浅谈高强钢筋的力学性能及锈蚀机理

【摘要】 随着在役混凝土结构使用年限的增长,由各种原因引起的结构耐久性问题日益严重,国内外大量工程实例表明,钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构耐久性问题的关键诱因。HRB500和HRB400强度高、安全储备大,是目前我国大力推广的新型建材,但目前国内对高强钢筋耐久性的研究相对较少。本文对HRB500和HRB400的锈后力学性能进行研究。

【关键词】 混凝土结构；耐久性；高强钢筋；钢筋锈蚀；力学性能

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：

1.高强钢筋的成分及性能分析

按生产方式不同钢筋可分为转（平）炉钢筋、电炉钢筋和再生钢筋等。转（平）钢筋是由铁矿石经高炉、转（平）炉冶炼获得的钢材轧制而成。电炉钢筋由废钢铁经电炉冶炼后轧制而成。再生钢筋是由旧钢材直接轧而成。我国的钢筋主要是转（平）炉钢筋。我国建筑用钢筋分别按《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》、《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》、《低碳钢热轧圆盘条》和《预应力混凝土用热处理钢筋》等标准生产。钢筋的产品标准确定了钢筋的品种、制造方法、化学成分、机械性能、外观、尺寸、允许误差、试验和检验方法等。

HPB235 的屈服强度为 235MPa，抗拉强度为 410MPa，伸长率（A10）为 23％。钢筋混凝土用热轧直条光圆钢筋 R235 的屈服强度为 235MPa，抗拉强度为 370MPa，伸长率（A10）为 25％。上述两类钢筋都是由 Q235 碳素结构钢轧制而成的，强度较低，但具有塑性好、伸长率高，易于弯折成型，容易焊接等特点，可用于中、小型钢筋混凝土结构的主要受力钢筋及构件的箍筋等。

钢筋混凝土用热轧带肋钢筋按照其强度可分为HRB335、HRB400和HRB500三级，屈服强度分别为 335MPa、400MPa 和 500MPa，抗拉强度分别为 490MPa、570MPa 和 630MPa，伸长率（A5）分别为 16％、14％和 12％，其强度高，塑性和可焊性均较好，可作为混凝土结构的主要受力钢筋。HRB335 和 HRB400 以硅、强化锰为主要固熔元素，提高其强度；HRB500 除以硅、锰为主要合金元素外，还加入了钒或钛作为固熔弥散元素，在提高强度的同时保证其塑性和韧性。

1.1高强钢筋的化学成分分析

钢筋的力学性能是其化学成分和组织结构在一定外界因素（如荷载性质、应力状态、工作环境和环境介质）作用下的综合反映。钢筋的化学成分、组织结构和晶粒大小等是钢筋力学性能的内部依据，而力学性能则是钢筋化学成分和组织结构的外部表现。外部因素如荷载（静荷载、冲击荷载、交变荷载）、应力状态（拉、压、弯、剪、扭、接触应力及各种复合应力）、温度等都会对材料的力学性能产生很大影响。因此，在影响高强钢筋力学性能的各内外因素中，化学成分、组织结构、晶粒大小、轧制工艺是重要的内部因素，加载速度和环境腐蚀等是重要的外部因素。

钢的基本元素为铁（Fe）（普通碳素钢中铁约占 99％，低合金钢中铁约占 95％）；此外还有少量碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等有利元素，硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等不利元素，及钛（V）、钒（Ti）等固熔弥散元素，这些元素的含量较少，但对钢材的力学性能影响较大。下面分别介绍钢材中各元素对钢筋材性的影响。

1.2 高强钢筋的力学性能

金属材料的力学性能是指金属在外加荷载（外力或者能量）作用下或荷载与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为，力学性能又称为力学行为，宏观上表现为金属的变形和断裂。

由于承载条件一般用各种力学参数表示，工程中将表征金属材料力学行为的力学参量临界值或规定值称为金属力学性能指标。金属材料力学性能的优劣就可用这些指标的具体数值来衡量。

钢筋的力学性能主要有抗拉、冷弯、冲击韧性和耐疲劳性能等。混凝土结构对高强钢筋的力学性能的要求主要有：

①强度 钢筋强度是决定混凝土构件承载力的重要因素，但并非强度越高越好。由于钢筋弹性模量变化不大（Es＝2.0×105MPa），高强钢筋在高应力下会引起构件过大的变形和裂缝。

②延性 延性是钢筋变形、耗能的能力，与钢筋强度有同等的重要性。许多钢筋混凝土结构事故的原因，都是钢筋的延性不足而非强度缺乏。钢筋的均匀伸长率能客观反映钢筋的变形能力。

③锚固性能 钢筋混凝土结构中钢筋与混凝同受力，锚固作用是钢筋与混凝同承载的基础。锚固作用是由钢筋表面的化学胶着力、钢筋与混凝土接触面上的摩擦力及钢筋表面横肋与混凝土间的机械咬合力三部分组成。

2.高强钢筋的锈蚀

2.1 高强钢筋的锈蚀机理

混凝土结构中的钢筋锈蚀可分为电化学锈蚀和杂散电流锈蚀。国内外学者对钢筋混凝土的锈蚀机理做了大量研究，普遍认为：混凝土中钢筋的锈蚀机理主要为电化学过程。

新鲜的混凝土呈碱性，钢筋表面被氧化，形成致密的保护膜――钝化膜，使钢筋处于钝化状态，即使在有水分和氧气等利于锈蚀产生的条件下钢筋也不会发生锈蚀。

碳化是大气环境中的二氧化碳侵入混凝土并与其中的碱性物质发生反应使混凝土 PH 值下降的过程。当 PH 值降至 11.5 左右时，钢筋表面的钝化膜不再稳定，当 PH 值降至 9～10 时，钝化膜被完全破坏，钢筋处于脱钝状态，也就具备了发生锈蚀的条件。

氯离子可通过混凝土内部的空隙和微裂缝体系，从周围环境向混凝土内部渗透，当钢筋表面混凝土空隙液中游离的Cl 浓度超过一定值时，即使在碱度较高如 PH 值大于 11.5 的情况下，Cl也能破坏钝化膜使钢筋发生锈蚀。

脱钝后混凝土中的钢筋锈蚀是一个电化学过程，根据金属锈蚀电化学原理和混凝土中钢筋受钝化膜保护的特点，混凝土中钢筋发生锈蚀要具备以下三个条件：①钢筋表面钝化膜被破坏，钢筋处于活化状态；②钢筋表面存在电位差，构成腐蚀电池；③钢筋表面存在电化学反应和离子扩散所需的水和氧气。

2.2 钢筋锈蚀的影响因素

影响钢筋锈蚀的因素很多，可分为内部因素和外部因素。内部因素主要有：钢筋的类型、直径、水泥的品种、水灰比、外加剂和外掺料、混凝土的密实度、混凝土保护层厚度等；外部因素主要有：混凝土的浇筑质量和养护质量、环境温度、湿度、二氧化碳浓度、氯离子浓度等。

2.3 锈蚀对钢筋力学性能的影响

锈蚀会对钢筋的力学性能产生一定的影响。

首先，钢筋发生锈蚀后，铁原子离开原有晶格，发生氧化反应，变成离子，进入周围水溶液，钢筋表面出现锈坑，使钢筋产生截面损失，钢筋的有效截面面积减小。

其次，钢筋的锈蚀通常是不均匀的，局部的锈坑会导致钢筋在拉伸过程中产生应力集中，锈蚀率越大，锈坑越深，越容易导致应力集中的现象。由于发生应力集中，钢筋薄弱部位的应力大于其他部位，在其他部位应力较小，尚未发生足够变形时，该部位已经因应力过大而提前屈服、甚至达到极限强度。因此，随着钢筋锈蚀率的增加，钢筋的强度下降，伸长率也随之下降。

2.4 钢筋锈蚀对结构性能的影响

钢筋锈蚀会对结构性能产生多方面的影响，具体表现为以下三个方面:

（1）钢筋锈蚀的直接结果是钢筋的截面面积减小，不均匀锈蚀导致钢筋表面凹凸不平，产生应力集中的现象，使钢筋的力学性能发生退化，强度降低、脆性增大、延性降低，结构承载力下降；

（2）钢筋与混凝土之间的粘结是保证钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的前提，钢筋与混凝土间的粘结作用主要由三部分组成，即：钢筋表面的化学胶着力、钢筋与混凝土界面上的摩擦力以及钢筋表面横肋与混凝土间的机械咬合力组成。锈蚀发生后，钢筋表面的锈蚀产物质地疏松，对钢筋与混凝土的界面产生作用，加之钢筋表面横肋锈损，都会使钢筋与混凝土之间的握裹力下降，钢筋与混凝土粘结性能退化；

（3）钢筋表面的锈蚀产物发生体积膨胀使钢筋混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时，在钢筋与混凝土界面处会出现径向裂缝，随着锈蚀的加剧、锈蚀量的增加，径向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝，严重时保护层剥落，严重影响混凝土结构的正常使用。

3.结论

（1）钢筋的化学成分是影响钢筋性能的内因，钢筋的各组成元素对其性能会产生不同的影响，钢筋的力学性能是各组成元素综合作用的结果。

（2）钢筋的力学性能是影响钢筋混凝土结构性能的重要因素，钢筋的力学性能可由钢筋拉伸试验的结果反映。

（3）大气环境下钢筋的锈蚀机理多为电化学锈蚀，其锈蚀机理为混凝土碳化或氯离子侵入后，钢筋表面原有钝化膜破坏，在氧与水的共同作用下发生电化学反应。

（4）锈蚀发生后，钢筋因其截面面积减小及锈坑引起的应力集中而发生力学性能的退化。钢筋混凝土构件或结构因钢筋强度的下降、钢筋与混凝土间的粘结破坏及钢筋锈胀而发生承载能力下降。

参考文献

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[2] 陈绍藩.钢结构基础[M].北京：中国建筑工业出版社，2003

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