钢筋锈蚀——钢筋混凝土结构最大的危害
杨一舟
名古屋大学
关键词：钢筋混凝土，锈蚀，劣化
钢筋混凝土（reinforced concrete）结构具有结构刚度大、工程造价低的优点而被广泛使用在民用建筑及公路桥梁等基础设施中。钢筋混凝土结构在其供用期间的劣化（deterioration）会直接影响结构的安全性和适用性，缩短结构的服役年限。而对于发生劣化损伤的在役钢筋混凝土结构进行加固补强往往耗费高昂的人力及财力成本。美国土木工程师协会（ASCE）2017年度发布的基础设施报告显示， 加固补强全美现役的桥梁需要花费超过一千二百亿美元。在这些需要加固的桥梁当中，造成结构劣化损伤的主要原因是混凝土中的钢筋发生锈蚀（corrosion）[1]。
钢筋锈蚀普遍发生在暴露于海洋环境或者使用大量除雪剂的公路桥梁结构物中。混凝土在多种因素例如二氧化碳和氯离子侵蚀的影响下，使在碱性环境中形成的附着于钢筋表面的钝化膜被破坏，导致钢筋锈蚀。与此同时，结构物在反复的荷载作用下令混凝土体产生裂缝，雨水携带着氯离子从裂缝侵入混凝土内部，进而加速了钢筋的锈蚀过程。
钢筋锈蚀会直接导致钢筋断面的减小，降低了钢筋的强度，同时会使混凝土构件产生裂缝。锈蚀产物的主要成分为氧化铁，附着在钢筋的表面。这些锈蚀产物的体积是被锈蚀钢筋部分的三到四倍。随着锈蚀的发展，钢筋表面的锈蚀产物逐渐堆积造成钢筋和混凝土的界面产生膨胀压力。当界面的压力达到一定程度时，钢筋周围的混凝土产生裂缝， 随着锈蚀程度的增加，裂缝会贯穿到混凝土的表面，最后在混凝土构件的外表面可以观察到沿钢筋方向的锈胀裂缝 （corrosion-induced crack），见图一。
图一：钢筋混凝土梁底部钢筋锈蚀引起的纵向裂缝和混凝土剥落[2]
在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土的协同工作的前提是两者之间具有良好的粘结特性（bond）。普遍使用的带肋钢筋（deformed rebar）和混凝土的粘结作用主要来源于机械咬合作用（bearing）。如图二所示，当我们向左拉动钢筋时，周围的混凝土对钢筋不但产生沿界面的化学胶着及摩擦力，也产生垂直于界面的咬合力。所以对于未锈蚀的钢筋，粘结强度和钢筋的表面形状直接相关。
图二：带肋钢筋－混凝土粘结机理
当钢筋发生锈蚀，一方面由于断面减小和锈蚀产物的生成使钢筋表面形状发生改变；另一方面混凝土中的锈胀裂缝进一步降低了钢筋和混凝土的机械咬合和摩擦作用，从而严重的影响了钢筋在混凝土中的粘结滑移特性（图三），钢筋也就不再能分担混凝土中的荷载。试验研究显示，锈胀裂缝是影响锈后钢筋的粘结强度的最主要因素[3]。
另外钢筋锈蚀会直接降低钢筋的刚度以及屈服强度，甚至严重的局部锈蚀会导致钢筋的断裂。上述原因直接导致整个构件或结构的承载能力和塑性大幅降低。迄今针对钢筋锈蚀对于钢筋——混凝土粘结滑移特性以及构件承载力的相关课题仍是混凝土结构耐久性研究的热点。
图三：锈蚀对钢筋－混凝土粘结的影响机制
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参考文献：
[1] ASCE. Infrastructure Report Card, American Society of Civil Engineers,2017.
[2] Ministry of Land, Infrastructure and Transport. Guideline of bridge periodic inspection, Road Bureau, Japan, 2014.
[3] Yang, Y., Nakamura, H., Miura, T., Yamamoto, Y. Effect of corrosion-induced crack and corroded rebar shape on bond behavior, Structural Concrete, online version, 2019.
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