锈蚀钢筋混凝土构件力学性能退化规律与寿命预测模型

一、引言

钢筋混凝土因其力学、经济和适用性优点，在多个工程领域广泛使用。但随时间增长，钢筋易因环境影响而锈蚀，尤其在沿海、污染区和潮湿环境中更严重。锈蚀会降低钢筋强度、延性及与混凝土的粘结力，导致结构损伤，影响承载力和耐久性，威胁建筑安全。因此，研究锈蚀对力学性能的影响，建立寿命预测模型，对结构维护和评估至关重要。

二、钢筋锈蚀机理

2.1 化学腐蚀

钢筋锈蚀本质上是一种电化学腐蚀过程。钢筋主要由铁（Fe）组成，当混凝土中的碱性环境（pH 值通常在 12.5 - 13.5 之间）因碳化作用或氯离子侵入而遭到破坏时，钢筋表面的钝化膜被破坏，形成腐蚀电池。在阳极区，铁失去电子发生氧化反应： ；在阴极区，氧气和水获得电子发生还原反应： 。生成的 Fe²⁺ 与 OH^- 结合形成 Fe (OH)₂，进一步被氧化为 Fe (OH)₃，最终分解为 Fe₂O₃ （铁锈）。铁锈的体积比铁的体积大 2 - 4 倍，这种体积膨胀会在混凝土内部产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会出现裂缝。

2.2 氯离子侵蚀

氯离子是导致钢筋锈蚀的最主要因素之一。氯离子具有很强的穿透能力，能够破坏钢筋表面的钝化膜。即使在碱性环境下，氯离子也能吸附在钢筋表面，与铁发生反应生成 FeCl₂，FeCl₂水解产生 H⁺ ，进一步加速腐蚀过程。同时，氯离子的存在还能降低腐蚀电池的电阻，促进电子的转移，使腐蚀反应持续进行。在沿海地区，海风中的氯离子和含盐的空气会加速钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀；在冬季使用除冰盐的道路桥梁结构中，除冰盐中的氯离子也会侵入混凝土内部，引发钢筋锈蚀。

2.3 碳化作用

混凝土的碳化是指空气中的二氧化碳（ CO₂ ）与混凝土中的氢氧化钙（Ca (OH)₂）发生化学反应，生成碳酸钙（ CaCO₃ ）和水。碳化过程会使混凝土的 pH 值降低，当 pH 值降至 11.5 以下时，钢筋表面的钝化膜开始不稳定；当 pH 值降至 9 以下时，钝化膜完全破坏，钢筋失去保护，从而发生锈蚀。碳化速度与混凝土的密实度、水灰比、环境湿度和二氧化碳浓度等因素有关。密实度高、水灰比小的混凝土，碳化速度较慢；环境湿度在 50%-75% 之间时，碳化速度最快。

三、锈蚀钢筋混凝土构件力学性能退化规律

3.1 钢筋与混凝土粘结性能退化

钢筋与混凝土之间良好的粘结性能是保证钢筋混凝土构件协同工作的基础。钢筋锈蚀后，铁锈的膨胀会使混凝土内部产生径向拉应力，导致混凝土沿钢筋方向出现裂缝，削弱钢筋与混凝土之间的化学胶着力、摩擦力和机械咬合力。试验研究表明，随着钢筋锈蚀率的增加，粘结强度呈下降趋势。当锈蚀率较小时（小于 5% ），粘结强度下降相对缓慢；当锈蚀率超过 5% 后，粘结强度急剧下降。此外，粘结性能的退化还与钢筋的直径、混凝土的强度等级、保护层厚度等因素有关。钢筋直径越大，锈蚀对粘结性能的影响越明显；混凝土强度等级越高、保护层厚度越大，对粘结性能的保护作用越强。

3.2 钢筋力学性能退化

钢筋锈蚀会直接导致其力学性能下降。锈蚀使钢筋的有效截面积减小，同时改变了钢筋的微观组织结构，降低了钢筋的屈服强度、抗拉强度和延性。研究发现，钢筋的屈服强度和抗拉强度与锈蚀率近似呈线性关系，随着锈蚀率的增加，强度降低的幅度逐渐增大。当锈蚀率达到 10%-15% 时，钢筋的强度下降明显，延性也显著降低，钢筋变得脆硬，容易发生脆性破坏。此外，锈蚀钢筋的疲劳性能也会受到严重影响，在反复荷载作用下，锈蚀钢筋更容易发生疲劳断裂。

3.3 构件整体承载能力退化

钢筋与混凝土粘结性能和钢筋力学性能的退化，最终会导致钢筋混凝土构件整体承载能力下降。对于受弯构件，随着钢筋锈蚀，构件的正截面受弯承载力降低，裂缝宽度增大，挠度增加。在受剪构件中，锈蚀会削弱箍筋与混凝土之间的粘结，降低箍筋的抗剪作用，使构件的斜截面抗剪承载力下降。对于受压构件，钢筋锈蚀会导致受压钢筋的抗压强度降低，同时由于混凝土的开裂和剥落，构件的稳定性受到影响，承载能力也随之下降。通过对不同类型锈蚀钢筋混凝土构件的试验研究和数值模拟分析，可建立构件承载能力与钢筋锈蚀率、混凝土性能等因素之间的量化关系，为构件承载能力评估提供依据。

四、寿命预测模型构建

4.1 基于锈蚀机理的预测模型

基于钢筋锈蚀的化学和电化学原理，可建立钢筋锈蚀速率模型。常用的模型有法拉第电解定律模型，该模型根据腐蚀电流与钢筋锈蚀量之间的关系，计算钢筋的锈蚀速率。通过监测混凝土中钢筋的腐蚀电流密度，结合钢筋的电化学参数，可预测钢筋在不同环境条件下的锈蚀深度随时间的变化。此外，考虑氯离子扩散、碳化深度发展等因素，可建立多因素耦合的锈蚀预测模型，更准确地描述钢筋锈蚀过程。例如，将 Fick 第二定律应用于氯离子在混凝土中的扩散过程，结合混凝土碳化模型，可预测不同位置钢筋开始锈蚀的时间和锈蚀发展速度。

4.2 基于力学性能退化的预测模型

根据锈蚀钢筋混凝土构件力学性能退化规律，建立构件性能退化与寿命之间的关系模型。例如，以构件的承载能力为控制指标，当构件承载能力下降到规定的最低限值时，认为构件达到使用寿命。通过试验数据和理论分析，确定构件承载能力与钢筋锈蚀率、服役时间等因素的函数关系，进而预测构件的剩余寿命。此外，还可利用可靠性理论，考虑荷载、材料性能等因素的随机性，建立基于可靠度的寿命预测模型，评估构件在不同服役阶段的可靠性水平，为结构维护和加固决策提供更科学的依据。

4.3 模型验证与优化

建立的寿命预测模型需要通过实际工程案例和试验数据进行验证。将模型预测结果与实际检测结果进行对比分析，评估模型的准确性和可靠性。对于存在偏差的模型，分析偏差产生的原因，对模型参数进行调整和优化，提高模型的预测精度。同时，随着新的试验数据和研究成果的出现，不断更新和完善寿命预测模型，使其更符合实际工程情况。

五、结论

钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土构件力学性能和使用寿命的关键因素。深入研究锈蚀钢筋混凝土构件力学性能退化规律，构建科学合理的寿命预测模型，对于既有钢筋混凝土结构的维护和管理具有重要意义。未来还需要进一步开展研究，完善相关理论和模型，提高寿命预测的准确性和可靠性，为保障钢筋混凝土结构的安全和耐久性提供更有力的技术支持。

参考文献

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