不同环境下钢筋锈蚀速率及钢筋混凝土梁抗弯承载力研究

刘鑫良

重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074

摘要：为了探究钢筋混凝土钢筋锈蚀机理，本文基于COMSOL软件首先模拟了钢筋混凝土电锈蚀的过程，探讨了不同参数对锈蚀速率的影响规律，并建立混凝土T梁模型，对不同锈蚀率的钢筋混凝土抗弯承载力进行了计算。研究发现：钢筋混凝土电导率、孔隙率和温度均能对钢筋的锈蚀速率产生影响；钢筋混凝土梁的抗弯承载力随着时间的增加呈抛物线趋势减小，锈蚀速率随时间的增加逐渐减缓。

关键词：钢筋混凝土；电导率；孔隙率；温度；锈蚀率；抗弯承载力

研究表明，钢筋混凝土桥梁占我国总桥数的90%以上，随着桥梁服役时间的增加，钢筋锈蚀等问题随之而来^[1]。混凝土结构内部的钢筋锈蚀会造成钢筋受力截面减小和混凝土锈胀开裂^[2]，裂缝又为腐蚀离子加速渗透提供了通道，从而导致混凝土结构加速破坏并使得其承载力急剧下降^[3]，因此为了能够解决钢筋锈蚀等问题，国内外的学者在对钢筋锈蚀发生的机理进行研究，探究钢筋锈蚀的过程；此外还有一些学者对锈蚀的钢筋混凝土梁进行抗弯承载力的研究，得到了不同形式的钢筋混凝土梁抗弯承载力衰退模型，通过试验的进一步验证，证明了大部分模型都能较为准确的预测钢筋混凝土梁的抗弯承载力衰退规律。

目前大多数学者提出的钢筋锈蚀模型属于二维模型，而实际工程中，钢筋混凝土梁属于三维模型，不仅存在纵筋，还有箍筋，其钢筋阻滞影响可能更为明显。因此，有必要建立钢筋混凝土结构的三维模型精确模钢筋在钢筋混凝土结构内部的锈蚀规律，并以此为基础对钢筋混凝土梁结构进行抗弯承载能力分析。

本文通过COMSOL软件建立钢筋混凝土模型，模拟钢筋电化学锈蚀的过程并探讨了不同参数（如混凝土电阻率、孔隙率、温度）对锈蚀速率的影响规律；其次建立钢筋混凝土梁模型，并在既有试验的基础上分析钢筋混凝土T梁在不同锈蚀率的条件下结构抗弯承载能力的衰退规律。

1 基于COMSOL的钢筋电化学锈蚀模拟有限元模型

1.1 建立模型

钢筋锈蚀属于金属腐蚀，满足金属腐蚀原理，可采用电化学腐蚀热力学和腐蚀动力学来描述钢筋的锈蚀过程。通过COMSOL 电化学模块中的“三次电流分布”物理场即采用金属腐蚀理论来进行腐蚀模拟钢筋电化学锈蚀的过程。为了准确表达钢筋电化学锈蚀过程的过程，本文建立一个二维钢筋混凝土模型，为了简化分析，该模型只包含一根钢筋。

模型使用三次电流分布接口与固体力学接口，钢筋的腐蚀过程由氧气的还原反应驱动，氧气从混凝土的一侧发生扩散，同时假设混凝土初始的孔隙水饱和度为70%。其中将钢筋和混凝土周围环境模拟为线弹性材料，并根据氧化层的厚度在每个时步施加预应变。

1.2 计算结果

为了探究混凝土电导率对钢筋锈蚀速率的影响，控制混凝土孔隙率为0.4，分别模拟电导率为0.2S/m、0.3S/m、0.4S/m、0.5S/m时钢筋的锈蚀，并提取反应中的电解质电位与腐蚀电流密度分布。通过结果发现混凝土电导率的变化对钢筋中的腐蚀电流密度影响较显著，这是因为随着混凝土电导率的增加，会加快电化学反应中的电子转移，从而电流密度得到增大，最终导致锈蚀速率的提高；但混凝土电导率的增加对混凝土中的电解质电位分布影响较小。

为了探究混凝土孔隙率对钢筋锈蚀速率的影响，控制混凝土电导率为0.4S/m，分别模拟孔隙率为0.2、0.4、0.6、0.8时钢筋的锈蚀，并提取反应中的电解质电位与腐蚀电流密度分布。通过结果发现随着混凝土空隙率的增加，对混凝土中的电解质点位分布几乎没有影响，但对钢筋中的腐蚀电流密度分布比较显著。这可能是因为随着混凝土孔隙率的增加，抑制了氧气在混凝土中的扩散，从而影响了钢筋电化学的过程，进而使钢筋的锈蚀速率减小。

为了探究温度对钢筋锈蚀速率的影响，控制混凝土电导率为0.4S/m、孔隙率为0.2，分别模拟温度为200K、400K时钢筋的锈蚀，并提取反应中的电解质电位与腐蚀电流密度分布。通过结果可以发现随着温度的增加，对混凝土中的电解质点位分布及钢筋中的腐蚀电流密度分布几乎没有影响。这是因为温度是直接影响钢筋混凝土的电机动力学参数，使混凝土内部的离子和电子的迁移速率增加，从而加速了电化学反应由文献^[18]

2 对锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载能力计算

为了探究锈蚀钢筋混凝土T梁抗弯承载力，本节以30m跨径的装配式混凝土简支T梁为研究对象进行研究。分析了不同钢筋锈蚀率下的钢筋混凝土T梁抗弯承载力。

桥梁由5片间距为2.25m的T梁组成，梁高取2.0m，翼缘板端部厚度0.25m，根部厚度0.16m，腹板宽0.2m，马蹄宽0.5m，高度为0.4m，腹板变宽度范围为距离端部1.55m开始共计3.6m。横隔板沿顺桥向在支点、1/4跨、跨中位置处对称设置5道，中横隔板高度为1.7m，端横隔板高度为1.78m，横隔板厚度均取0.18m。具体结构形式详见中华人民共和国公路桥梁通用图《装配式预应力混凝土简支T梁桥上部构造》图。

为便于计算，仅建立了一片T梁，并且在桥梁全长范围内，认为桥梁横截面不变，均采用跨中截面。在COMSOL中建立了30m跨径的装配式混凝土简支T梁有限元模型。模型中建立了主筋、箍筋、架立钢筋以及预应力钢筋，并采用空腔代替了钢筋混凝土梁模型中各类钢筋的位置。

钢筋锈蚀发生后结构的抗弯承载能力可以根据以下步骤进行计算：

首先对混凝土钢筋锈蚀电流的密度进行估算；然后计算混凝土保护层开裂前钢筋年平均锈蚀速率、保护层开裂后年平均钢筋锈蚀速率；然后对时间进行积分，得到某一具体时刻的钢筋锈蚀深度，分别计算对应的钢筋截面锈蚀率、锈蚀钢筋名义屈服强度以及牛荻涛定义的锈蚀RC梁的截面配筋指标；接着通过计算锈蚀钢筋的强度利用系数以及混凝土的受压区高度x最后得到结构抗弯承载能力。

根据上述计算步骤可以计算得到钢筋锈蚀发生后某一具体时刻结构的抗弯承载能力。由于主筋位置未设置裂缝，此处不考虑裂缝形式对于结构抗弯承载力的影响。

通过分析不同锈蚀率（锈蚀率分别为8.49%、20.1%、7.96%、14.77%、8.06）的条件下，结构抗弯承载力随时间的变化趋势。可知，当钢筋发生锈蚀后，梁结构的抗弯承载能力刚开始不变，然后抗弯承载力的变化随着时间的推移而逐渐减小，随着时间的推移以及抗弯承载力的减小锈蚀速率逐渐减小。

3 结论

（1）钢筋混凝土电导率、孔隙率和温度均能对钢筋的锈蚀速率产生影响，电导率和孔隙率的变化会对钢筋中的腐蚀电流密度影响较显著，而对混凝土中的电解质电位分布影响较小。

（2）电导率的增加会加快电化学反应中的电子转移，从而电流密度得到增大，最终导致锈蚀速率的提高；孔隙率的增加抑制了氧气在混凝土中的扩散，从而影响了钢筋电化学的过程，进而使钢筋的锈蚀速率减小；温度会改变电化学过程中的因素参数，进而使锈蚀速率改变。

（3）抗弯承载力的变化随着时间的推而逐渐减小，且减小速率成抛物线变化，这是因为随着时间的推移以及抗弯承载力的减小锈蚀速率逐渐减小。

参考文献：

1. 白卫峰. 混凝土损伤机理及饱和混凝土力学性能研究[D]. 大连理工大学, 2008: 博士, 233.

2. 金伟良，赵羽习，鄢飞. 钢筋混凝土构件的均匀钢筋锈胀力的机理研究[J]. 水利学报. 2001(07): 57-62.

3. 孙马,周建庭,徐略勤,等.基于加速锈蚀试验的RC梁抗弯性能劣化研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版）,2019,39(8):51-58.