1 引言
　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用較廣的結(jié)構(gòu)形式之一。隨著建筑物的老化和環(huán)境污染的加重，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題越來越引起國內(nèi)外廣大研究者的關(guān)注。在第二屆國際混凝土耐久性會議上，Mehta教授指出："當(dāng)今世界混凝土破壞原因，按遞減順序是：鋼筋腐蝕、凍害、物理化學(xué)作用"。他明確地將"鋼筋腐蝕"排在影響混凝土耐久性因素的首位。而來自海洋環(huán)境的氯鹽和用于化冰雪的除冰鹽，又是造成鋼筋腐蝕的主要原因。美國1984年報道，僅就橋梁而言，57.5萬座鋼筋混凝土橋，一半以上出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，40%承載力不足和必須修復(fù)與加固處理，當(dāng)年的修復(fù)費(fèi)為54億美元；1988年報道，鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復(fù)費(fèi)，一年要2500億美元，其中橋梁修復(fù)費(fèi)為1550億美元（是這些橋初建費(fèi)用的4倍）。加拿大早期大量使用除冰鹽，使鋼筋混凝土橋梁等破壞嚴(yán)重。歐洲、澳大利亞、海灣國家等，都有以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞問題，其中英國修復(fù)費(fèi)為每年50億英鎊。韓國曾發(fā)生一系列建筑物破壞、倒塌事件，其中很多也與"鹽害"有關(guān)。在我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多海港碼頭的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出現(xiàn)順筋銹脹開裂、剝落。北京、天津的許多立交橋，因為冷天撒鹽化冰雪也日益暴露出嚴(yán)重的鋼筋腐蝕問題，不得不斥巨資修復(fù)。 

2 鋼筋的的腐蝕機(jī)理
　　鋼筋的腐蝕過程是一個電化學(xué)反應(yīng)過程。
　　混凝土孔隙中的水分通常以飽和的氫氧化鈣溶液形式存在，其中還含有一些氫氧化鈉和氫氧化鉀，PH值約為12.5。在這樣強(qiáng)堿性的環(huán)境中，鋼筋表面形成鈍化膜，它是厚度為20-60?的水化氧化物（nFe2O3·mH2O），阻止鋼筋進(jìn)一步腐蝕。因此，施工質(zhì)量良好、沒有裂縫的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即使處在海洋環(huán)境中，鋼筋基本上也能不發(fā)生腐蝕。但是，當(dāng)由于各種原因，鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，成為活化態(tài)時，鋼筋就容易腐蝕。
　　呈活化態(tài)的鋼筋表面所進(jìn)行的腐蝕反應(yīng)的電化學(xué)機(jī)理是，當(dāng)鋼筋表面有水分存在時，就發(fā)生鐵電離的陽極反應(yīng)和溶解態(tài)氧還原的陰極反應(yīng)，相互以等速度進(jìn)行。其反應(yīng)式如下：
　　陽極反應(yīng)
　　Fe - 2e → Fe2+
　　陰極反應(yīng)
　　O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
　　腐蝕過程的全反應(yīng)是陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的組合，在鋼筋表面析出氫氧化亞鐵，該化合物被溶解氧化后生成氫氧化鐵Fe(OH)3，并進(jìn)一步生成nFe2O3·mH2O（紅銹），一部分氧化不完全的變成Fe3O4（黑銹），在鋼筋表面形成銹層。紅銹體積可大到原來體積的四倍，黑銹體積可大到原來的二倍。鐵銹體積膨脹，對周圍混凝土產(chǎn)生壓力，將使混凝土沿鋼筋方向開裂，進(jìn)而使保護(hù)層成片脫落，而裂縫及保護(hù)層的剝落又進(jìn)一步導(dǎo)致更劇烈的腐蝕。 

3 受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能研究的現(xiàn)狀

3.1 研究方法 
　　目前，對受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究方法主要是試驗研究和有限元分析。試驗研究中，腐蝕試件的模擬一是通過試驗室試驗，包括快速腐蝕試驗（電化學(xué)腐蝕、加氯鹽腐蝕等）和鹽霧試驗；二是長期自然暴露試驗；三是替換構(gòu)件法。有限元分析中，大多采用鋼筋混凝土非線性有限元方法對受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行非線性模擬。
　　電化學(xué)快速腐蝕試驗通常是將試件浸入一定濃度的NaCl溶液中，用外部電源通以恒電流，混凝土中的鋼筋做陽極，不銹鋼做陰極，通過控制電流密度的大小和通電時間來控制鋼筋的腐蝕量。在混凝土中摻加氯鹽的快速腐蝕試驗一般是在澆注混凝土試件時，在混凝土拌合物中加入一定比例的氯鹽（如CaCl2），然后在自然條件下放置，或是施加一定大小的電流進(jìn)行加速腐蝕。鹽霧室中的腐蝕試驗是用來模擬氯化物在混凝土試件中的滲透，一般將試件放置在一個密閉的鹽霧室中，鹽霧室上部的四個角部各有一個噴霧口，鹽霧室中還可以進(jìn)行干濕交替、溫度變化等。長期自然暴露試驗是將鋼筋混凝土試件放置在各種自然侵蝕環(huán)境，如大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、化工環(huán)境中，試驗的周期較長，但能夠較真實地反映實際情況。替換構(gòu)件法是對長期處于腐蝕環(huán)境下的、實際工程中的鋼筋混凝土構(gòu)件從工作現(xiàn)場拆下來，進(jìn)行各種力學(xué)性能試驗。
　　自然腐蝕的復(fù)雜條件需要在試驗室用簡單但具有代表性的方法模擬，如何在試驗室更好地模擬真實的腐蝕環(huán)境對構(gòu)件的作用，在較短的時間里達(dá)到結(jié)構(gòu)在一定時期后的腐蝕狀態(tài)，對試驗結(jié)果的可靠性非常重要。 

3.2 受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的抗彎性能 
　　鋼筋腐蝕通常會改變正常配筋混凝土梁的破壞類型，完好梁一般為彎曲破壞，而受腐蝕梁很多情況下為剪切破壞[4]。受腐蝕梁在鋼筋屈服前，受力裂縫不明顯，裂縫高度很低，一旦出現(xiàn)高度較高的明顯的受力裂縫，這時鋼筋已經(jīng)屈服，構(gòu)件即將破壞。有試驗表明[11]，鋼筋腐蝕后，當(dāng)壓區(qū)腐蝕縱向裂縫寬度大于2mm時，在鋼筋剛剛屈服的上部混凝土?xí)�出現(xiàn)被壓碎的現(xiàn)象，破壞形態(tài)處于超筋梁和適筋梁的界限破壞狀態(tài)。而當(dāng)受拉鋼筋腐蝕量大到一定程度時，構(gòu)件會由適筋梁變?yōu)樯俳盍�。不管是出現(xiàn)超筋梁的破壞還是少筋梁的破壞，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)都是從有預(yù)兆的塑性破壞變?yōu)闊o預(yù)兆的脆性破壞。
　　隨著縱筋腐蝕量的增加，鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度和剛度都在下降。鋼筋腐蝕還增加了鋼筋混凝土梁在使用荷載下的撓度和裂縫寬度。受腐蝕梁的抗彎強(qiáng)度下降主要有以下原因：鋼筋腐蝕引起鋼筋截面積減��；鋼筋腐蝕引起鋼筋名義屈服強(qiáng)度（由屈服荷載除以公稱面積得到）減小；鋼筋腐蝕引起鋼筋和混凝土的粘結(jié)力下降，使得破壞區(qū)段內(nèi)混凝土和鋼筋的平均應(yīng)變大于正常構(gòu)件，不能充分地進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變重分布，而導(dǎo)致鋼筋與混凝土協(xié)同工作系數(shù)降低。只考慮腐蝕后鋼筋截面積減小的計算彎曲強(qiáng)度與相應(yīng)梁的試驗彎曲強(qiáng)度差別較大，說明鋼筋和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度降低是受腐蝕梁抗彎強(qiáng)度降低的主要影響因素。由于粘結(jié)力降低使得構(gòu)件強(qiáng)度降低系數(shù)處于正常構(gòu)件和無粘結(jié)構(gòu)件之間。
　　對受腐蝕的壓彎構(gòu)件[11][14]，大偏壓構(gòu)件的橫向受力裂縫到達(dá)縱向腐蝕裂縫位置后不象正常構(gòu)件那樣有規(guī)律地向上發(fā)展，裂縫分布很不均勻，裂縫間距大于正常構(gòu)件，受力裂縫也相應(yīng)增大。隨著鋼筋腐蝕量增加，開裂荷載與極限荷載的比值略有增加，屈服荷載與極限荷載的比值比較接近，即受拉鋼筋達(dá)到屈服后受壓混凝土很快達(dá)到極限壓應(yīng)變，構(gòu)件破壞。說明受腐蝕構(gòu)件的延性明顯降低，脆性明顯增加。小偏壓受腐蝕構(gòu)件的承載力和剛度均有較大的降低，在同級荷載作用下的鋼筋和混凝土的應(yīng)變和側(cè)向撓度均明顯大于正常構(gòu)件，拉區(qū)混凝土裂縫發(fā)展不明顯，脆性也明顯增加。 

3.3 受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的抗剪性能 
　　由于混凝土構(gòu)件中箍筋位于縱筋外邊，其保護(hù)層總是比縱筋小，因此一般箍筋首先腐蝕，其腐蝕程度往往比縱筋嚴(yán)重，特別是在箍筋與縱筋交接處。而箍筋不僅直接影響鋼筋混凝土構(gòu)件的抗剪性能，而且受腐蝕的箍筋不能有效地約束混凝土，從而對構(gòu)件的承載力有間接影響。
　　目前，對受腐蝕混凝土構(gòu)件斜截面的研究并不多見。文獻(xiàn)[4]指出箍筋的局部腐蝕與梁的損傷有很大關(guān)系，因而影響承載能力。文獻(xiàn)[5]對暴露鋼筋的混凝土梁的剪切強(qiáng)度進(jìn)行了研究。 

3.4 受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋和混凝土的粘結(jié)性能 
　　受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件性能劣化的一個主要原因就是粘結(jié)性能的退化。有些環(huán)境下鋼筋的腐蝕不是均勻腐蝕，而是局部腐蝕，對鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能影響更大。
　　國內(nèi)外研究者對腐蝕構(gòu)件的粘結(jié)性能進(jìn)行了大量的試驗研究。一般采用拔出試件和梁試件[7][8]，也有用鋼筋刻痕來模擬坑蝕[9]，還有用暴露的鋼筋來模擬粘結(jié)破壞[5][6]。
　　在模擬鋼筋表面局部腐蝕的拔出試驗中，極限粘結(jié)強(qiáng)度在鋼筋腐蝕達(dá)到某一個程度（試驗給出值是1%[8]）之前有所增加，但隨著腐蝕進(jìn)一步增加，極限粘結(jié)強(qiáng)度不斷降低直到可以忽略不計。在模擬鋼筋表面相對均勻腐蝕的梁試驗中，極限粘結(jié)強(qiáng)度也在鋼筋腐蝕達(dá)到某一個程度（試驗給出值是0.5%[8]）之前有所增加，而后隨著腐蝕量的增加而降低，但降低得非常緩慢。兩種試驗都顯示自由端的滑移值隨著縱向裂縫的開展而迅速降低，表明鋼筋約束突然喪失，標(biāo)志著粘結(jié)破壞發(fā)生的臨界滑移量受鋼筋表面狀況和約束程度的極大影響。
　　極限粘結(jié)強(qiáng)度在鋼筋腐蝕初期的增加，可以解釋為腐蝕所引起的體積膨脹使鋼筋和混凝土之間的握裹力增加，從而使鋼筋和混凝土間的粘結(jié)力不但沒有下降反而有所上升。然而，在鋼筋腐蝕后期開裂階段隨著腐蝕量的增加，特別是在局部腐蝕情況下，粘結(jié)性能將會受到鋼筋肋嚴(yán)重退化、鋼筋表面片狀腐蝕、金屬滑移及縱向裂縫加寬造成混凝土約束作用降低等因素的影響，從而降低。
　　粘結(jié)性能退化的機(jī)理是：1、鋼筋的腐蝕產(chǎn)物是一層結(jié)構(gòu)疏松的氧化物，在鋼筋與混凝土之間形成一層疏松隔離層，明顯地改變了鋼筋與混凝土的接觸表面，從而降低了鋼筋與混凝土之間的粘接作用。2、鋼筋的腐蝕產(chǎn)物比被腐蝕的鋼材占據(jù)更大的體積，從而對包圍在鋼筋周圍的混凝土產(chǎn)生徑向膨脹力，當(dāng)徑向膨脹力達(dá)到一定程度時，會引起混凝土開裂�；炷�土開裂導(dǎo)致混凝土對鋼筋的約束作用減弱。混凝土開裂時的鋼筋腐蝕量與鋼筋直徑、保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋種類和鋼筋位置等因素有關(guān)[12]。3、變形鋼筋腐蝕后，鋼筋變形肋將逐漸退化。在腐蝕較嚴(yán)重的情況下，變形肋與混凝土之間的機(jī)械咬和作用基本消失。 

3.5 受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用荷載作用下的性能 
　　鋼筋混凝土構(gòu)件實際上都是處于工作狀態(tài)，而構(gòu)件在應(yīng)力狀態(tài)下的腐蝕與沒有加載時有很大不同，其各方面的性能亦有很大改變。荷載對受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的影響是多方面的，加載歷史和加載級別對腐蝕的發(fā)生和發(fā)展有明顯影響[2][4]，并影響混凝土中鋼筋的腐蝕量，而腐蝕量反過來通過強(qiáng)度或剛度損失影響鋼筋混凝土構(gòu)件的適用性。
　　預(yù)先加載和持續(xù)加載對腐蝕發(fā)生的影響相似[4]，在同樣的暴露條件下，荷載水平的增加縮短了腐蝕發(fā)生的時間。較高的荷載水平下試件發(fā)生腐蝕較早，一般是由于加載期間混凝土產(chǎn)生了裂縫。裂縫使水、氯離子等侵蝕介質(zhì)易于滲透到鋼筋表面，加速了鋼筋發(fā)生腐蝕。
　　預(yù)先加載水平高的試件比預(yù)先加載水平低的試件對腐蝕發(fā)展的影響大。但在腐蝕初始階段影響不明顯，在后期階段才變得顯著。其原因是，腐蝕發(fā)生后的初始階段，由預(yù)先加載產(chǎn)生的混凝土的微裂縫可能由于腐蝕產(chǎn)物的填充作用減小甚至閉合，降低了侵蝕介質(zhì)的進(jìn)一步滲透，從而減小了腐蝕速率。建議的臨界裂縫大約是0.1~0.3mm[4]，在此值以下裂縫一般不影響鋼筋的腐蝕過程。與預(yù)先加載相似，承受較高水平持續(xù)荷載的試件具有較高的腐蝕量，這是由于混凝土中裂縫數(shù)量和大小的增加。同預(yù)先加載情形不同，持續(xù)荷載下大部分混凝土裂縫在整個腐蝕過程中不斷張開。所以，持續(xù)加載對腐蝕發(fā)展的影響更嚴(yán)重。在同級荷載下，持續(xù)加載構(gòu)件的腐蝕量高于預(yù)先加載的構(gòu)件。
　　高的荷載水平還增加了鋼筋混凝土構(gòu)件的初始和長期撓度。 

3.6 受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動力性能 
　　由于腐蝕使鋼筋的截面尺寸、表面狀況以及鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)等均發(fā)生了變化，腐蝕對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動力性能（例如疲勞性能和抗震性能）的不利影響將更為嚴(yán)重。1999年廣州海印大橋使用過程中突然發(fā)生的斷索事故，即被認(rèn)為是車輛疲勞荷載和鋼筋腐蝕共同作用的結(jié)果。而我國在腐蝕環(huán)境已服役多年的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也存在著抗震性能不斷降低的隱患。
　　目前國內(nèi)外對受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的動力性能的研究非常少。日本進(jìn)行過受彎構(gòu)件恢復(fù)力性能試驗研究[9]。西安建筑科技大學(xué)進(jìn)行過壓彎構(gòu)件恢復(fù)力性能試驗研究[13]。大連理工大學(xué)正在進(jìn)行受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能和疲勞性能的試驗研究和有限元分析。
　　已有的試驗表明，隨著鋼筋腐蝕量增加，鋼筋混凝土構(gòu)件的滯回曲線豐滿程度和滯回環(huán)面積逐漸減小，表明構(gòu)件耗能能力和延性降低。同時由于鋼筋腐蝕程度的不均勻性，滯回曲線具有明顯的不對稱性．從骨架曲線看，腐蝕嚴(yán)重的構(gòu)件承載力和剛度均降低較多，且達(dá)到極限荷載后平直段變短，延性降低。因此鋼筋腐蝕對鋼筋混凝土構(gòu)件反復(fù)水平荷載作用下的恢復(fù)力性能有較大影響，在抗震設(shè)計中應(yīng)予以考慮，以保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全。

4 結(jié)語
　　雖然目前國內(nèi)外已經(jīng)在受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能方面開展了一些研究，做了不同腐蝕情況下鋼筋混凝土受彎構(gòu)件、大小偏心受壓構(gòu)件、鋼筋與混凝土粘接試件的試驗等，并進(jìn)行過一些有限元分析，得出了構(gòu)件承載力和變形性能隨鋼筋腐蝕量的增加而不同程度降低的結(jié)論。但是對受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗剪性能、動力性能的研究仍然極少，特別是對受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究幾乎還是空白，建議今后加強(qiáng)這些方面的研究。