预应力钢绞线锈蚀模型的研究
摘要：预应力钢绞线的锈蚀是预应力混凝土结构耐久性的主要问题之一，是影响预应力混凝土结构性能的主要因素。对预应力混凝土连续刚构桥进行耐久性分析，可以对已建成运营的桥梁进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法。本文主要研究内容有：1．认为氯离子侵蚀是引起预应力钢绞线锈蚀的主要原因，钢绞线的初锈时间与氯离子扩散系数、混凝土表面氯离子浓度、临界氯离子浓度以及混凝土保护层厚度有关。2．总结了现有计算钢绞线锈蚀速率的方法，根据不同程度的氯盐环境，得到锈蚀程度分别为高、中、低情况下的氯离子锈蚀速率，进而得到PC连续刚构桥钢绞线在不同锈蚀程度下随时间变化的锈蚀量。
关键词： 预应力混凝土桥；耐久性；初锈时间；锈蚀速率
Abstract: prestressed steel corrosion prestressed concrete structure endurance is one of the major problems, is the effect of prestressed concrete structure properties of the major factor. For prestressed concrete continuous rigid frame for durability analysis, can already built the bridge of operation of the durability of the scientific evaluation and remaining life prediction, to select the correct processing method. This paper mainly studies the contents: 1. Think chloride ions erosion is the cause of the main causes of the prestressed steel corrosion, steel strand of rust and chloride ion early time diffusion coefficient, concrete surface chloride ion concentration, chloride ion concentration and critical concrete cover depth about. 2. Summarizes the existing calculation method of steel corrosion rate, according to the different levels of chlorine salt environment, get degree of rust were high, medium and low of chlorine ion corrosion rate, and then get PC continuous rigid steel strand in different corrosion condition changes with time of corrosion quantity.
Keywords: prestressed concrete bridge; Durability; Rust early time; Corrosion rate
中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号：
1.混凝土中预应力钢绞线锈蚀机理
混凝土在一种或多种外界因素作用下，材料的耐久性会发生退化，从而逐渐失去对内部钢筋的保护作用。当钢筋外面的混凝土碱性降低或出现开裂等情况时，钢筋就缺少了碱性混凝土的保护，附于钢筋表面的钝化膜逐渐破坏并促使钢筋发生锈蚀。钢筋锈蚀后，不仅截面积损失，材料的各项性能指标（如弹模和本构关系）也会发生变化，进而在很大程度上降低结构的承载能力和使用性能。综观影响混凝土结构耐久性降低的因素，钢筋锈蚀是最直接和最主要的因素。国内外学者普遍认为，混凝土中钢筋的锈蚀是一种电化学过程。
在混凝土内部，由于含有易溶性的KOH和NaOH以及大量的微溶Ca(OH)2，孔隙液中形成了pH≥13的碱性环境。在这种环境下，钢筋表面形成钝化膜，从而阻止钢筋锈蚀。但是，由于其他因素的影响（如碳化或氯离子的侵入），钢筋表面的钝化膜遭到破坏，使钢筋发生锈蚀，其化学反应为：
阳极表面发生的二次化学过程：
以上化学方程式表明，在阳极铁附近产生的多余电子通过钢筋的传输到达阴极，在阴极水分和氧气充足的环境中生成氢氧根离子，而这些氢氧根离子又经过混凝土的孔隙返回阳极铁，从而形成一个闭合的锈蚀电流回路，电化学过程由此发生并继续。构件类型和环境中锈蚀介质种类的不同，将使钢筋去钝方式和电极面积有较大差别，但其基本锈蚀机理是相同的。
锈蚀速率rcorr的计算
在混凝土开裂前，腐蚀电池中阴极部分对控制钢筋锈蚀速度起着至关重要的作用。阴极反应必要的反应物是氧气，氧气通过混凝土达到钢筋表面的速率控制着钢筋锈蚀的过程。当氧气不太充足时，锈蚀速度则由氧气的供应情况确定。
混凝土的水灰比、保护层厚度、环境温度与湿度等因素在很大程度上对氧气的扩散产生影响。大量实测数据表明，水灰比（W/H）、保护层厚度等对锈蚀速度影响至关重要。在环境相对湿度为75%、温度为20°C的典型环境下，水灰比、保护层厚度对钢筋锈蚀的影响规律见下式。
（2-1）
其中，icorr(1)示腐蚀开始阶段的锈蚀速度，保护层厚度c的单位为cm。
初锈锈蚀速度与水灰比和保护层厚度的关系见图 2 1所示。
图 2 1 初始锈蚀速度与水灰比和保护层厚度的关系
从上图可以看出，水灰比越大，锈蚀速度越快；水灰比一定时，保护层厚度越大，锈蚀速度越慢。
目前，大部分研究结果都假定钢筋锈蚀速度在整个腐蚀过程中都是不变的。然而，实际上钢筋表面锈蚀产物的形成将减弱铁离子的转移，而且阴极与阳极的面积比也会相应减小。总的来说，钢筋的锈蚀速度会随时间的增加而降低。在锈蚀刚开始发生的一段时间，锈蚀速度非常快，然后逐渐稳定下来，接近一个常量。
Liu和Weyers建立了锈蚀发生后锈蚀速度与时间的关系，得到经验公式如下：
（2-2）
其中，tp是从发生锈蚀算起的时间，icorr(1)由式（2-1）得到。
锈蚀速度：
（2-3）
一般情况下，桥梁用混凝土水灰比在0.4左右，而保护层厚度则变化比较波动，本文假定保护层厚度在20mm~70mm范围内变化。得到锈蚀速度关于水灰比、保护层厚度和开始锈蚀起算时间的关系如图 2 2所示。
图 2 2 锈蚀速度与水灰比、保护层厚度和锈蚀时间的关系
从图中可以看出，锈蚀速度在开始锈蚀的前20年内变化比较明显，随着锈蚀时间的增加，锈蚀速度趋于一个稳定的数值。具体数值见表 2 1。
表 2 1 锈蚀速度与水灰比、保护层厚度和锈蚀时间的关系(cm/a)
表 2 2 不同锈蚀程度下锈蚀速度计算用参数
锈蚀量的计算
对于均匀锈蚀，使用t年后混凝土构件中钢绞线的直径D(t)可以按照下式计算：
（3-1）
其中，D0为初始直径（mm），t0为初始锈蚀时间（年）。在均匀锈蚀作用下，根据钢筋直径与截面面积的关系，在钢筋直径退化模型的基础上推导出钢筋截面面积的退化模型如下：
（3-2）
钢绞线发生锈蚀后截面损失率为：
（3-3）
钢绞线锈蚀后截面损失率与锈蚀时间的关系如图 3 1所示。锈蚀程度越高，截面损失率越大。
图 3 1 钢绞线锈蚀后截面损失率与锈蚀时间的关系
4. 结论与展望
（1）本章通过对钢绞线锈蚀速率研究现状的调查，认为锈蚀速率是和时间有关的，并用水灰比和保护层厚度通过一定组合来反映不同锈蚀程度下钢绞线的锈蚀速率。
（2）通过钢绞线截面的损失来反映锈蚀量。
（3）钢绞线的锈蚀原因很复杂，除了氯离子侵蚀，还有碳化影响以及其他因素。
（4）计算钢绞线初锈时间时，假设与其相关的四个随机变量均服从对数正态分布，而各随机变量的均值和标准差的取值具有一定的主观性。对于实际的桥梁，在进行耐久性分析时应根据实测情况进行采样取值。
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。