水环境中的钢筋混凝土结构

土木工程专业方法论

论文

题目：水环境中的钢筋混

凝土结构

班级： 土木0804班 姓名： 梁霄 学号： 08231106

水环境中的钢筋混凝土结构

引言：

在水环境中，尤其是在海水环境中，由于氯离子和硫酸盐的影响，往往会引起钢筋混凝土的腐蚀，而钢筋的腐蚀是影响混凝土结构物耐久性的最主要因素，其不仅使钢筋本身的力学性能降低，同时还导致混凝土胀裂，极大地降低了钢筋混凝土的承载性能。使得钢筋混凝土桥墩产生非均匀性腐蚀和损伤，而且非均匀温度效应使桥墩处于偏心受压状态。因此，在设计水环境下的钢筋混凝土结构时，除了像非水环境中的荷载承载力的设计，我们要分析钢筋锈蚀（水环境中尤其是海水环境，氯离子锈蚀最显著）以及其给钢筋混凝土结构的承载力带来的影响，以及做好相应的防护和处理，保证水环境中钢筋混凝土结构的安全性和耐久性。

正文：

一、水环境中的钢筋混凝土的锈蚀行为

在水环境中，尤其是海水环境中，氯离子的含量对钢筋的锈蚀影响非常的明显，氯离子腐蚀原理是氯离子通过钢筋外的混凝土侵入，使得混凝土中的碱性降低，破坏钢筋表面的钝化状态，从而促成钢筋表面的腐蚀电池，还能加速电化学电池的作用，对钢筋的危害性非常大。

而在水环境中，钢筋混凝土结构如钢筋混凝土桥墩，其周围环境并不是完全一样的（例如，淡水环境和海水环境中氯离子的含量不同，干湿循环条件和全湿条件的不同等），因此，我们可以采用一些研究人员研究的箔栅腐蚀试验方法进行测验。

箔栅腐蚀试验可以很好的测试水环境中钢筋混凝土的腐蚀行为，它采用的是电阻探针原理，通过试样内钢丝的电阻变化来表征其腐蚀过程。利用电桥平衡原理可将这一电阻变化测量出来进而换算出钢丝的腐蚀率，由两根钢丝的测量比值大小的变化，可间接模拟评价钢筋腐蚀的发生和发展。

在试验中，不同厚度的混凝土保护层试样分别在3％NaC1溶液中、淡水试验站、海水全浸区和海水潮差区时的电阻变化情况，然后通过公式将试验所得的钢筋腐蚀电阻比值转化为钢丝式样的腐蚀速率：

表1、 浸泡于3％NaC1溶液中箔栅试样的腐蚀速率

试样 腐蚀速率 10mm 63.2 20mm 12.0 表2、淡水、海水环境下箔栅试样的腐蚀速率

试样 淡水 淡水 海水 潮差区 海水 潮差区 海水 全侵区 海水 全侵区 10mm 20mm 10mm 腐蚀速率 6.8 4.7 112.2 20mm 31.8 10mm 75.0 20mm 15.5 通过实验，可以看出，同环境中保护层为10 mm的试样腐蚀变化明显比保护

层为20 mm试样的大；对比试验室内的盐水浸泡结果与淡水、海水内的试验结果可知，放置于海水潮差区的箔栅金属丝腐蚀最大，这是因为干湿循环使得氯离子渗透速度较快，且浓度较大所致。对比海水全浸区和试验室内浸泡试验的数据可知，全浸区内箔栅的腐蚀深度要较试验室内浸泡试验的大，腐蚀速度较快，在海水环境中的腐蚀明显高于在淡水中的腐蚀，说明氯离子渗透影响非常明显。

二、水环境中钢筋混凝土结构承载力的分析

水环境中的钢筋混凝土结构有代表性的就是钢筋混凝土桥墩，由于海浪及氯离子和硫酸盐的影响，使钢筋混凝土桥墩产生非均匀性腐蚀和损伤，再加上非均匀温度效应使桥墩处于偏心受压状态，因此在进行桥梁结构承载力分析时除考虑材料的性能衰减、混凝土剥蚀和开裂，以及钢筋锈蚀的因素外，还要考虑钢筋非均匀锈蚀和保护层剥离的影响。

1、水环境对钢筋混凝土的影响

在水下进行混凝土浇筑，随着时间的增大，混凝土的性能会劣化，其强度会随时间有所降低，强度的标准值增大。同时，在水环境中，钢筋的锈蚀会增大，钢筋的锈蚀不但截面积减小，材料的各种性能也会发生衰减．在一定范围腐蚀量越大，裂缝宽度也越大，当锈蚀较严重时，混凝土表面出现数条裂缝，主裂缝与锈蚀量呈现共同增长趋势，主裂缝走向与钢筋方向一致．裂缝不仅会加速钢筋锈蚀，而且使钢筋与混凝土的应力重新分布、结构的刚度降低、结构变形增大。当钢筋严重锈蚀，引起较宽锈胀裂缝时，混凝土对钢筋的约束作用降低，从而使黏结强度明显降低，因而需计入由于钢筋锈蚀而引起的两者之问共同工作能力下降

而导致的抗力降低。

2、钢筋混凝土桥墩的承载力分析

混凝土截面损伤对受压构件的承载力影响较大，对锈蚀钢筋混凝土受压构件承载力有以下原则：(1)对钢筋锈蚀较小，混凝土保护层尚未开裂的受压构件，可以只考虑钢筋截面损失和强度的降低，不考虑黏结力损失的影响；(2)对于混凝土保护层已经开裂的受压桥墩，除要考虑钢筋混凝土锈蚀截面损失及强度降低外，还必须考虑混凝土截面损伤对承载力的影响。对于偏心受压桥墩，还应考虑黏结力损伤引起的承载力降低。

利用非线性有限元进行分析钢筋混凝土桥墩的承载力，需要的参数：弹性模量、单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比( 取0.2)、剪应力传递系数（取0.2） 和混凝土的单轴应力应变关系。得到如下三个图像。

由于混凝土保护层退出工作后，有效承载面积减少，导致这一区域的钢筋应力显著增大，混凝土应力提高。保护层剥落深度愈大，应力沿墩体不均匀分布的程度愈严重。对比图1和图3，可见计算值与测试值趋势大体一致，计算值比实测值随钢筋锈蚀率下降缓慢，是由于在计算中没有充分考虑锈蚀对黏结力降低和局部应力集中的影响。还可以看出随着钢筋锈蚀率的增大，桥墩承载力下降较快，因而在计算桥墩承载力时必须充分考虑钢筋锈蚀和混凝土开裂对它们二者协同工作能力降低所带来的影响。

由图2可以看出，混凝土保护层剥落程度和钢筋锈蚀率是密切相关的，钢筋

的不同锈蚀程度影响着混凝土保护层的破坏程度。因为，一旦混凝土部分保护层推出工作，其原来承担的应力就近传给附近的混凝土，产生很高的应力集中，从而促使整个保护层的开裂。

三、对水环境中钢筋混凝土结构的安全防护及处理措施

在海洋环境下，钢筋混凝土的使用功能会随着时间而劣化。有效的防腐措

施可以防止混凝土结构在设计服役寿命内钢筋腐蚀破坏的发生。主要防腐措施为采用低渗透性的防腐耐久混凝土和适当增加混凝土保护层厚度。附加防腐措施为混凝土表面涂层、涂层钢筋、混凝土中掺人钢筋阻锈剂以及阴极保护等。在混凝土表面进行涂层处理，可大大提高混凝土的抗渗性，提高混凝土抗硫酸盐、抗离子侵蚀性能，从而提高混凝土的耐久性。

在实际应用中，要对水环境中的钢筋混凝土进行定期的监测，对产生裂缝的混凝土结构进行提早的修理，以防止混凝土进一步的破坏，保证混凝土在水下的安全和耐久性。

参考文献：

[1]、王钧利．海水中钢筋混凝土桥墩承载力分析[J]．武汉理工大学学报：

交通科学与工程版，2009，4（33）．

[2]、宋军华， 谢向阳．混凝土结构中钢筋锈蚀的影响因素和检测评判方法的探讨 [J] ．安徽省交通规划设计研究院 ．

[3]、邹国军 ，陈澜涛．用电阻探针法研究水环境中钢筋混凝土的腐蚀行为[J] ．材料保护,2007,20(4).

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