海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀机理及监测技术概述

2014年我国由于腐蚀产生的损失约为21 278亿元,占国家GDP的3.34%。海洋环境中氯离子渗透至混凝土内部导致钢筋锈蚀是海洋环境下混凝土结构损伤的重要原因。海洋不同腐蚀区域的离子浓度、氧气浓度及海水干湿循环作用时间各不相同,这使得海洋不同腐蚀区域中暴露混凝土的氯离子传输速度和分布规律、钢筋锈蚀产物及锈蚀模式、钢筋锈蚀速率存在显著差异。其中海洋浪溅区和高潮位区域因氧气充足、海水干湿循环作用剧烈及浪溅作用导致钢筋混凝土更易破坏。钢筋锈蚀产物体积是原始体积的2~6倍,持续增加的锈蚀产物将导致混凝土开裂、保护层剥落并进一步加速钢筋锈蚀;考虑钢筋非均匀锈蚀、锈蚀产物填充效应、钢筋及混凝土性能的钢筋混凝土锈胀开裂模型将更加精确。根据海洋不同腐蚀区带特点、钢筋混凝土性能及受荷情况,建立不同腐蚀区域中混凝土的氯离子传输模型,钢筋锈蚀速率模型和混凝土锈胀开裂模型有助于准确预测海洋环境下钢筋混凝土的服役寿命。 通过对混凝土中钢筋锈蚀的检测与监测有助于实时了解混凝土的服役状态。采用线性极化、电化学噪声和电化学阻抗谱等电化学方法可以较好地检测钢筋锈蚀状态、获得混凝土中钢筋的锈蚀速率。基于电化学原理开发的阳极梯和环形电极、基于钢筋锈胀应力测试的光纤监测技术以及基于数字图像技术获得混凝土中钢筋锈蚀应力应变场,有助于实现对混凝土中钢筋锈蚀的监测,并且部分已应用于海洋工程。相比于普通钢筋,锈蚀钢筋的导电率和导磁率均显著降低,采用电磁感应原理开发钢筋锈蚀装置实现了暴露在海水中的普通钢筋和耐蚀钢筋磁通量变化值与钢筋质量损失线性关系的建立。这也为更精确监测混凝土中钢筋锈蚀全过程、实现混凝土中钢筋锈蚀源定位及损伤程度识别提供可能。因此,综合利用氯离子、pH微电极等实现混凝土内部微环境监测,开发先进的钢筋锈蚀监测传感器实现混凝土中钢筋锈蚀源和锈蚀速率监测,通过图像监测技术实现钢筋锈蚀诱导混凝土开裂过程监测。综合上述措施将实现对钢筋混凝土结构腐蚀的全过程监测,并为海洋钢筋混凝土服役寿命预测模型的验证与修正提供依据,同时为海洋环境混凝土的耐久性评估系统提供预警机制。     

钢筋锈蚀后与再生混凝土间粘结-滑移本构关系研究

为研究钢筋锈蚀后与再生混凝土间粘结-滑移本构关系,主要考虑了不同钢筋锈蚀率、不同再生粗骨料取代率、不同再生混凝土强度等因素的影响,采用加速通电锈蚀以及钢筋开槽内贴片方法,完成23组钢筋再生混凝土试件粘结-滑移性能拉拔试验,获得了再生混凝土与不同锈蚀程度螺纹钢筋间的荷载-滑移曲线以及不同锚固位置处钢筋应变。通过实测结果及理论分析,计算得到不同锈蚀率下钢筋再生混凝土间粘结应力及滑移值沿锚固长度分布规律,分析了钢筋锈蚀前后与再生混凝土间粘结应力传递及粘结锚固位置函数差异的受力机理,提出了不同锈蚀率下反映实际粘结分布规律的粘结锚固位置函数模型,最后建立钢筋锈蚀后与再生混凝土间考虑粘结-滑移位置函数的粘结-滑移本构关系,为锈蚀后钢筋再生混凝土有限元分析提供参考依据。     

钢筋锈蚀的原因与预防措施

本文对钢筋锈蚀的原因,锈蚀产生的严重危害及防治措施进行论述,以期对混凝土中钢筋锈蚀的预防有所帮助。     

氯离子及迷流共同作用下持荷盾构管片钢筋锈层形态

针对盾构隧道结构在服役期间可能出现钢筋锈蚀的问题,考虑杂散电流、氯离子及外部荷载共同作用,建立了电-化-力三场耦合的三维管片数值模型,分析了多因素作用下拱腰部位管片钢筋的锈蚀率变化规律及锈层分布形态。研究表明: 1）靠近管片外侧钢筋的锈蚀率比内侧的大,不同区域的钢筋出现最大锈蚀率的位置与连心线的夹角在0°~52°之间。2）在荷载作用下管片钢筋的锈蚀率与体积应变有关,管片中部的锈蚀率大于两端的锈蚀率。3）在钢筋脱钝情况下,管片钢筋的锈蚀率随阴阳极电势差增大呈线性增加,随氯离子含量增大呈对数增加。4）在三种因素共同作用下管片钢筋的锈层分布呈偏心圆形态,且偏心圆圆心坐标及半径的大小与钢筋不均匀锈蚀系数及最大腐蚀电流密度有关。     

混凝土设计参数对氯盐环境下钢筋锈蚀的影响研究

研究了混凝土设计参数包括水胶比、胶凝材料组成、保护层厚度和混凝土氯离子含量等对氯盐环境下混凝土中钢筋锈蚀的影响。通过模拟氯盐环境下混凝土中钢筋所处的锈蚀环境,并以一定的方法加速混凝土中钢筋的锈蚀,采用电化学测试手段(钢筋腐蚀电位和钢筋腐蚀电流密度)来评价各设计参数对钢筋锈蚀的影响。结果表明,水胶比越小、保护层厚度越大、混凝土氯离子含量越小、使用矿物掺合料能有效延缓钢筋开始锈蚀时间,并在不同程度上减小钢筋的锈蚀速率。试件在试验一段时间后被破损,将钢筋周围砂浆制样并进行SEM扫描电镜元素分析试验,进一步验证电化学测试方法的准确性及钢筋的锈蚀程度。     

氯盐侵蚀下铜矿渣混凝土高温后内部钢筋锈蚀规律

为探究高温及铜矿渣细骨料对混凝土中钢筋锈蚀模式的影响规律,对不同铜矿渣置换率的混凝土试件进行高温试验,然后采用干湿循环浸泡法对试件进行人工加速氯离子侵蚀试验,并利用电化学方法测量自然电位值以监测混凝土内部钢筋的锈蚀情况,最后测量混凝土内部氯离子含量及钢筋锈蚀率。结果表明：自然电位法可以较好地反映试件内部钢筋的实际锈蚀情况;高温破坏了混凝土抗氯离子侵蚀性能,从而导致混凝土试件中的钢筋锈蚀程度随经历温度的升高而增大;此外,高温下铜矿渣自身较大的膨胀变形及冷却后与水泥净浆间不协调收缩的综合作用进一步破坏了混凝土微结构,使钢筋锈蚀率随着铜矿渣置换率的提高而增大;最后建立了氯盐侵蚀下铜矿渣混凝土高温后内部钢筋锈蚀深度拟合公式。     

受荷混凝土中钢筋锈蚀速率计算方法

为研究荷载对钢筋锈蚀速率及结构耐久性的影响,在潮汐区与盐雾区开展不同荷载条件下氯离子扩散试验,荷载大小分别为无荷载、0.3倍和0.5倍混凝土抗折强度.在混凝土中掺入氯盐,开展不同浓度氯盐条件下的钢筋锈蚀试验.通过氯离子扩散试验得到荷载对氯离子扩散影响系数与荷载大小的关系,修正菲克第二定律中的氯离子扩散系数.钢筋锈蚀试验中测试不同时间下混凝土构件中钢筋的锈蚀电流密度,拟合出钢筋锈蚀电流密度与氯盐浓度和锈蚀时间之间的关系.结合混凝土中考虑荷载影响的氯离子扩散模型与钢筋锈蚀模型,给出荷载作用下混凝土中钢筋锈蚀速率的计算方法.该方法对于海洋环境中荷载作用下钢筋混凝土结构耐久性寿命计算具有重要意义.     

混凝土中钢筋锈蚀电化学测量方法的介绍

混凝土中的钢筋锈蚀为电化学腐蚀,可用电位-pH图来描述钢筋在不同体系下的稳定性.传统方法测定钢筋锈蚀的时间太长,而阳极电位法只能对锈蚀作定性判断.介绍了混凝土中钢筋锈蚀的3种电化学测试方法,并通过测试表明:根据线性极化法测得的腐蚀电流可以计算钢筋的锈蚀速度;交流阻抗法能反映混凝土中钢筋锈蚀的动力学过程,并得到相应的等效电路;用Mott-Schottkv方法表明钢筋钝化膜为载流子浓度在1026m-3数量级的n型半导体.     

钢筋锈蚀测量仪的不确定度分析

钢筋锈蚀仪是用于测量钢筋锈蚀程度的仪器。混凝土中钢筋的锈蚀是一个氧化还原的电化学过程,是钢筋形成局部电池,在钢筋周围形成电位差。钢筋锈蚀仪有交流电源供电和电池供电两种仪器类型。文章通过对使用交流电源供电的钢筋锈蚀仪的输出电流示值误差,建立数学模型,来评定标准不确定度和扩展不确定度。     

锈蚀钢筋混凝土构件抗震动力性能研究

研究钢筋锈蚀对混凝土构件抗震动力性能的影响,通过6个不同锈蚀率的大尺寸钢筋混凝土构件低周反复荷载试验及精细化有限元分析,得到不同锈蚀程度的各试件滞回曲线,分析了锈蚀率对试件承载力、刚度、延性、耗能能力等的影响。试验发现钢筋锈蚀在一定程度上改变了试件的失效模式和破坏形态,分析结果表明,随钢筋锈蚀率的增大,试件承载力下降,滞回曲线丰满程度和滞回环面积逐渐减小,刚度、延性和耗能能力逐步降低。钢筋锈蚀后,构件各阶自振频率及振型最大位移随锈蚀率的增大而降低,锈蚀对构件高阶模态影响更为显著。     

基于极化曲线的磷酸镁水泥体系中钢筋锈蚀行为研究

通过磷酸镁水泥体系和普通水泥中的钢筋锈蚀的对比实验,利用电化学工作站,分析钢筋锈蚀过程中的开路电位和极化曲线,研究了磷酸镁水泥体系的钢筋锈蚀行为。同时利用光学显微镜观察了不同龄期的磷酸镁水泥中钢筋的锈蚀形貌。结合磷酸镁水泥水化过程中pH值的变化和极化曲线理论深究了磷酸镁水泥体系抗钢筋锈蚀能力的机理。研究表明,磷酸镁水泥具有很强的抗钢筋锈蚀能力。磷酸镁水泥体系中的钢筋锈蚀行为虽然存在,但是其发展非常缓慢。磷酸镁水泥pH值的变化以及弱碱环境中磷酸铵金属络合物的形成是磷酸镁水泥抗钢筋锈蚀能力的控制因素。     

锈蚀钢筋混凝土梁动态抗弯性能细观数值研究EI北大核心CSCD

为研究锈蚀对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁动态力学性能的影响,考虑钢筋锈蚀和应变率效应及混凝土内部结构的非均质性,建立锈蚀钢筋混凝土梁两阶段三维细观尺度数值模型。钢筋的非均匀锈蚀膨胀以施加非均匀径向位移的方式模拟,并以保护层开裂“最终状态”作为之后混凝土梁动载模拟的“初始输入条件”,获得锈蚀后的动态力学行为。在验证了数值模型合理性的基础上,分析了钢筋锈蚀引起的保护层锈胀开裂行为及不同应变率下构件力学性能的变化。结果表明:钢筋锈蚀使混凝土梁产生了明显的纵向裂缝,梁的承载力随钢筋锈蚀率增加而降低;高应变率下,混凝土梁发生冲切破坏,梁的承载力显著提高;锈蚀混凝土梁承载力损失与锈蚀后梁频率降低系数(反映刚度损失)近似呈线性规律,且低应变率下的承载力对频率变化更加敏感。最后,基于模拟结果回归分析,发展建立了考虑锈蚀及应变率耦合影响的混凝土梁动态抗弯承载力预测公式。     

锈蚀钢筋混凝土构件与建筑结构设计的影响

首先从钢筋锈蚀对结构的影响角度论述了钢筋锈蚀的主要原因,然后分析和探讨了腐蚀对钢筋混凝土结构构件受力性能及粘结性能方面的影响。     

往复荷载下锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的试验研究

针对钢筋混凝土结构在服役过程中钢筋锈蚀以及承受往复荷载工况下引起的钢筋混凝土材料耐久性能劣化会对钢筋混凝土间的粘结性能产生影响，设计并制作了48根粘结区带裂缝的钢筋混凝土梁式试件，以研究在承受不同往复荷载工况(往复荷载幅度分别为极限荷载的0%、10%、20%及30%)、四种钢筋锈蚀率(0%、3%、5%及7%)以及往复荷载与钢筋锈蚀耦合工况下钢筋与混凝土粘结性能的变化情况。结果表明：钢筋锈蚀会影响试件破坏状态；施加往复荷载过程中残余滑移的增长主要发生在前六个循环，且残余滑移随着钢筋锈蚀率以及往复荷载幅度的增加而增大；耦合工况会进一步促进粘结性能的劣化，且粘结强度损失率随着钢筋锈蚀率和往复荷载幅度的增加而增大。该研究可为对应工况下钢筋混凝土构件的现状评估提供理论参考依据。     

影响混凝土结构钢筋锈蚀的因素及措施探讨

本文阐述了混凝土结构中钢筋腐蚀的主要影响因素,并进一步分析钢筋锈蚀对混凝土粘结性能及结构受力的影响,最后提出防止钢锈蚀的主要措施。     

混凝土胀裂时钢筋锈蚀量的确定

混凝土胀裂时钢筋锈蚀损失率的确定，是制定兼容混凝土结构安全性的耐久性极限状态标准的基础。通过简化的弹性力学模式分析，确定了钢筋保护层厚度与钢筋直径的比值和混凝土强度为影响混凝土胀裂时钢筋锈蚀损失率的主要因素。本文利用分布裂缝模型、等效强度准则，设置温度膨胀环进行模拟沿钢筋周边的均匀锈蚀和不均匀锈蚀，建立了混凝土锈蚀胀裂的有限元分析模型，为混凝土胀裂时钢筋锈蚀损失量的对比量化提供了一个手段。     

混凝土结构中钢筋锈蚀检测技术探讨

建筑中的钢筋暴露在空气中，受到周围氯化物等的腐蚀作用，破坏建筑物的安全使用性能，成为影响混凝土结构耐久性的重要因素之一。为了防止钢筋腐蚀对建筑物带来安全影响，迫切需要对建筑物的钢筋锈蚀进行检测，本为分析了钢筋锈蚀的机理，并对钢筋锈蚀的技术进行了探讨，规范了锈蚀检测方面的技术。     

钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥梁耐久性的影响与预防措施

本文从锈蚀机理、影响因素和锈蚀产生的严重危害及防治措施进行论述,以期对混凝土中钢筋锈蚀的预防有所帮助。     

锈蚀钢筋混凝土构件基于地震损伤的恢复力模型研究

为建立锈蚀钢筋混凝土构件恢复力模型,本文通过对6个锈蚀钢筋混凝土受弯构件低周反复荷载试验,得到不同锈蚀程度的各试件的滞回曲线及骨架曲线,分析了钢筋锈蚀对试件抗震性能的影响。根据试验成果,结合钢筋锈蚀引起结构破坏形态的改变,综合考虑钢筋锈蚀后引起结构截面几何损伤、钢筋和混凝土力学性能降低、粘结滑移性能劣化以及结构刚度退化等各种耐久性损伤因素,并考虑箍筋锈蚀引起结构延性的影响,提出了锈蚀钢筋混凝土构件基于地震损伤的恢复力模型的确定方法。通过与试验进行对比分析表明模型描绘的骨架曲线和滞回曲线与试验结果总体吻合较好,所描述的现象与试验一致,该恢复力模型可在损伤钢筋混凝土结构地震反应分析中采用。     

水工混凝土中钢筋锈蚀检测技术

水工混凝土中钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要问题,也是水工建筑物安全鉴定过程中经常遇到的问题。结合工程结构安全检测实践,介绍了运用半电池电位法对水工混凝土中钢筋锈蚀进行检测的原理、方法、评价准则及应用效果,并对提高混凝土中钢筋锈蚀检测的可靠性进行了探讨。