屈服點，鋼筋屈服強度、抗拉強度等指標與原材料大致相符，鋼筋伸長率基本符合規范要求，但是在計算結構承載力時需要考慮界面的折減系數。Shuenn-Chem Ting 等 采用有限差分法編制計算程序計算了鋼筋截面損失對鋼筋混凝土梁承載力的影響，但并未考慮鋼筋強度降低和粘結力損失等因素。張平生等 的研究認為銹蝕鋼筋屈服強度的降低與鋼筋截面損失率呈線性比例關系。袁迎曙 認為當鋼筋的平均銹蝕率小于時發生的是“均勻”銹蝕，而鋼筋表面的坑蝕會大大降低鋼筋的屈服強度。盧木等 認為隨著腐蝕程度的加深，大面積的不均勻腐蝕導致鋼筋應力—應變曲線屈服平臺逐漸縮短，鋼筋極限強度和屈服強度降低，極限伸長率減小其其減小程度遠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發現銹蝕鋼筋力學性能衰減以延伸率最為敏感。黃振國等研究發現，銹蝕鋼筋的極限強度和屈服強度由鋼筋的銹蝕率和銹蝕不均勻系數共同決定。

    實際情況中鋼筋的腐蝕具有極大的隨機性，造成銹蝕鋼筋的結構形狀、材料參數的不確定，使結構受力十分復雜。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分布，因此可以考慮在概率統計的基礎上結合不均勻分布于銹蝕鋼筋表面的輪廓曲線，采用隨機有限元的方法對實際銹蝕鋼筋的力學性能進行數值模擬。

     2 混凝土保護層的破壞

    鋼筋腐蝕銹脹后，體積擴大為原來的 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。鋼筋銹脹力不僅會影響鋼筋與混凝土界面之間的粘結性能，同時會造成混凝土破裂、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層混凝土脹裂的時刻和鋼筋銹脹力的計算公式，認為鋼筋銹脹力最顯著的影響因素是鋼筋銹蝕率。Capozucca 通過研究認為，鋼筋銹脹應力導致混凝土受壓區處于雙軸異號受力狀態，此時混凝土將沿銹蝕鋼筋縱向脹裂，混凝土出現受壓軟化現象，完全進入塑性狀態，嚴重影響了鋼筋混凝土構件的延性性能。張喜德等對混凝土抗壓強度與鋼筋銹脹應力之間的關系進行了試驗研究，結論是：在混凝土開裂之前鋼筋的銹蝕量很小，銹蝕導致混凝土的抗壓強度出現明顯下降，在混凝土銹脹開裂之后，其抗壓強度有略微回升趨勢。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力，發現由于鋼筋銹蝕膨脹導致混凝土的最大主拉應力最大，且其值隨著路徑映射距離的增加而逐步減小。薛圣廣利用數值軟件研究了鋼筋不均勻銹脹在結構角區和非角區對周邊混凝土的應力響應，同時通過在徑向施加不均勻位移，得到了鋼筋外部保護層中混凝土的應力分布規律。

    混凝土的損傷不僅與鋼筋銹脹有關，混凝土本身的碳化和化學侵蝕也使其材料性能發生了變化，以往在試驗中對加速腐蝕鋼筋混凝土構件或者在役腐蝕鋼筋混凝土構件的保護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特性研究是腐蝕鋼筋混凝土結構及其力學性能的研究的基礎，對于受腐蝕混凝土自身的本構關系和破壞準則目前尚未取得清晰的研究結論，從而導致腐蝕鋼筋混凝土結構的有限元計算與分析工作無法更好地反映真實情況。

     3 鋼筋與混凝土粘結性能的下降

    鋼筋腐蝕后，在其表面產生了一層不均勻結構疏松氧化物隔離層，損傷了混凝土和腐蝕鋼筋的接觸表面；周圍保護層混凝土在鋼筋銹蝕產物的徑向膨脹力作用下發生開裂，減弱了其對鋼筋的有效約束作用；同時鋼筋發生腐蝕后，其變形肋將逐漸退化，周圍混凝土和變形肋之間的機械咬合作用逐漸消失導致混凝土和鋼筋之間的界面粘結性能不斷劣化，降低了混凝土和鋼筋材料的協同工作效應。研究表明，在鋼筋銹蝕的初期，當銹蝕率小于 1% 時，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強度然而伴隨著腐蝕發展，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張等因素，粘結強度將大幅度下降  。X. Fu 通過試驗對比發現，在銹蝕裂縫出現初期，銹蝕提高了光圓鋼筋表面的粘結強度，而變形鋼筋的銹蝕強度卻相較無銹蝕狀態有所降低。范穎芳等 試驗研究發現，在實際的工程構件中混凝土和銹蝕鋼筋的粘結能力下降幅度在 20% ～ 50%。Amleh  通過試驗給出了粘結強度與鋼筋銹蝕率之間的關系曲線和粘結強度與裂縫寬度的關系曲線。為了更加準確地分析銹蝕鋼筋混凝土構件的承載力變化，大量的工作研究旨在找出準確的鋼筋混凝土粘結—滑移本構模型。趙羽習等 在鋼筋拔出試驗基礎上，分析了銹蝕后的鋼筋應力 、混凝土和銹蝕鋼筋之間粘結應力 以及相應的兩者相對的滑移量 關系，總結出了應力與滑移量三者的解析表達式，得出了不同位移條件下 關系變化規律。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 對單調加載受彎銹蝕鋼筋混凝土柱進行了全程分析，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系。

    對于銹蝕鋼筋與混凝土之間粘結性能的研究，目前國內外學者主要還是采用基礎試驗方法，然而在試驗中所使用的構件中鋼筋腐蝕程度往往不易控制且費事費工，采用有限元進行數值模擬仿真的方法能彌補試驗中的不足，分析結果離散性小、成本代價低，但是限于現有的研究水平，無法給出準確的混凝土和鋼筋界面的粘結—滑移本構模型。現有的數值模擬中所采用的粘結—滑移本構關系，主要還需要通過試驗研究來獲得。

    鋼筋混凝土結構的防護技術

    混凝土中的鋼筋銹蝕一般分為 2 個階段：初始階段 （ Initiation stage） 和 擴 展 階 段。當鋼筋表面的鈍化膜受到破壞出現銹蝕之后，溫度、氧氣擴散濃度、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 。實踐證明，對于在復雜惡劣條件下工作的鋼筋混凝土結構，在建造和服役階段需要充分考慮鋼筋防腐的要求。現主要防護技術有內摻阻銹劑法、外涂層法、陰極保護法以及采用特殊材料的方法。

    內摻阻銹劑法。內摻阻銹劑根據其所使用的材質種類可分為無機類和有機類；根據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阻銹劑，使其優先參與并抑制鋼筋陰陽兩極與周圍電解質界面上的電化學反應來阻止鋼筋腐蝕。國內外大量研究表明：采用鋼筋阻銹劑的方法，能夠有效防止并減緩混凝土內部鋼筋的銹蝕。同時由于其成本低廉、使用方便而且經濟效應高，在實際工程運用中大量使用，是目前主要的鋼筋混凝土結構銹蝕防護技術措施。

    外涂層法。按作用機理可分為覆蓋層、隔離層、滲透層，按材質類別可分為水泥基、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境的功能，可以有效保護混凝土自身防止外部有害氯離子侵入，同時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，能夠有效封閉結構內部孔隙，有利于提高后續防腐涂層對現有結構表面的附著力。但是由于外涂層在荷載作用和外部環境的侵蝕下容易出現開裂、破損的狀況，而再次涂覆又比較困難，所以在使用時必須解決涂層中的附著力和耐堿性等方面的問題。

    陰極保護法。根據陰極保護原理，通過犧牲陽極或施加外加電流的方法，使得混凝土內部的鋼筋受到電化學保護。陰極保護可以用于潮濕地下環境、海水環境下的獨立結構構件腐蝕防護，但是在使用時必須嚴格控制保護電位的范圍，特別是對于預應力混凝土結構，需要注意防止由于析氫而引發的裹握力降低以及氫脆的情況發生。

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

    展望

    現有國內外對腐蝕鋼筋混凝土構件承載力研究大都是基于試驗的基礎上進行的，雖然試驗研究能夠比較真實地模擬構件實際銹蝕損傷情況，相對直觀具體地體現腐蝕鋼筋混凝土力學性能的退化，但是試驗研究工作費時費力，開展大量的試驗研究難度較大。而數值模擬的方法能夠有效彌補試驗的不足，現有的大部分數值模擬研究只考慮了銹蝕鋼筋和混凝土的宏觀力學特性和變形，忽視了銹蝕產物對于鋼筋和混凝土材質的界面效應。但是由于影響鋼筋腐蝕及鋼筋混凝土界面粘結性能破壞機理比較復雜，暫時缺乏一套論據充分、較完整的粘結滑移模型使得有限元數值分析的工作存在一定困難。同時，現有的腐蝕鋼筋混凝土防護技術，往往只考慮了防腐層面的技術要求，而忽視了結構承載力方面的考量。后期的研究可以結合試驗數據，針對鋼筋與混凝土之間的粘結滑移的界面問題，考慮不同時刻鋼筋表面腐蝕程度對鋼筋混凝土界面力學特性的影響，建立損傷界面模型，采用均勻化思想，根據鋼筋混凝土的腐蝕損傷界面力學特性推導出腐蝕鋼筋混凝土材料的宏觀有效模量的表達式，更加準確地計算在役鋼筋混凝土結構在腐蝕條件下的實時承載力，簡化數值模擬工作量，提高計算結果精度，更好地指導構件建造初期和后期的結構修復工作以及表面防腐涂層和加固材料的制備，以滿足結構承載力修護的技術要求。