基于钢筋锈蚀的混凝土结构耐久性评定

随服役环境条件、混凝土材料、保护层厚度不同，混凝土结构耐久性损伤及钢筋锈蚀具有较大的离散性。为方便业主宏观把握结构耐久性状况，更好地运维现有建筑，可根据结构(或构件) 在目标使用年限内是否达到耐久性要求，将其划分为 A(a) 、 B(b) 、C(c)三个耐久性等级。混凝土结构“两层次三等级”耐久性评定框架如图 2 所示。

式中： t ₀ 为结构建成至耐久性评定时的时间，a； t _e 为目标使用年限，a； t 为结构达到耐久性极限状态时的耐久年限，a，包括钢筋开始锈蚀耐久年限 t _i 、混凝土保护层锈胀开裂耐久年限 t _cr 和混凝土保护层锈胀裂缝宽度限值耐久年限 t _d 。

3.2.1   大气环境下混凝土碳化模型

3.2.2  钢筋开始锈蚀耐久年限

《评定标准》依据课题组工程调查和试验结果，建议 t _i 按下式确定 ^[16,19] :

式中： K _k 、 K _c 和 K _m 分别为碳化系数、混凝土保护层厚度和局部环境作用对 t _i 的影响系数，这些系数可在《评定标准》中查询。

式中： λ ₀ 为钢筋锈蚀速度，mm/a； K _cl 为钢筋位置影响系数(角部钢筋 K _cl =1.6，非角部钢筋 K _cl = 1.0) ; m 为局部环境影响系数； T 为年平均温度，℃ ； RH 为年平均相对湿度，%，当 RH > 80% 时，取 RH = 80%； c 为混凝土保护层厚度，mm； f _cu,e 为混凝土抗压强度推定值，MPa。

课题组依据实验室快速锈蚀试验和实际工程检测结果，给出混凝土保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀深度 δ _cr 的计算公式 ^[15] :

式中： δ _cr 定义为锈胀裂缝宽度 w _f = 0.1 mm 时的钢筋锈蚀深度； c 为混凝土保护层厚度，mm； d 为钢筋直径，mm。

在对大气环境混凝土保护层开裂前钢筋锈蚀速度和保护层胀裂临界锈蚀深度研究的基础上，得出大气环境下保护层锈胀开裂耐久年限 t _cr ：

式中： t _i 为钢筋开始锈蚀耐久年限，按式(5) 计算； t _c 为钢筋开始锈蚀至混凝土保护层锈胀开裂所需的时 间，a。 《评定标准》依据课题组工程调研结果，考虑各影响因素的概率分布，建议采用下式确定 t _c ：

式中： H _c 、 H _f 、 H _d 、 H _T 、 H _RH 和 H _m 分别为混凝土保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、环境温度、环境湿度以及局部环境等因素对混凝土保护层锈胀开裂耐久年限的影响系数，这些系数均可在《评定标准》中查询得到； t _r 为上述影响系数均为 1.0 时自钢筋开始锈蚀到混凝土保护层锈胀开裂的时间，a。

式中： λ ₁ 为开裂后钢筋年锈蚀深度，mm/a。

混凝土表面出现可接受最大外观损伤时，构件角部钢筋相应的锈蚀深度 δ _d 可根据下式求得 ^[12] 。

对非角部配筋的墙板类构件，当前尚缺乏成熟的裂缝宽度与锈蚀量关系的计算公式，因此近似取 δ _d = 0.3。

因此，结构建成至保护层锈胀裂缝宽度达到限值耐久年限 t _d 可按下式估算：

《评定标准》考虑工程应用的方便，建议 t _d  按下式确定，并给出了公式中的系数 ^[19] :

式中： t _cl 为钢筋开始锈蚀至混凝土保护层锈胀裂缝宽度达到限值所需时间，a； F _c 、 F _f 、 F _d 、 F _T 、 F _RH 和 F _m 分别为混凝土保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、环境温度、环境湿度以及局部环境等因素对混凝土保护层锈胀裂缝宽度限值耐久年限的影响系数，这些系数可从《评定标准》中查得； t _d0 为上述影响系数均为 1.0 时钢筋开始锈蚀至混凝土保护层锈胀裂缝宽度达到限值的时间，a。

2) 混凝土表面氯离子浓度 C _s 。混凝土表面氯离子浓度与其所处环境含盐量、构件位置以及混凝土配合比、孔结构、密实性等因素有关。调查表明，英国海岸浪溅区混凝土表面氯离子浓度通常在混凝土质量的 0.3%~0.8%；潮汐区暴露 3 年的试件，其表面氯离子浓度占混凝土质量的 0.4%(9.2 kg/m ³ )~0.7% (16.1 kg/m ³ )。在实验室用海水喷雾经 1 200~2 000 个循环，表面氯离子浓度可达到混凝土质量的 0.6%~1.0%。中国港口浪溅区使用 9~16 年的混凝土结构，其表面氯离子浓度为混凝土重量的 0.07%(1.61 kg/m ³ )~0.56% (13 kg/m ³ )，其中水灰比 w/c = 0.39 的混凝土构件平均表面氯离子浓度为0.16%(3.65 kg/m ³ )，水灰比 w/c = 0.55 的混凝土构件平均为 0.36% (8.2 kg/m ³ )。同在浪溅区，构件所处的位置、朝向、相对最高潮位不同，表面氯离子浓度也不同，因此，建议潮汐区、浪溅区混凝土表面氯离子浓度  C _s 采用调查值或实测数据推算值；当缺乏有效的实测数据时，可按表 3 取用。

近海大气区盐雾中的氯离子会沉降于混凝土表面，尤其是在无遮挡、海风直吹的部位，直至混凝土表面氯离子浓度达到稳定值，达到稳定值所需的时间与离海岸距离有关，通常大于水位变动区、浪溅区的混凝土构件。近海大气区混凝土表面氯离子浓度应结合实测数据，按下列公式确定:

式中： k _s 为混凝土表面氯离子聚集系数； t ₁ 为混凝土表面氯离子浓度达到稳定值所需的时间，a，按表 4 取用； t ₀ 为结构建成至检测时的时间，a， t ₀ > t ₁  时，取 t ₀ = t ₁ ； C _se 为实测的混凝土表面氯离子浓度，kg/m ³ 。

3) 氯离子扩散系数 D _cl 。氯离子扩散系数是氯盐腐蚀环境结构服役寿命预测的重要参数。氯离子扩散系数受混凝土含水量、孔隙率、孔结构以及环境温湿度等多种因素的影响。减小混凝土水胶比，增加混凝土密实度，可有效减小混凝土氯离子扩散系数。实际工程中，氯离子扩散系数应根据混凝土中氯离子分布测试结果，由下式推算：

式中： D ₀ 为氯离子有效扩散系数，m ² /a； x 为氯离子在混凝土中的扩散深度，mm； t ₀ 为结构建成至检测时的时间，a； C ( x , t ₀ ) 为检测时 x 深度处氯离子浓度，kg/m ³ ； C _s 为混凝土表面氯离子浓度，kg/m ³ 。

式中： α 为掺和料对混凝土氯离子扩散系数时间依赖性的影响系数，宜用每隔 2~3 年实测数据得到的 D 值推算；不能实测时，可按下式确定：

式中： F _b 为粉煤灰占胶凝材料的百分比，%； S _b 为矿渣占胶凝材料的百分比，%。

无实测数据时，对普通硅酸盐混凝土， D ₀ 可采用龄期为 5 a 的混凝土氯离子扩散系数估算：

式中： D ₀ 为龄期 5 a 混凝土氯离子扩散系数，m ² /a； w/c 为混凝土水灰比；T 为环境年平均温度，℃。当考虑冻融循环作用对混凝土氯离子传输的影响时，上述公式得到的 D ₀ 可乘以放大系数，放大系数可按表 5 取用。

3.3.2  氯盐环境混凝土中钢筋开始锈蚀耐久年限

式中： C _s1 为钢筋表面氯离子浓度，kg/m ³ ； t 为钢筋锈蚀时间，迭代计算时可设 t 等于 t _c,0 ， t _c,0 为未考虑锈蚀产物渗透迁移及锈坑位置修正的钢筋开始锈蚀至混凝土保护层锈胀开裂的时间，a。

 2) 渗入型氯盐环境保护层开裂前钢筋腐蚀速度。通过氯盐环境混凝土中钢筋锈蚀速度的研究，考虑局部环境的影响，渗入型氯盐环境钢筋腐蚀电流计算模型为：

式中： m _cl 为局部环境系数，室外干湿交替环境及浪溅区取 4.5~5.5，南方湿热地区取 4.0~4.5，非干湿交替环境取 2.0~2.5； T 为钢筋表面温度，℃ ，可采用环境温度； ρ 为混凝土电阻率，kΩ·cm，宜按实测值取用，也可按式( 22c) 计算； k _ρ 为系数，混凝土水灰比 0.3~0.4 或强度等级 C40~C50 时， k _ρ 取 11.1，混凝土水灰比 0.5~0.6 或强度等级 C20~C30 时， k _ρ 取 5.6； C ^μ _cl 为混凝土保护层氯离子浓度平均值，kg/m ³ ，当  C ^μ _cl  大于 3.6 时，取 3.6； RH 为环境相对湿度； C _s 为混凝土表面氯离子浓度，kg/m ³ ； C ₀ 为混凝土制备时掺入的氯离子浓度，kg/m ³ 。 

3) 氯盐腐蚀环境下混凝土保护层锈胀开裂时间。法拉第定理，保护层开裂前钢筋年平均锈蚀速率 λ _cl 可表示为：

对于氯盐环境钢筋混凝土构件，钢筋锈蚀形态以坑蚀为主，锈蚀产物向锈坑两侧无锈蚀区域的钢筋-混凝土界面过渡区迁移及向混凝土孔隙及微裂缝中渗透会降低锈胀力，推迟裂缝的产生。因此引入系数 β ₁ 、 β ₂ 对氯盐环境混凝土保护层开裂时间予以修正：

式中： t _cr 为混凝土保护层锈胀开裂耐久年限，a； t _i 为钢筋开始锈蚀耐久年限，a； t _c 为钢筋开始锈蚀至混凝土保护层锈胀开裂所需的时间，a； t _c,0 为未考虑锈蚀产物渗透迁移及锈坑位置修正的钢筋开始锈蚀至混凝土保护层锈胀开裂的时间，a； δ _cr 为保护层开裂时的钢筋临界锈蚀深度，mm，按式(8) 确定； i 为钢筋腐蚀电流密度，μA/cm ² ； β ₁ 为考虑锈蚀产物向锈坑周围迁移及向混凝土孔隙扩散对混凝土保护层锈胀开裂时间的修正系数； β ₂ 为考虑多个锈坑及分布对混凝土保护层开裂时间的修正系数，这些系数在《评定标准》中都给出了建议取值。

式中： ξ _d,min 为受检构件耐久性裕度系数的最小值； 为受检构件耐久性裕度系数的算术平均值； ξ _d,u 为子单元的耐久性裕度系数； κ 为折减系数，由正态随机变量均值的小样本推断方法确定，取样本函数

钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性劣化的主要原因，科学评定既有钢筋混凝土结构耐久性，有助于准确把握结构耐久性，挖掘结构潜力，延长其使用寿命，符合国民经济可持续发展和国家“碳达峰、碳中和”的重大战略决策。

研究从结构全寿命周期的角度，充分考虑了混凝土结构服役环境的复杂性，分析了钢筋锈蚀引起的混凝土结构劣化过程；结合现行国家标准和国内外研究成果，界定了混凝土结构耐久性失效标准，明确了以钢筋锈蚀过程关键时间节点为基础的耐久性极限状态；在混凝土结构耐久性评估理论与方法及工程实践经验的基础上，提出了构件、单元两层次，A(a) 、B(b) 、C(c) 三个等级；以及采用混凝土结构剩余耐久年限计算耐久性裕度系数并进行评定的原 则与方法。

通过将前沿较成熟的科研成果与工程实践有机结合，对科学评估一般环境、氯盐环境中既有混凝土结构的耐久性能，准确预测既有混凝土结构的剩余使用寿命，制定合理的耐久性维护、加固对策具有重要的指导意义，也可为新建混凝土结构耐久性设计提供依据。然而，论文提及的耐久性评定方法是建立在现 有成熟的理论之上，计算模型多为半理论半经验模型，现有研究成果难以精确描述钢筋混凝土结构在实际复杂环境中的劣化过程，混凝土耐久性研究还任重道远，混凝土结构耐久性评定理论还需不断完善。