海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀疲劳浅析

伏慎敏

摘要：对钢筋混凝土结构的腐蚀疲劳性能进行了分析，总结已建和在建的跨海大桥提高结构耐久性的措施，为以后避免或减缓钢筋混凝土结构的腐蚀疲劳破坏提供参考。

关键词：海洋环境；钢筋混凝土；腐蚀；疲劳；耐久性

Abstract: Study on the Corrosion fatigue performance of reinforced concrete structures, to summarize the stabling bridge to improve structural durability measures, provide a reference for the future to avoid or mitigate the reinforced concrete structures subjected to corrosion fatigue damage.

Key words: marine environment; reinforced concrete; corrosion; fatigue; durability.

中图分类号：TU375文献标识码：A

引言

目前国内外跨海大桥的桥墩主要采用钢筋混凝土结构，钢筋混凝土结构耐久性问题一直是国内外广大研究者关注的重点。在20世纪初，Haigh教授首先提出了腐蚀疲劳现象，在以后EvansV.R.认为在工程实践中这种现象是一个很重要的问题，截止目前，国内外对于腐蚀疲劳已经做了很多的研究工作，但都集中在航空和机械领域，而结构工程领域的研究资料相对较少。早在1988年，美国曾报道，一年用于维修和加固钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费用高达2500亿美元，其中桥梁修复费用约占60%，是初建费用的四倍；类似的钢筋腐蚀破坏的情形在欧洲、澳大利亚等沿海国家非常普遍，在我国也已经发现许多海港码头的混凝土结构使用不过十年已普遍发生顺筋锈胀开裂、剥落等破坏，相关部门不得不斥巨资修复［1］。而对于海洋环境中的钢筋混凝土桥墩，氯盐的外侵导致结构性能的降低，是造成腐蚀破坏的主要原因，腐蚀现象较内陆更加严重。因此，钢筋混凝土构件的腐蚀疲劳问题是一个非常重要同时也是十分迫切需要解决的问题，鉴于此，本文对跨海环境下钢筋混凝土结构做一些初步的探讨。

1．钢筋混凝土结构的腐蚀疲劳性能研究

对于普通的钢筋混凝土构件，荷载频率相对偏低，对钢筋混凝土构件的影响较小，但对于受到腐蚀的钢筋混凝土构件，荷载频率却对其疲劳极限强度影响较大，且荷载频率越低，混凝土结构的疲劳极限强度将越低[2]。腐蚀与疲劳荷载的耦合作用直接导致了受弯构件承载能力的降低。

1.1腐蚀环境下材料的疲劳性能

1.1.1钢筋疲劳性能

钢筋的锈蚀机理主要是Cl-的外侵，大致分为三步，首先是酸化水泥表面的碱性环境，破坏其表面的钝化膜，然后形成以铁为阳极，以残余钝化膜为阴极的“腐蚀电池”使钢筋表面彻底暴露，此外，氯离子还可作为中间载体不断地使Fe2+和OH-生成Fe(OH)2，运走Fe2+，加速腐蚀电池反应，产生钢筋的锈蚀。

锈蚀对钢筋的影响可以通过钢筋的S-N曲线表现出来，对于未锈蚀钢筋，在一定的应力水平变程下，无论进行多少次应力循环，钢筋也不会因疲劳而破坏，但对受腐蚀的钢筋，曹建安[3]教授等得出试验拟合的S-N曲线，对比英国钢结构规范S-N曲线图，可以得出锈蚀钢筋的疲劳寿命不会在长期的持久性中有一个较稳定的值。

近几年，研究者展开了对钢筋锈蚀率与钢筋疲劳寿命关系的研究，首先是孙晓东[4]等在不同锈蚀率下钢筋混凝土梁的疲劳试验中，初步得到了特定应力幅下钢筋锈蚀率与钢筋疲劳寿命之间的关系，而后张伟平[5]等人还在锈蚀钢筋的轴向拉伸疲劳试验中发现，对于光圆钢筋，在不同应力幅下，腐蚀率与钢筋疲劳的寿命比的函数关系也存在一定差异，见表1-1。对于腐蚀对钢筋疲劳寿命影响的具体表达式还有待进一步研究。

表1-1 锈蚀钢筋疲劳试验疲劳寿命比数据

1.1.2混凝土疲劳性能

混凝土本身的疲劳强度较静力强度低很多，对于处于海洋腐蚀环境中的混凝土疲劳强度更低，一方面，混凝土自身疲劳性能降低；另一方面，由于腐蚀引起的钢筋膨胀使得混凝土开裂，加重了混凝土疲劳性能的降低程度。陈栓发[6]等学者通过一系列的混凝土疲劳试验用腐蚀疲劳因子和腐蚀介质因子的取值说明了腐蚀会降低混凝土疲劳性能，但具体量化的关系式还需要进一步研究确定。

1.1.3钢筋与混凝土粘结性能

钢筋与混凝土之间的粘结性能受腐蚀环境的影响很大，钢筋的锈蚀和混凝土的脆化使得钢筋与混凝土之间的咬合力和摩擦力大幅度下降，钢筋与混凝土粘结力的下降导致钢筋混凝土结构整体的疲劳性能的降低，潘振华[7]等人得到考虑锈蚀率影响下疲劳荷载下钢筋粘结强度可以用粘结退化系数与锈蚀后钢筋粘结强度的乘积表示，即(式1-1)。但粘结退化系数的影响因素较多，具体取值尚需进一步的试验确定。

2.提高钢筋混凝土结构耐久性的措施

针对腐蚀环境下，钢筋混凝土力学性能大幅度下降以及结构损伤严重的现状，国内外已经逐步形成了较为成熟提高海洋钢筋混凝土工程耐久性的相关技术措施，可以分为四大类：

2.1提高材料本身性能

从材质本身的性能出发，采用高性能混凝土，将优质混凝土矿物掺和料和新型高效减水剂复合，配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比、低缺陷、高密实、高耐久性的适合海洋环境的高性能混凝土。高性能海工混凝土以较高的密实度和较强的抗氯离子渗透性为特征，技术手段可靠，抗锈效果显著，已有较多的成功实例，但是对施工场地和施工技术要求较高，必须确保养护时间大于15天。

2.2构造措施

根据规范尽可能提高钢筋保护层厚度(一般不小于50mm)见表2-1，这是提高海洋工程钢筋混凝土结构使用寿命的最简单、有效的方法。实验表明，对于暴露于海洋环境中的混凝土，表面30-50mm深度范围内的Cl-浓度远低于15mm深度处的Cl-浓度，但保护层厚度的增加也应有限制。当保护层厚度过厚时，由于混凝土本身的收缩和脆性易产生裂缝，反而削弱了对钢筋的保护作用。国内外已建和在建的跨海大桥几乎均适当的加大了保护层来提高混凝土结构的耐久性。

表2-1 最小保护层厚度（mm）

2.3保护涂层

2.3.1混凝土保护涂层

混凝土保护涂层可以在使用寿命内有效地阻绝腐蚀性介质与混凝土接触，从而延长混凝土和钢筋混凝土的使用寿命，但由于海洋环境的腐蚀作用，一般涂层系统自身寿命在5-10年左右，通常仅作为防腐蚀的辅助措施。一方面，可选用能与混凝土表面的强碱性相适应的薄层涂料作为保护混凝土中钢筋的措施，该类涂层与混凝土的粘结力≥1.5N/m2，并且涂层系统自身寿命和对混凝土的有效防护时间不低于10年；另一方面，可选用自身寿命短的涂层系统用于早龄期混凝土的防护，在混凝土的水化尚未充分完成的龄期内，减轻氯盐等腐蚀物质侵入混凝土内部。

2.3.2钢筋保护涂层

通过在钢筋表面敷涂致密的环氧树脂涂层，将钢筋与外界环境隔离，达到延长钢筋使用寿命的目的，但敷涂环氧涂层的钢筋与混凝土的握裹力仅为钢筋混凝土握裹力的65％左右，结构的整体力学性能较差。而且由于生产环氧涂层钢筋时除去了钢筋表面的氧化膜，一旦锈蚀开始，锈蚀速率较快。因此在施工过程中对环氧涂层钢筋的保护要求极其严格，从而加大了施工难度，一般不推荐采用。