钢纤维混凝土钢筋锈蚀影响因子研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 3.61MB 65 页 15积分

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钢纤维混凝土钢筋锈蚀影响因子研究

摘要

钢筋混凝土结构耐久性问题愈来愈突出，解决混凝土结构耐久性问题意义重大

在混凝土耐久性损伤的众多原因中，由钢筋锈蚀引起的结构过早失效破坏表现的最

为突出。在一般大气环境中，混凝土结构的耐久性破坏主要源于混凝土的钢筋锈蚀

程度，因此本文重点研究混凝土的钢筋锈蚀问题。钢纤维混凝土（ Steel Fiber

Reinforced Concrete，简称SFRC）指在混凝土中掺加钢纤维的新型复合材料，其极

大的提升了混凝土的物理性能，在多个指标上显著改良了传统的混凝土材料。

本文通过对SFRC进行钢筋锈蚀试验，同时联系了目前该领域的最新研究成果

探究了钢纤维对混凝土的增强机理，分析了钢纤维含量、钢筋直径、混凝土保护层

厚度、混凝土水灰比、外部环境因素等对SFRC的影响，提出了加速锈蚀条件下钢

筋锈蚀与各影响因子之间的函数关系，并以此分析各影响因子对钢筋锈蚀程度的影

响机理。本文开展的具体工作如下：

（1）第一章介绍了钢筋锈蚀的研究背景和目前国内外SFRC钢筋锈蚀的研究现

状，进一步阐释了本文的研究内容和选题的重要意义。从微观角度研究了钢筋锈蚀

的电化学反应本质即锈蚀机理，同时归纳出钢筋锈蚀的常用检测方法。

（2）第二～四章详细阐述半浸泡法钢筋加速锈蚀试验，包括试验方案、试验

材料和仪器，试验控制条件等，明确试验过程的详细步骤。同时基于大量试验，分

别对比了不同钢纤维掺量、钢筋直径、保护层厚度和水灰比的混凝土钢筋锈蚀电位

相对电位比和锈蚀电阻，并建立不同条件下钢筋锈蚀电位和电阻变化函数，直观的

反应了钢筋锈蚀程度和速率与不同影响因子之间的关系。试验表明：钢纤维掺量同

保护层厚度两个影响因子共同作用，影响钢筋的最终锈蚀程度；掺量为9%的

SFRC的钢筋锈蚀电位要比掺量为1%的低50%，锈蚀级别小一级。在工程实践中，

可提高钢纤维掺量以减少混凝土中钢筋的锈蚀。钢筋直径越大，锈蚀电位越低，且

在大直径钢筋范围内，不同直径钢筋在锈蚀末期锈蚀电位差异不大（±15%），钢

筋直径同锈蚀速率存在正相关关系。在初始阶段的腐蚀，保护层厚度对钢筋腐蚀的

影响不大。在钢筋锈蚀的中期阶段，不同保护层厚度的试块钢筋锈蚀电位均大幅降

低，幅度大于50%，在锈蚀衰减阶段，钢筋电位及电阻变化不十分明显。保护层厚

度可有效提升锈蚀起始时间。水灰比越小，水泥含量越高，混凝土的密实性越好，

内部微细孔隙和毛细管通道越小，能有效地阻止外界腐蚀介质、氧气及水分等的渗

入，钢筋的防腐蚀能力越高。

（3）第五章概述了BP神经网络的算法和结构，阐述了神经网络处理信息的决

定因素。结合在加速锈蚀试验中所获取的大量试验数据样本，建立了加速锈蚀条件

下钢筋锈蚀电位锈蚀预测模型，并对该模型进行了相关验证。模拟结果显示，该计

算模型预测效果良好。

本文通过钢筋加速锈蚀试验，分析了各影响因子对混凝土钢筋抗锈蚀性能的作

用。同时，建立了钢筋锈蚀电位和电阻的预测模型，为SFRC结构耐久性设计和分

析提供试验和理论依据，以促进SFRC生产技术的发展及在工程实践中的推广和应

用。

关键词：SFRC 钢筋锈蚀锈蚀机理保护层水灰比电位

ABSTRACT

D u r a b i l i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s h a s b e c o m e m o r e p r o m i n e n t , s o

problems of solving du ra b i l i ty of conc r e t e struct ur es h ave been ve ry signific an t. The

s t r u c t u r a l s t e e l c o r r o s i o n h a s c a u s e d p r e m a t u r e f a i l u r e o f c o n c r e t e

s t r u c t u r e s , w h i c h i s t h e m o s t p r o m i n e n t d i s a s t e r i n a l l d u r a b i l i t y d a m a g e a n d

d e s t r u c t i o n . In th e g e n e r a l a t m o s p h e r e , t h e d a m a g e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s d u r a b i l i t y

mainly comes from concrete reinforcement corrosion, so the focus of this article is to

study the problem of reinforced concrete corrosion. As a kind of the new composite

m a t e r i a l w i t h st e e l f i b e r , st e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e g r e a t l y

improves the physical performance of concrete, which means the new innovation in the

traditional areas of concrete materials.

B a s e d o n t h e t e s t s o f s t e e l f i b e r c o n c r e t e r e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o n ,

and combined with the newest research results, this article explores the mechanism of

SFRC, and analyzes the impact of steel fiber content, concrete water-cement ratio, the

c o n c r e t e c o v e r t h i c k n e s s , r e b a r d i a m e t e r a n d e x t e r n a l e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s o n

S F R C. T h e p a p e r p r e s e n ts t h e f u n c t i o ns b e t w e e n s t e e l c o r r o s i o n r a t e a n d v a r i o u s

influencing factors in the accelerated corrosion conditions, and analyzes the mechanism

how the influencing factors affect the degree of steel corrosion . In this paper, the

specific work will be carried out as follows：

(1) T h e f i r s t c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e r e s e a r c h b a c k g r o u n d o f s t e e l c o r r o s i o n

and current status of domestic and foreign steel fiber reinforced concrete corrosion

study, and explains the importance of content and topics. It studies the electrochemical

r e a c t i o n f r o m t h e m i c r o s c o p i c p o i n t o f v i e w w h i c h i s t h e n a t u r e o f t h e c o r r o s i o n

m e c h a n i s m o f s t e e l c o r r o s i o n a n d i t g e n e r a l i z e s t h e c o m m o n d e t e c t i o n w a y s o f s t e e l

corrosion.

( 2) T h e s e c o n d , t h i r d a n d f o u r t h c h a p t e rs e l a b o r a t e t h e t e s t o f s e m i - i m m e r s i o n

a c c e l e r a t e d c o r r o s i o n o f s t e e l , i n c l u d i n g t e s t p l a n , t e s t m a t e r i a l s a n d e q u i p m e n t ,

e x p e r i m e n t a l c o n t r o l c o n d i t i o n s , a n d d e t a i l e d s t e p s i n t h e t e s t p r o c e s s. T h e t h r e e

chapters use a large number of tests, respectively comparing the concrete reinforcement

c o r r o s i o n p o t e n t i a l, t h e r e l a t i v e p o t e n t i a l a n d c o r r o s i o n r e s i s t a n c e b e t w e e n d i f f e r e n t

s t e e l f i b e r c o n t e n ts, d i f f e r e n t b a r d i a m e t e rs, d i f f e r e n t p r o t e c t i v e l a y e r

thicknesses and different water-cement ratios, showing the functions between the extent

and rate of steel corrosion and different influencing factors. Tests show that： The two

f a c t o r s i n c l u d i n g s t e e l f i b e r c o n t e n t a n d t h e p r o t e c t i v e l a y e r t h i c k n e s s

influence together, affecting the final corrosion potential of the test piece; 9% steel fiber

e x t e n t m e a n s 5 0 % s m a l l e r e x t e n t o f s t e e l c o r r o s i o n t h a n 1 % s t e e l f i b e r c o n t e n t ,

which means in engineering practice, people can improve the steel fiber content in order

to redu ce corrosion. The bigger the ba r di amete r is, the lowe r th e corrosi on p otential

is, and in the large-diameter steel range （ above 16mm）, the difference of different

d i a m e t e r s t e e l c o r r o s i o n p o t e n t i a l i s n o t ob v i o u s（ ± 5 0 %）,a n d t h e r e i s a p o s i t i v e

correlation between corrosion of steel with steel diameters; in the initial stage of steel

corrosion, the changes in the protective layer thickness affect little reinforced corrosion

rates. In the mid-phase of steel corrosion, steel corrosion potentials which comes from

t h e d i f f e r e n t t e s t p i e c e s o f s t e e l f i b e r c o n t e n t s i g n i f i c a n t l y

increases, some above 50%. In the decay phase of steel corrosion, steel potential and

resistance increased a little The protective layer thickness can effectively increase the

c o r r o s i o n i n i t i a t i o n t i m e ; t h e l o w e r t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o i s, t h e h i g h e r t h e c e m e n t

content is, the better the density of concrete is, the smaller the tiny pores and capillary

channel is, the more external corrosion medium, such as oxygen and water infiltration,

c a n b e e f f e c t i v e l y p r e v e n te d a n d t h e h i g h e r t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f s t e e l

is.

( 3 )T h e f i f t h c h a p t e r o u t l i n e s t h e s t r u c t u r e a n d a l g o r i t h m o f B P n e u r a l n e t w o r k ,

expounding the factors which decide neural network processing the information. With

the large number of test data samples in the accelerated corrosion test, it establishes the

p r e d i c t i o n m o d e l o f c o r r o s i o n p o t e n t i a l i n t h e c o n d i t i o n o f a c c e l e r a t e d c o r r o s i o n ,

t e s t i n g t h e c o r r o s i o n m o d e l . R e s e a r c h s h o w s t h a t , t h e m o d e l h a s a g o o d p r e d i c t i o n

effect.

By steel accelera ted corrosion tests, this paper a n alyzes the effect whic h va r ious

f a c t o r s h a v e o n t h e c o r r o s i o n p e r f o r m a n c e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e. I t e s t a b l i s he s t h e

p r e d i c t i o n m o d e l o f s t e e l c o r r o s i o n p o t e n t i a l a n d r e s i s t a n c e , w h i c h p r o v i d es

e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e s t r u c t u r e d u r a b i l i t y d e s i g n

and analysis of steel fiber reinforced concrete in order to promote the development of

steel fiber concrete production technology in the areas of engineering and applications.

Key Word： steel fiber reinforced concrete, steel corrosion, corrosion

mechanism, protective layer, water-cement ratio, potential

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论............................................................................................................. 1

1.1研究背景及选题意义...........................................................................................1

1.1.1混凝土结构耐久性........................................................................................1

1.1.2钢筋锈蚀危害及机理....................................................................................1

1.1.3研究钢筋锈蚀的意义....................................................................................4

1.2 SFRC钢筋锈蚀研究现状....................................................................................5

1.2.1发展及应用....................................................................................................5

1.2.2国内外研究现状............................................................................................6

1.2.3常用检测方法................................................................................................7

1.3本文主要研究内容及技术路线...........................................................................8

第二章钢纤维掺量对混凝土钢筋锈蚀影响研究.....................................................10

2.1引言.....................................................................................................................10

2.2试验设计.............................................................................................................10

2.2.1试验方案......................................................................................................10

2.2.2试验材料及仪器..........................................................................................13

2.2.3试验步骤......................................................................................................15

2.2.4试验过程控制..............................................................................................16

2.3加速锈蚀过程中钢筋锈蚀电位变化..................................................................18

2.3.1原始数据......................................................................................................18

2.3.2锈蚀电位变化分析......................................................................................19

2.3.3钢筋锈蚀电位与钢纤维掺量的关系..........................................................22

2.4加速锈蚀过程中钢筋锈蚀电阻变化.................................................................23

2.4.1原始数据......................................................................................................23

2.4.2锈蚀电阻变化分析......................................................................................24

2.4.3钢筋锈蚀电阻与钢纤维掺量的关系..........................................................26

2.5本章小结.............................................................................................................27

第三章钢筋直径对SFRC钢筋锈蚀影响研究...........................................................28

3.1引言.....................................................................................................................28

3.2试验设计........................................................................................................... 28

3.2.1试验方案......................................................................................................28

3.2.2试验控制......................................................................................................28

3.3加速锈蚀过程中锈蚀电位变化.........................................................................29

2.3.1原始数据......................................................................................................29

2.3.2锈蚀电位变化分析......................................................................................29

2.3.3钢筋锈蚀电位与钢筋直径的关系..............................................................29

3.4本章小结.............................................................................................................29

第四章混凝土设计参数对SFRC钢筋锈蚀影响研究...............................................33

4.1引言.....................................................................................................................33

4.2试验控制.............................................................................................................33

4.2.1保护层厚度参数设计及控制......................................................................33

4.2.2水灰比参数设计及控制..............................................................................34

4.3保护层厚度对钢筋锈蚀影响分析.....................................................................34

4.3.1不同保护层厚度钢筋锈蚀外观分析..........................................................34

4.3.2原始数据......................................................................................................36

4.3.3钢筋锈蚀电位、电阻变化分析..................................................................37

4.3.4钢筋锈蚀电位、电阻同混凝土保护层厚度的关系..................................42

4.3.5结论..............................................................................................................44

4.4水灰比对钢筋锈蚀影响分析.............................................................................44

4.4.1原始数据......................................................................................................44

4.4.2钢筋锈蚀电位、电阻变化分析..................................................................45

4.4.3钢筋锈蚀电位、电阻同混凝土水灰比的关系..........................................47

4.4.4结论..............................................................................................................48

4.5本章小结.............................................................................................................49

第五章基于BP神经网络模型分析各影响因子对SFRC钢筋锈蚀的影响..............50

5.1引言.....................................................................................................................50

5.2 BP神经网络概述...............................................................................................50

5.2.1 BP神经网络的算法和结构........................................................................50

5.2.2 BP神经网络处理信息决定因素................................................................51

5.3计算模型的建立.................................................................................................53

5.3.1样本来源......................................................................................................53

5.3.2传递函数......................................................................................................53

5.3.3隐层节点数..................................................................................................54

5.3.4训练函数......................................................................................................55

5.4模型计算结果分析.............................................................................................56

5.5本章小结.............................................................................................................57

第六章结论与展望.....................................................................................................59

6.1总结.................................................................................................................59

6.2展望.................................................................................................................60

参考文献......................................................................................................................61

第一章绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.1.1 混凝土结构耐久性

混凝土结构包含素混凝土结构、预应力混凝土结构和钢筋混凝土结构三种类

型。尽管混凝土的出现不过一百多年时间，但由于混凝土结构具有整体性好，可

塑性好，材料来源广泛，价格低廉等优点，因而在建筑领域中得到了快速发展。

而在建筑工程中，钢筋混凝土既保持了混凝土抗压强度高的特点，又利用了钢筋

抗拉强度高的优势，同时混凝土与钢筋有很好的粘结能力，钢筋又受到混凝土的

保护，从而提升了混凝土构筑物的工作性能。

随着社会经济的发展和人们生产生活需要，各类民用建筑、基础设施建设方

兴未艾。钢筋混凝土结构的广泛使用，使混凝土结构耐久性成为备受关注的问题

《混凝土结构耐久性设计规范》（ GB/T 50476-2008）中对结构耐久性的定义为：

在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，混凝土结构构件在设计使用年限内

保持其适用性和安全性的能力。

1.1.2 钢筋锈蚀危害及机理

1.1.2.1 钢筋锈蚀对混凝土结构的危害

钢筋混凝土结构的广泛应用使得钢筋锈蚀问题愈发突出。钢筋锈蚀严重损害

了混凝土结构的正常工作性能，主要体现在：第一，钢筋净截面积减少致使钢筋

的物理力学性能下降 [1]。第二，锈蚀产物造成导致钢筋与混凝土之间的粘结度下

降。第三，锈蚀产物膨胀对保护层混凝土产生逐渐变大的挤压力。外部保护层受

到更大拉应力更易于开裂甚至剥落。当保护层混凝土损伤，钢筋与混凝土的界面

粘结强度迅速下降甚至丧失，不仅影响结构的正常使用，甚至建筑结构彻底失效

给国民经济造成重大损失[2]。

结构损伤的事故很多源自于钢混结构耐久性不足，其中由于钢筋锈蚀导致建

筑工程结构失效的情形广泛存在，带来了巨大的经济损失。

美国公路研究战略计划显示，每年为更换和修复公路混凝土面板的费用在

4000 亿以上，其中大部分是由钢筋锈蚀引起的，加上码头、桥梁、机场等工程设

施的维修费用则更高。一些著名建筑物如华盛顿林肯纪念馆、杰弗逊纪念馆等都

出现过由钢筋锈蚀引起损伤的现象[3]。北欧等长海岸线国家，大量码头、桥梁等

受盐雾环境的侵蚀更是严重[4]。日本新干线使用未满十年就发生混凝土大面积剥

落现象，英国常年受海洋盐雾环境影响，码头、桥梁每年都需要进行维修加固

[5]。

在阿拉伯海湾地区，其特殊气候环境，一般气温在 20～50℃，空气湿度大，

水和混凝土骨料氯离子含量高，钢筋混凝土结构锈蚀很严重，平均使用寿命只有

10～15 年[6]。

在我国，锈蚀导致耐久性不足也带来了巨大的经济损失。研究表明，导致我

国钢混结构耐久性失效的主要原因之一即为钢筋锈蚀。据统计，2000 年全年由腐

蚀造成1800 亿元以上经济损失，钢筋锈蚀占其中 40%。北京西直门立交桥在使

用未满 20 年即出现钢筋严重锈蚀，最后致使拆除重建 [7]。1984 年调查浙江沿海

上海理工大学硕士学位论文

使用期十年之内的 22 座钢筋混凝土水闸，共 967 件构件，发现钢筋腐蚀导致混凝

土顺筋开裂、剥落和钢筋锈断的构件高达56%。始建于 1986 年的连云港煤码头未

满四年即出现钢筋锈胀裂缝的现象[8]。

综上所述，钢筋锈蚀引发的混凝土耐久性问题带来了严重的结构破坏和巨大

的经济损失。因此，混凝土钢筋锈蚀的研究极有必要。Mehta 教授也在“混凝土

耐久性 50 年的进展”主题报告中指出，“当今世界混凝土破坏的主要原因为钢筋

锈蚀、寒冷环境下的冻害和侵蚀条件下的物理化学作用”[9]。

1.1.2.2 SFRC 钢筋锈蚀机理概述

钢筋锈蚀一般由电化学锈蚀、化学锈蚀和应力锈蚀三种类型组成。电化学腐

蚀即金属和电解质组成腐蚀原电池，一般金属为阳极，氧气传递部位为阴极。电

化学腐蚀发生时，许多大小不一的鼓状小包出现在氧腐蚀的表面会形成许多直径

不等的小鼓包。化学腐蚀指金属与接触物质直接发生化学反应的过程。化学腐蚀

是氧化还原反应，一般在特殊条件下发生，如化工厂氯气与铁发生化学反应：

Cl2+Fe→FeCl2。应力腐蚀指在拉应力作用下，金属在腐蚀介质中受到的破坏 [10]。

伴随钢筋锈蚀全过程的主要是电化学锈蚀。电化学腐蚀必须具备以下三个基

本条件：

（1）由于在一般状态下，混凝土中钢筋表面存在钝化膜[11]，不能发生腐蚀，

因此钢筋发生腐蚀的首要条件是钢筋必须处于无钝化膜或钝化膜被破坏状态。

（2）钢筋表面存在电位差，钢筋不同部位间有阴极与阳极，电子流动从而发

生。

（3）阳极部位的钢筋表面可以自由释放电子。足够的水和氧存在于在阴极部

位附近的钢筋表面。水和氧气可以通过渗透到达钢筋表面。

混凝土在潮湿环境下内部碱金属氧化物与水分发生反应成为强碱性氢氧化物，

导致钢筋表面形成一层致密的碱性钝化膜，主要成分为水化氧化铁 [12]。钢筋表面

的钝化膜可以完全覆盖钢筋，并长期保持不变，使钢筋和外部的有害分子、离子

长期保持隔绝状态，使腐蚀难以发生。当在酸性环境如海洋环境下混凝土局部酸

化较严重，或者混凝土碳化、氯离子侵蚀较多时，钢筋表面的pH 值下降，趋于

酸性环境。钢筋表面的钝化膜开始破坏，同时，当混凝土中氯离子或其它酸性离

子达到一定含量时，混凝土的导电性大大加强[13]。钢筋中自由电子更易向氧分子

流动，而外界的氧分子也更易向钢筋表面扩散，随之发生钢筋锈蚀，反应式如下

[14]：

阳极反应： 2Fe-4e- →2Fe2+

阴极反应： O2+2H2O+4e- →4OH-

阴极反应和阳极反应同时进行，产生锈蚀产物。

2Fe+O2+2H2O →2Fe2++4OH- →2Fe（OH）2

4Fe（ OH）2+O2+2H2O →4Fe（OH）3

Fe（OH）3氧化完全变为红锈（nFe2O3.mH2O），一部分氧化不完全成为黑锈

Fe3O4，红锈与黑锈集中在钢筋表面形成锈蚀层。

1.1.2.3 钢筋锈蚀破坏作用机理

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摘要：

钢纤维混凝土钢筋锈蚀影响因子研究摘要钢筋混凝土结构耐久性问题愈来愈突出，解决混凝土结构耐久性问题意义重大在混凝土耐久性损伤的众多原因中，由钢筋锈蚀引起的结构过早失效破坏表现的最为突出。在一般大气环境中，混凝土结构的耐久性破坏主要源于混凝土的钢筋锈蚀程度，因此本文重点研究混凝土的钢筋锈蚀问题。钢纤维混凝土（SteelFiberReinforcedConcrete，简称SFRC）指在混凝土中掺加钢纤维的新型复合材料，其极大的提升了混凝土的物理性能，在多个指标上显著改良了传统的混凝土材料。本文通过对SFRC进行钢筋锈蚀试验，同时联系了目前该领域的最新研究成果探究了钢纤维对混凝土的增强机理，分析了钢纤...

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