钢-混凝土组合结构耐久性影响因素及退化机理

摘要：钢―混凝土组合结构已广泛的应用于重大工程，然而国内外对于其耐久性的研究却几近空白。因此，钢―混凝土组合结构的耐久性问题是一个迫切需要解决的问题。本文分析了影响组合梁结构耐久性的主要因素，揭示了其退化机理。

关键词：钢-混凝土组合梁；耐久性；退化机理；环境作用

1 前言

钢―混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，它通过某种方式将钢和混凝土有效的结合起来，充分利用钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能。作为组合结构体系中重要横向承重构件的钢-混凝土组合梁在建筑结构及桥梁结构等领域具有广阔的应用前景。随着我国房建及桥梁的发展， 钢―混凝土组合结构在房建及桥梁中得到越来越多的应用。本文将详细分析影响组合结构耐久性的主要因素，揭示其退化机理，并提出提高钢-混凝土组合梁耐久性的方法及措施。

2 影响耐久性因素及退化机理

组合结构的耐久性问题十分复杂，不仅环境作用本身多变，带有很大的不确定与不确知性，而且结构材料在环境作用下的劣化机理也有诸多问题有待阐明。从混凝土、钢筋、抗剪连接件（主要采用栓钉）、钢梁这些材料的物理、化学性质及几何尺寸的变化，导致组合结构的混凝土破坏和钢材的锈蚀，重要的是导致上部混凝土与下部钢梁的界面破坏，使它们之间的界面滑移变大，粘结力变小，混凝土与钢梁不能很好的共同工作，而且在界面处产生很多裂缝，从而提供了有害物质的侵入，加速构件的破坏，继而引起钢-混凝土组合梁承载力衰减，最终会影响整个结构的安全。

影响组合梁耐久性因素及退化机理主要是因为温度、湿度的变化以及二氧化碳、氧、盐、酸等环境因素对材料及结构的作用，从而导致钢-混凝土组合梁结构出现了耐久性病害。

2.1 氯化物

氯离子是钢-混凝土组合梁结构在使用寿命期间可能遇到的最危险的侵蚀介质，容易造成钢筋、栓钉及钢梁锈蚀，导致结构较早损坏。

组合梁结构中氯离子的来源通常有两种途径：其一是“混入”，如掺有含氯离子的外加刘、使用海砂、施工用水含氯离子、在含盐环境中拌制浇注混凝土等；其二是“渗入”，环境中的氯离子盐，如撒化冰盐、海洋环境等，通过混凝上的宏观、微观缺陷，渗入到混凝土中并达到钢筋表面以及通过混凝土和钢梁的界面渗入其中对混凝土和栓钉腐蚀。

氯离子是极强的去钝化剂，当氯离子吸附于钢筋和栓钉表面的钝化膜处时，可使该处的pH值迅速降低。微观测试表明，氯离子的局部酸化作用，可使钢筋和栓钉表面的pH值降低到4以下，从而破坏钢筋和栓钉表面的钝化膜。氯离子导致的钢筋和栓钉锈蚀是一个很复杂的电化学过程，这个过程可比作电池反应。一般认为，混凝土顺筋开裂的临界锈蚀量与混凝土抗拉强度、混凝土保护层厚度及钢筋直径有关。同时栓钉也会锈蚀，栓钉传递剪力的作用就会降低，钢梁与混凝土的组合作用就会弱化，甚至使组合梁破坏；另一方面，钢梁和栓钉锈蚀后，其锈蚀产物比原来的体积增大几倍，锈蚀物的体积膨胀使周围的混凝土受拉，这就可能使混凝土板开裂，并且加速了氯离子等其他腐蚀物质的侵入。

2.2混凝土碳化

一般环境下钢-混凝土组合梁结构的耐久性影响因素主要包括温度及湿度的变化和二氧化碳的碳化，其中二氧化碳的碳化又起主导作用。当只考虑温度及湿度变化的影响时，二氧化碳气体的扩散速度和碳化反应受温度影响较大,温度升高扩散速度加快,碳化速度也加快。试验表明,浓度10%、相对湿度80%条件下,40℃时的碳化速度是20℃时的2倍。而环境湿度的变化决定着混凝土孔隙水饱和度的大小,湿度较小时,混凝土处于较为干燥或含水率较低的状态,虽然气体的扩散速度较快,但由于碳化反应所需水分不足,故碳化速度较慢;湿度较高时,混凝土的含水率较高,阻碍了气体在混凝土中的扩散,故碳化速度也较慢。在高温及长期潮湿或接触水的环境条件下，那么钢-混凝土组合梁结构的耐久性设计就应考虑混凝土可能发生的碱-骨料反应、钙矾石延迟反应和软水对混凝土的溶蚀，钢筋过早锈蚀，栓钉及钢梁过快锈蚀、变形，导致承载力下降，在设计中应采取相应的措施。

混凝土的碳化造成组合梁结构从新建到最终失效破坏，过程包括: 混凝土中的钢筋及栓钉失去碱性环境的保护；有害物质进入混凝土内腐蚀钢筋及栓钉，导致钢筋及栓钉发生锈蚀；混凝土保护层开始出现顺筋裂缝，栓钉承载力下降；裂缝宽度达到不容许值或混凝土保护层锈胀剥落或栓钉破坏等四个阶段.

当钢筋和栓钉失去碱性环境保护后，腐蚀物质侵入组合梁内部，使钢筋锈蚀, 根据试验可知，钢-混凝土组合梁的破坏特征与正常构件也有点区别。锈蚀的组合梁在钢筋屈服前, 受力较高的明显的受力裂缝, 这时钢筋已经屈服,构件即将处于破坏状态。对于钢梁和埋在混凝土中栓钉的腐蚀，会使栓钉的抗剪能力减弱或因为铁锈的膨胀而产生掀起现象，导致钢梁与混凝土的组合作用弱化，甚至使组合梁破坏。组合梁结构一旦出现栓钉界面工作性能的劣化，将很难修复，而且修复效果也不好。大量的修建、拆除和重建将会给我国国民经济带来巨大的损失。因此，有必要开展钢―混凝土组合梁在各种有害物质侵蚀下的耐久性的研究工作，研究其损伤特点和损伤规律，进行寿命预测和找到提高耐久性的措施，以适应社会发展要求，保证国民经济发展和减少经济损失。

2.3 化学腐蚀

化学腐蚀包括各种酸、碱、盐,各种无机物和各种有机化学介质的腐蚀。常见腐蚀性化学物质，包括土中和地表、地下水中的硫酸盐和酸类等物质以及大气中的盐分、硫化物、氮氧化合物等污染物质。这些物质对组合梁结构的腐蚀主要是化学腐蚀，但盐类侵入组合梁也有可能产生盐结晶的物理腐蚀，如对混凝土产生结晶。本小节的化学腐蚀环境不包括氯化物。

硫酸盐对组合梁结构中的混凝土的化学腐蚀是两种化学反应的结果：一是与混凝土中的水化铝酸钙起反应形成硫铝酸钙即钙矾石；二是与混凝土中氢氧化钙结合形成硫酸钙（石膏），两种反应均会造成体积膨胀，使混凝土开裂。

硫酸盐对组合梁结构中的钢梁的化学腐蚀，是由于我国的酸雨属于硫酸型，降水中硫酸根离子是阴离子的主要成分。所以酸雨中硫酸根离子能明显加快钢梁的锈蚀速度，在钢梁表面水膜中形成腐蚀电池， 阳极处于强酸性环境中， 致使Fe的氢氧化物不断析出，而增大Fe溶解腐蚀， 酸雨的酸性愈强， 反应愈快，腐蚀产物愈多，腐蚀越严重。试验研究表明，二氧化硫和二氧化氮对钢和铁的大气腐蚀存在协同作用，虽然这种协同作用的机理仍然不十分清楚。但铁或钢的腐蚀速度加快的简单原因可能是，二氧化氮溶于水后生成的硝酸使电解质酸性增加，从而加速了铁或钢的腐蚀。

试验表明，硫酸盐的腐蚀对组合梁的钢梁与混凝土板交界面之间的相对滑移有一定的影响，在侵蚀的早期，随着侵蚀时间的增长，组合梁的抗滑移能力提高。沿梁纵向的最大滑移并不是总是发生在梁端，而是随着荷载的增加，位置发生改变，由梁端处向内移至剪跨段，并且随硫酸根离子腐蚀的时间的增长而提前发生。所以，硫酸盐对钢-混凝土组合梁结构的腐蚀是对混凝土板的侵蚀破坏为主，而对钢梁的侵蚀是一个漫长的过程。

3 结论

本文从氯化物、混凝土碳化、化学腐蚀3个方面论述了钢-混凝土组合梁的耐久性影响因素及退化机理。可以看出，大部分情况下，组合梁的性能劣化不是直接由力学因素引起的，而是各种环境因素及材料内部因素物理、化学作用的结果。就目前情况来看，相关组合结构的耐久性问题的研究还不成熟，还有很多地方需要在今后的研究中逐步完善。

参考文献

丁晓玲,何玉红.锈蚀钢筋混凝土结构耐久性的分析.内江科技. 2008, 9, 51

张誉,蒋利学,张伟平,屈文俊.混凝土结构耐久性概论.上海:上海科学技术出版社,2003