（二）钢筋腐蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素
众所周知，在钢筋混凝土结构中钢筋承担拉力，混凝土承担压力，两者组成一个整体共同工作，混凝土保护钢筋免于锈蚀，保证了结构的耐久性。混凝土和钢筋的强度是确定钢筋混凝土结构构件抗力的基本参数，它随时间的变化规律是建立在股结构抗力变化模型的基础。
一般来说，混凝土强度在初期随时间增大，但增长速度逐渐减慢。一般大气条件下混凝土的损伤主要是碳化腐蚀和冻融循环破环。试验研究表[2]，碳化对混凝土强度没有破坏作用，碳化后混凝土的强度随龄期增长反而提高；冻融循环使混凝土的强度有所降低，其降低的幅度主要与混凝土的材料组成有关，随时间的增长变化不大。
混凝土碳化腐蚀会降低混凝土的碱性，随着时间的推移，碳化的发展会使混凝土失去对钢筋保护作用，引起钢筋的腐蚀。钢筋的腐蚀是影响混凝土耐久性和使用寿命的重要因素。因此研究混凝土碳化和钢筋腐蚀随时间随时的变化规律，建立在役结构抗力变化模型，是进行混凝土结构耐久性评估和剩余寿命预测的核心内容。
1．混凝土的碳化
混凝土的碳化是指混凝土中的氢氧化钙（Ca(OH)2）与渗透进混凝土中的二氧化碳（CO2）和其他酸性气体等发生化学反应的过程。碳化的实质是混凝土的中性化。
通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其PH值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。当有二氧化碳和水汽从表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和，会导致混凝土的PH值降低。当混凝土完全碳化后，就出现PH值小于9的情况，在这种环境下，混凝土中埋置的钢筋表面钝化膜被逐渐破坏，在有水份和其他有害界质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂，钢筋屈服强度降低，结构耐久性降低第一系列不良后果。
（1）影响混凝土碳化的因素
研究表明，混凝土的碳化速度取决于CO2气体的扩散速度及CO2与混凝土成份的反应性速度，CO2气体的扩散速度受混凝土本身的组织密实性，CO2气体的浓度，环境温度，试件含水量等多种因素影响。所以，混凝土的碳化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素（主要有水泥用量和水灰比）和与环境有关的外界因素。对于在股结构物来说，由于其内部因素已经确定，因此影响混凝土碳化速度的主要因素是外部因素，如CO2的浓度越高，且压力越大，碳化深度越大。因此，在城市交通繁忙路段处的结构物往往碳化现象较严重。另外，碳化较易发生在潮湿环境中，尤其是干湿交替的环境，因此，南方的结构物容易产生碳化现象，且随着温度的升高，混凝土的碳
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化加速。
（2）混凝土的碳化规律
国内外学者在分析碳化试验结果的基础上，提出了碳化深度与碳化时间的关系式为
D?Rt （1-1）
式中：D——碳化深度（mm）；
t——碳化时间（年）；
R——碳化速度系数，其数值不仅与混凝土的水泥品种及用量，养护方法有关，
还与环境湿度、温度及CO2浓度等多种因素有关。
国内外很多学者对碳化速度系数R的取值都提出了各自的经验公式。这些公式的区别在于选取的参数和参数的个数不同。近几年来，国内外许多学者都致力于混凝土碳化的多系数方程的研究，中国建筑科学研究院将公式（1-1）所示用单一系数表达的碳化深度与碳化时间关系式，改写为下列形式[2]：
D?Rt??1??2??3??4??5??6?kt （1-2）
式中：η1——水泥用量影响系数；
η2——水灰比影响系数； η3——粉煤灰取代量影响系数； η4——水泥品种影响系数； η5——骨料品种影响系数； η6——养护方法影响系数；
混凝土影响系数η1、η2……η6，可按表1-1取用。
k——综合影响系数，普通混凝土k=2.32，轻骨料混凝土k=4.18。
混凝土碳化影响系数 表1-1
系数名称 水泥用量 影响系数 符号 条件 水泥用量(kg/m3) 250 1.35 1.40 0.4 0.85 0.7 0 1.0 1.0 300 1.0 1.0 0.5 1.0 1.0 10 1.2 1.30 相对指标 350 0.85 0.90 400 0.75 0.80 0.6 20 1.30 1.50 450 0.65 0.70 0.7 30 1.50 2.00 η1 轻骨料混凝土 普通混凝土 水灰比 影响系数 粉煤灰 取代量 影响系数 水灰比 η2 轻骨料混凝土 普通混凝土 粉煤灰取代量(%) η3 轻质混凝土 普通混凝土 - 7 -
水泥品种 影响系数 水泥品种 4.25普硅水泥 425矿渣或火山灰水泥 635矿渣水泥 1.0 1.0 粗骨料 天然 轻骨料 人造 轻骨料 0.6 标准养护 1.0 1.0 1.20 1.35 细骨料 碎石 普通砂 0.55 1.0 破碎 轻砂 1.4 蒸汽养护 1.5 1.85 珍珠 岩砂 2.0 1.25 1.50 η4 轻质混凝土 普通混凝土 骨料种类 骨料种类 影响系数 η5 养护方法 影响系数 养护方法 1.0 η6 轻质混凝土 普通混凝土 利用公式（1-1）推算混凝土的碳化深度时，公式中的碳化系数R也可按中国建筑科学研究院推荐的统计经验公式由混凝土设计强度等级直接求出。考虑各地气象条件不同，碳化系数可参照表1-2 [3]。
混凝土碳化系数R计算表达式 表1-2
城市名称 北京 西宁 贵阳 杭州 环境条件 室外环境 室外环境 室外环境 室外环境 碳化系数公式 151/fcu.k—2.38 139/fcu.k—2.18 131/fcu.k—1.78 152/fcu.k—2.39 2．钢筋的腐蚀
大量的工程实践表明，钢筋的腐蚀是影响在役钢筋混凝土结构耐久性的主要因素。处于干燥环境下，混凝土碳化速度缓慢，具有良好保护层的钢筋混凝土结构一般不会发生钢筋腐蚀；而处于潮湿的或有侵蚀介质（例如氯离子）的环境中，混凝土将加速碳化，钢筋钝化膜逐渐破坏，常因钢筋腐蚀引起结构的严重破坏。钢筋腐蚀伴随有体积膨胀，使混凝土沿钢筋出现爆裂，造成钢筋与混凝土之间粘着力的破坏，钢筋截面面积减少，构件承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。
（1）钢筋腐蚀的机理
混凝土中的钢筋腐蚀一般为电化学腐蚀。二氧化碳、氯离子等腐蚀介质侵入时，混凝土的碱性降低或混凝土保护层开裂等都会造成全部或部分地破坏钢筋表面的钝化状态，由于钢材材质和表面的非均匀性，在钢筋表面的不同部位总会出现较大的电位差，形成阳极和阴极。因此，在潮湿环境下由于氧气和水的参与，钢筋就可以
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发生电化学反应：
在阳极的反应为
Fe?Fe2??2e （1-3）
在阴极的反应为
2H2O?O2?2e?Fe(OH)2? （1-4）
阴极、阳极生成的铁离子和氢氧根离子结合生成氢氧化铁：
Fe2?2(OH)??Fe(OH)24Fe(OH)2?O2?2H2O?4Fe(OH)3 （1-5）
在氧气和水汽的共同作用下，由于上述电化学反应，使钢筋表面的铁不断失去电子而溶于水，从而逐渐被腐蚀，在钢筋表面生成铁锈，铁锈体积膨胀，引起混凝土开裂。
影响电化学腐蚀的因素有环境的湿度、温度、氧气浓度等，湿度越大、温度越高、氧气浓度越大，腐蚀越严重。氯离子虽然不能构成腐蚀产物，但其中间产物对钢筋腐蚀电化学反应起催化作用，将加速钢筋的腐蚀，对结构的危害较大。
钢筋由于电化学腐蚀等原因，使表面形成大小不一、分散分布的腐蚀坑，腐蚀坑的存在加大了钢筋的电位差，使腐蚀加速；另一方面腐蚀坑相当于一个缺口，在钢筋受拉时，将引起应力不均匀分布，造成应力集中，可能导致钢筋的早期断裂，这种现象称为钢筋的应力腐蚀。应力腐蚀是化学腐蚀和应力复合作用的结果。应力腐蚀的主要与腐蚀介质，钢筋的应力水平和钢筋的材质情况的有关，钢筋的强度和应力值对应力腐蚀有重要影响。钢筋的强度越高，其变形性能越差，越容易发生应力腐蚀；钢筋应力越高，应力腐蚀的敏感性越大。因此，应力腐蚀对高强预应力筋的危害是很大的。
（2）钢筋腐蚀对结构受力性能的影响
混凝土中的钢筋腐蚀后，腐蚀产物体积膨胀使混凝土保护层沿纵筋出现裂缝，使钢筋与混凝土的粘结力下降，钢筋截面积减少，屈服强度降低，随着时间的推移结构受力性能将进一步恶化，严重影响结构的耐久性。
①钢筋腐蚀对钢筋与混凝土粘结强度的影响
钢筋腐蚀对粘结强度的影响与腐蚀量有关：当钢筋表面只有轻微的腐蚀时（腐蚀率小于1%），钢筋与混凝土之间的粘结强度有所提高；但随蚀量的增加，粘结强度则会显著下降。当因钢筋腐蚀产生顺筋裂缝，且裂缝宽度超过1.5~2mm时，钢筋与混凝土之间的粘结力基本丧失，其平均粘结强度仅为无纵向裂缝的3.5%~5.5%。
②钢筋腐蚀对构件承载力的影响
钢筋腐蚀对钢筋混凝土构件承载力的影响主要取决于钢筋腐蚀引起的钢筋截面面积减少、材料力学性能的变化和钢筋与混凝土之间的粘结力。
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（3）腐蚀钢筋的截面损失率
钢筋的腐蚀率以截面损失率表示。对在股结构的钢筋腐蚀截面积损失率可采用取样检查法或裂缝观察法确定。
取样检查法就是去掉混凝土保护层直接检查腐蚀情况，如剩余直径，腐蚀坑的长度、深度等。检查即可在钢筋上直接进行，也可以取钢筋试样在实验室进行分析。
裂缝观察法是根据混凝土上裂缝的形状、分布及裂缝宽度来判断钢筋的腐蚀程度。钢筋腐蚀后会产生体积膨胀，造成混凝土出现顺筋裂缝，因此，通过观察混凝土构件上有无顺筋裂缝和裂缝开展宽度可判钢筋腐蚀程度，见表1-3[2]。
钢筋混凝土构件裂缝与钢筋截面损失率 表1-3
裂缝状态 无顺筋裂缝 有顺筋裂缝 钢筋截面损失率 (0~1)% (0.5~10)% 裂缝状态 保护层局部脱落 保护层全部脱落 钢筋截面损失率 (5~20)% (15~20)% 腐蚀钢筋的截面损失率与裂缝宽度、保护层厚度、钢筋直径和混凝土强度等有关，它们之间的关系可表示为：
??507e0.007Cfcu.kdd?1.08?0.09?1.76 （0≤Wf<0.2mm） （1-6）
??232e0.008Cfcu.k?0.567 （0.2≤mmWf<0.4mm） （1-7）
式中：λ——钢筋截面损失率（%）；
C——混凝土保护层厚度（mm）； d——钢筋直径（mm）；
fcu.k——混凝土立方体强度（Mpa）；
Wf——腐蚀裂缝宽度（mm）；
腐蚀钢筋的截面损失率，亦可按不同钢筋位置，按下列公式计算： ①位于角部的R235钢筋（原Ⅰ级钢筋）（C=15~25mm）
??(32.43?0.303fcu.k?0.65C?27.45Wf)d （1-8）
②处于箍筋位置的R235钢筋（原Ⅰ级钢筋）
??(59.45?1.07fcu.k?276Wf)d （1-9）
③位于角部的HRB335钢筋（原Ⅱ级钢筋）（C=20~40mm）
??(34.468Wf?0.789fcu.k?1.763)d （1-10）
（4）腐蚀钢筋的力学性能
钢筋腐蚀后其力学性能如：抗拉强度、伸缩率等也随之发生变化，变化情况取决于钢筋的品种和环境介质条件。
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