埋在混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕以后，其產(chǎn)生鐵銹的體積是相應(yīng)鋼筋體積的2～4倍，因而會向四周膨脹，而鋼筋四周的混凝土則限制它的膨脹，產(chǎn)生了交界面上的壓力，這種壓力就稱為鋼筋銹脹力。鋼筋銹脹力會影響鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能，而且將導致混凝土保護層受拉而開裂，鋼筋混凝土構(gòu)件一旦受銹脹力縱裂以后，鋼筋銹蝕速度加快，這對鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性是十分不利的。因而，研究銹脹對結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性分析有著十分重要的意義。

　　1 研究現(xiàn)狀

　　Yingshu Yuan 等人通過人工環(huán)境下的鋼筋銹蝕實驗得到，時變腐蝕率的變化過程分為三個階段，即最初的下降段，然后是穩(wěn)定階段，最后是混凝土開裂后的上升階段。腐蝕速率隨時間變化的主要原因是多孔的界面過渡區(qū)逐漸地變成密實的腐蝕層，該層是由混凝土和腐蝕產(chǎn)物膨脹后的腐蝕物組成。

　　洪定海在其專著中指出，根據(jù)混凝土保護層厚度、鋼筋直徑、間距、所處位置等情況的不同，混凝土可能發(fā)生兩種形態(tài)的脹裂破壞：一種是顯示于構(gòu)件表面的順筋脹裂；另一種是起初隱藏于構(gòu)件內(nèi)部、沿著鋼筋層面方向的脹裂，即所謂層裂。

　　河海大學王軍強在其碩士論文中，通過靜壓擴張試驗，模擬混凝土脹裂的層裂破壞和角區(qū)破壞。研究結(jié)果表明：鋼筋布置在角區(qū)，當保護層厚度較大時，裂縫首先在鋼筋與混凝土接粗面產(chǎn)生，隨后由內(nèi)向外擴展，裂縫寬度沿混凝土保護層厚度擴展不均勻，其中與鋼筋較近的裂縫寬度大一些，而當保護層厚度較小時，裂縫首先在混凝土保護層表面產(chǎn)生，隨后由外向內(nèi)擴展，在遠離鋼筋的外圍混凝土處裂縫寬度較大，脹裂破壞形態(tài)為角區(qū)破壞。當鋼筋并排布置，在保護層厚度較大，鋼筋間距適中的情況下，會發(fā)生層裂破壞。

　　徐港等設(shè)計了一種新的鋼筋快速銹蝕試驗方案，研究了鋼筋非均勻銹蝕引起的混凝土保護層脹裂問題。試驗現(xiàn)象表明,銹后試件的鋼筋表面呈現(xiàn)明顯坑蝕特點，且近保護層一側(cè)的鋼筋銹蝕更為嚴重。

　　2 混凝土內(nèi)鋼筋銹脹機理

　　鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)破壞的根本原因是鋼筋銹蝕產(chǎn)物的體積大于原鋼筋的體積，其體。鋼筋銹蝕產(chǎn)物成分不同，其膨脹系數(shù)取值也不同，一般多為2～4倍，最大到6～7倍。

　　從微觀角度來看，混凝土是一種非均勻、多裂隙、多相的顆粒狀復合材料。從宏觀上角度來看，混凝土是由骨料顆粒和水泥漿基體構(gòu)成的脆性材料。由于各種因素的因素，在受力前混凝土材料內(nèi)部就存在先天性的微裂紋、微孔隙。受力后，原有微裂紋或微孔隙尖端應(yīng)力集中區(qū)擴展成為微裂紋區(qū)，新微裂紋形成，隨著受力的增加，這兩者相互連接和貫通，形成宏觀裂縫。這個過程即為混凝土材料所特有的從內(nèi)部微裂紋發(fā)展到裂縫失穩(wěn)擴展形成斷裂的過程。

　　鋼筋銹蝕后的銹蝕產(chǎn)物發(fā)生體積膨脹，而鋼筋四周的混凝土則限制它的膨脹，產(chǎn)生了交界面上的壓力，這種壓力即為鋼筋的銹蝕膨脹力，或簡稱為銹脹力。這個銹脹力最終使得鋼筋周圍混凝土的微裂紋或微孔隙擴展成為宏觀裂縫，隨著銹脹力的增加，裂縫將進一步發(fā)展。

　　裂縫的位置可能是水泥漿體或是水泥漿與骨料的界面上，裂縫發(fā)展到骨料位置時會受到骨料的抑制，從而改變裂縫發(fā)展的方向。

　　在過去的幾十年中，人們對混凝土開裂機理進行了廣泛的研究。其中人們普遍接受的開裂模型是Hillerborg 等提出的虛擬裂縫模型，如圖2 所示。這個模型包括三部分：第一部分為真實裂縫，由無應(yīng)力傳遞的區(qū)域組成，這部分區(qū)域的位移和應(yīng)力不連續(xù)。第二部分為裂縫開展區(qū)域，由微裂縫區(qū)域組成（FPZ）組成。在此區(qū)域由于骨料的聯(lián)系作用，仍然可以傳遞應(yīng)力，因此位移不連續(xù)但應(yīng)力連續(xù)。第三部分是完整的材料，這部分區(qū)域從FPZ的尖端至混凝土中，是未損傷范圍。

　　3 混凝土銹脹開裂分析

　　3.1 混凝土銹脹開裂過程分析鋼筋銹蝕引起混凝土銹脹破壞的過程大致包括四個階段：

　�。�1）自由膨脹階段當鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞后，陽極金屬鐵被氧化形成鐵離子，與OH反應(yīng)生成氫氧化鐵。由于鋼筋與混凝土接觸的界面上存在微細空隙，鋼筋表面銹蝕時產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物逐步填充其空隙。如果鋼筋銹蝕量小于填充空隙所需的銹蝕量時，在鋼筋周圍混凝土中就不會引起任何應(yīng)力。

　�。�2）應(yīng)力產(chǎn)生階段當鋼筋銹蝕量超過填充鋼筋與混凝土接觸面空隙所需的銹蝕量時，則在鋼筋周圍的混凝土界面上產(chǎn)生膨脹壓力，膨脹壓力隨著鋼筋銹蝕量的增加而增大。自由膨脹階段和應(yīng)力產(chǎn)生階段取決于鋼筋與混凝土接觸面上微細空隙的大小和鋼筋的銹蝕量。微細空隙的大小與混凝土凝結(jié)硬化時的收縮量、混凝土的振搗質(zhì)量有關(guān)，水泥用量越大、水灰比越大、混凝土密實度越小則微細裂縫越大；鋼筋的銹蝕量與銹蝕速度、銹蝕產(chǎn)物的成分有關(guān)。

　�。�3）裂紋產(chǎn)生階段當鋼筋銹蝕量達到臨界銹蝕量（導致保護層開裂的銹蝕量）時，銹蝕產(chǎn)物體積增大產(chǎn)生的應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，銹蝕產(chǎn)物周圍混凝土開始出現(xiàn)裂紋。裂紋產(chǎn)生階段取決于鋼筋銹蝕量和臨界鋼筋銹蝕量。顯然，臨界銹蝕量主要與混凝土質(zhì)量和保護層厚度有關(guān)。高強度混凝土且保護層厚度大的臨界銹蝕量相對較大，而低強度混凝土且保護層厚度較小的臨界銹蝕量相對較小。

　　（4）裂縫擴展階段當應(yīng)力強度因子大于臨界應(yīng)力強度因子時，混凝土初始裂紋尖端擴展，裂縫逐漸發(fā)展，混凝土保護層沿著銹蝕鋼筋形成裂縫。這些裂縫成為侵蝕性介質(zhì)到達鋼筋表面的通道，因而加速鋼筋的銹蝕。若不采取措施，則鋼筋的銹蝕會進一步發(fā)展直至保護層剝落。裂縫擴展階段取決于應(yīng)力強度因子和臨界應(yīng)力強度因子。臨界應(yīng)力強度因子主要與混凝土保護層的抗拉強度和厚度有關(guān)，保護層抗拉強度和厚度越大，臨界應(yīng)力強度越大。

　　3.2 混凝土銹脹開裂形態(tài)分析

　　（1）當構(gòu)件中鋼筋之間的凈距離較大時，構(gòu)件保護層外表面出現(xiàn)順筋裂縫。

　�。�2）當構(gòu)件中鋼筋的保護層厚度較小時，構(gòu)件中間部位混凝土楔形剝落。

　�。�3）當構(gòu)件中鋼筋位于角部，且保護層厚度較小時，構(gòu)件角部混凝土剝落，銹蝕鋼筋裸露。

　�。�4）當構(gòu)件中配筋量較大，鋼筋之間的凈距較小且整個混凝土面層均暴露于侵蝕性環(huán)境中時，構(gòu)件外保護層整層剝落。

　　有的構(gòu)件同時發(fā)生兩種或三種破壞形態(tài)，鋼筋銹蝕使混凝土保護層開裂或剝落后，環(huán)境侵蝕介質(zhì)以較快的速度直接作用于鋼筋，必然使鋼筋銹蝕加劇，如此相互促進，惡性循環(huán)，有的鋼筋甚至銹斷。侵蝕介質(zhì)以較快的速度直接作用于鋼筋，必然使鋼筋銹蝕加劇，如此相互促進，惡性循環(huán)，有的鋼筋甚至銹斷。

　　3.3 混凝土銹脹裂縫影響因素分析

　　對一些案例進行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，影響鋼筋混凝土銹脹開裂的主要因素可以歸結(jié)為：（1）保護層太薄；（2）水灰比過大；（3）侵蝕性氣體和液體蝕；（4）鋼筋位置。

　　通過研究，給出了混凝土裂縫與鋼筋銹蝕之間的關(guān)系。

　　（1）保護層厚度越大，銹脹裂縫越�。唬�2）保護層厚度越大，鋼筋銹蝕深度越小；（3）裂縫寬度對鋼筋銹蝕的有影響，裂縫寬度越大，銹蝕深度越大；（4）處于角部的鋼筋銹蝕深度較大，處于邊中鋼筋銹蝕深度的較小。

　　3.4 混凝土銹蝕形態(tài)分析

　　通過不同類型、不同功能的建筑物或構(gòu)筑物的破型檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)銹蝕構(gòu)件有三種變化特征：（1）混凝土表面顏色變化特征；（2）銹蝕形狀變化特征；（3）混凝土表面裂縫寬度變化特征。

　　鋼筋銹蝕形狀變化特征：鋼筋銹蝕后，檢測發(fā)現(xiàn)其形狀一般并不呈圓形，大致呈以下幾種形態(tài)：一般先是距離混凝土表面較近處先發(fā)生銹蝕，之后隨時間增加銹蝕向深處發(fā)展，當混凝土保護層較薄，裂縫寬度在0.3mm以上時，可能在鋼筋表面出現(xiàn)不規(guī)則銹蝕坑；裂縫寬度大于0.8mm時，銹蝕較多和較厚。鋼筋銹蝕后其銹蝕產(chǎn)物與鋼筋剩余面積關(guān)系見圖5所示。

　　4 臨界銹脹力的影響因素分析

　　影響混凝土保護層臨界銹脹力的因素包括混凝土的斷裂韌度、初始裂縫長度、保護層厚度、鋼筋直徑。

　　4.1 斷裂韌度的影響臨界銹脹力與斷裂韌度呈線性關(guān)系，即其他條件不變時，斷裂韌度越高的混凝土結(jié)構(gòu)，銹脹開裂時所需的臨界銹脹力越大，所需時間也就越長。因此，從有利于結(jié)構(gòu)的耐久性能出發(fā)，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先采用高強度混凝土。

　　4.2 初始裂縫長度的影響經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，初始縫長為0～2mm時，臨界銹脹力隨著縫長的增長急劇降低，縫長為2～6mm時，臨界銹脹力曲線平穩(wěn)趨于直線，而縫長大于6mm后，臨界銹脹力隨縫長增長又呈緩慢增長趨勢。實際上，初始裂縫長度是很難確定的物理量，在抗拉試件中與骨料形狀有關(guān)，因一般初始裂縫為界面縫，長度在0～1mm之間，由此可見，初始裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)的銹脹開裂耐久壽命是有顯著影響的。

　　4.3 保護層厚度的影響當保護層厚度較小時，臨界銹脹力隨之變化相對較大，然后趨于平緩。因此可以得出這樣的結(jié)論：適當增加保護層厚度可以提高混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕損傷耐久壽命，但當保護層厚度超出一定范圍后，繼續(xù)增大對結(jié)構(gòu)耐久壽命的提高已沒有意義。

　　4.4 鋼筋直徑的影響鋼筋直徑越大，所需臨界銹脹力越小。因此，單從臨界銹脹力的角度出發(fā)，采用小尺寸的鋼筋是有利的。

　　5 結(jié)論

　　現(xiàn)在對銹脹的研究已經(jīng)有很多，但是還存在很多問題，如下：

　　（1）銹蝕產(chǎn)物的確定，包括銹蝕物的彈性模量、泊松比，銹蝕產(chǎn)物組分的確定，銹蝕產(chǎn)物量的預(yù)測，很多專家學者進行了研究，但沒有一個公認的應(yīng)用于實際工程的方案。

　　（2）箍筋對銹脹開裂的影響。箍筋的影響研究是比較少，但是其對銹蝕的影響是不可忽略的，有待于進一步研究。

　�。�3）銹脹裂縫的研究。很多學者用不多的方法分析了裂縫的寬帶和裂縫的影響因素，但鋼筋的銹蝕率和裂縫的關(guān)系還是沒有確定。