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[摘 要]钢筋混凝土是当前建筑工程的重要结构形式，对于建筑工程质量和安全有着重要影响。钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂是一种常见的问题，给钢筋混凝土结构的性能造成不良影响，是当前建筑行业关注的焦点内容，本文就对此进行阐述。
[关键词]钢筋锈蚀；混凝土结构锈裂；阐述
中图分类号：TF762.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0135-01
在建筑工程钢筋混凝土结构中，受环境因素影响，会有许多有害物质侵入到混凝土结构中，与钢筋发生反应，破坏其表面的钝化膜，进而引起锈蚀问题，而钢筋锈蚀产生的物质会发生体积的彭航，给混凝土和钢筋界面以压力，这个压力会随着钢筋锈蚀严重程度不断加大，最终造成混凝土结构锈裂，降低混凝土结构的耐久性，给建筑工程安全带来隐患。
一、钢筋锈蚀问题的形成机理及影响因素
（一）钢筋锈蚀问题形成机理
钢筋锈蚀首先要有基本的化学反应条件，即能够有阳极和阴极反应，分别为：2Fe→2Fe2++4e-和O2+2H2O+4e-→4OH-；其次，还需要有电子和有害离子传输的通道，即混凝土与钢筋连接的毛细孔会有外部离子进入，在满足这两个条件的前提下，钢筋锈蚀问题才会发生。
在实际当中，混凝土中钢筋锈蚀发生的原因主要有碳化、氯离子以及杂散电流三方面。其中，碳化会降低混凝土孔溶液的PH值，从而给钢筋钝化膜造成一种易溶解的环境，削减了对钢筋的保护作用，从而引起钝化膜破坏后锈蚀，多表现为均匀锈蚀。氯离子引起的钢筋锈蚀主要发生于海洋混凝土当中，海水中的氯离子通过扩散、渗透等作用进入到混凝土中，与钢筋钝化膜发生一系列复杂反应，破坏钝化膜引起锈蚀，多表现为点蚀，且比碳化引起的锈蚀时间更短、锈蚀严重。杂散电流诱导钢筋锈蚀有着特定的条件，多发生于轻轨和地铁等混凝土建筑中，其锈蚀机理是杂散电流给钢筋的锈蚀反应提供了良好条件，尤其在含有氯离子混凝土中杂散电流的促进作用更加明显[1]。
（二）钢筋锈蚀问题影响因素
1.湿度因素
混凝土相对湿度会影响气体和离子的传输效率，当相对湿度达到80%-90%时，离子和气体扩散组合效率达到最佳状态，导致钢筋的阳极和阴极反应呈现出动态平衡，此时钢筋锈蚀速度极快；当相对湿度低于某一值时，则钢筋锈蚀反应则会停止。
2.温度因素
温度因素对钢筋锈蚀的影响主要是通过温度变化影响钢筋阳极、阴极化学反应速率来体现的，在钢筋锈蚀的化学反应当中，温度上升会加剧钢筋腐蚀和侵蚀物质扩散速率。但是，温度因素对于钢筋锈蚀的影响又不是单独存在的，也会受相对湿度因素干扰，当相对湿度低时，即干燥或半干燥环境中，温度升高反而会降低钢筋锈蚀的速率，只有相对湿度达到相应值后，温度变化才会发挥正向效应。
3.氧气因素
氧气是钢筋锈蚀阴极反应的重要物质，所以，在一定程度上，氧气含量也会给钢筋锈蚀速率造成影响，通常而言，氧气含量浓度高低与钢筋锈蚀的速率是呈现出正相关的关系的。另外，在一定条件下，氧气还能够使钢筋锈蚀物之间发生转换，影响了锈蚀物的整体体积，给混凝土结构锈裂速率造成干扰。
二、钢筋锈蚀问题引起混凝土结构锈裂的理论
（一）锈裂三阶段理论内容
锈裂三阶段理论是被普遍认同的一种观点，即将钢筋锈蚀到混凝土结构锈裂的整个过程分为三个阶段，具体内容为：
首先，铁锈膨胀阶段。在这个阶段中，钢筋的钝化膜受各种外在因素影响被破坏，出现锈蚀问题，产生大量的铁锈，进入到钢筋周边混凝土的空隙和毛细孔中，在这个过程中，混凝土空隙没有被铁锈填满之前，并不会受到钢筋的锈胀力影响。
其次，拉力应阶段。当混凝土与钢筋交界面的空隙、毛细孔被钢筋产生的铁锈填满之后，钢筋进一步产生的铁锈会产生锈胀力，作用于钢筋外围的混凝土上，从而给混凝土形成内部拉应力，且这种力会随着钢筋锈蚀量的增加而不断增大。
第三，结构锈裂阶段。当钢筋锈蚀给混凝土造成的拉应力达到一定值时，首先会使钢筋与混凝土交界面处发生裂缝问题，然后钢筋锈蚀物继续填充新出现的裂缝，并不断产生锈胀力，再造成新的裂缝，在这种循环下，裂缝会逐渐向混凝土表面延展，最终造成混凝土结构的锈裂。
（二）钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂的有限元分析
有限元分析是混凝土锈裂的重要分析方法，是一种结合变分和差分优点的分析方法，对于分析混凝土结构锈裂过程中的非线性受力有着重要作用。在混凝土结构锈裂过程中，其主要作用的是钢筋锈蚀率与钢筋锈胀力，本文就以有限元分析的方法，对钢筋均匀锈蚀引起的混凝土结构锈裂进行模拟。
在钢筋均匀锈蚀有限元分析模型中，是以钢筋锈蚀产生的膨胀力在不同方向上是相同的，给予混凝土造成的拉应力是相等的为假设条件，以此来模拟钢筋均匀锈蚀引起混凝土结构锈裂的过程。
1.单根钢筋锈蚀分析
选取钢筋直径为20mm、混凝土强度强度1.54MPa、保护层厚度25mm为模型标准，按照锈裂三阶段理论和有限元分析方法可得到如下结果：
钢筋周边混凝土裂缝发生于均匀锈胀力1.3MPa时，混凝土保护层有一半出现裂缝时，均匀锈胀力为1.7MPa，而当均匀锈胀力有1.8MPa，混凝土结构裂缝已经出现在表面，整个混凝土结构已经被完全胀裂。
在此模型中，影响混凝土结构锈裂的因素主要有：（1）混凝土强度：混凝土强度会影响混凝土的抗拉强度，改变其与锈胀力之间的相互关系，当混凝土强度增大时，要想达到相同的混凝土结构锈裂状态，就需要更大的锈胀力。（2）相对保护层厚度：相对保护层取决于钢筋直径大小和保护层厚度，其与混凝土锈胀力之间也呈正相关关系，相对保护层厚度越大，钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂的锈胀力也会随之增大[2]。
2.相邻钢筋影响分析
选取钢筋直径18mm、间距30mm、保护层厚25mm以及C20强度的混凝土结构为模型标准，在混凝土结构锈裂过程中，当锈胀力达到1.2MPa时，其左侧孔的孔边主拉应力如图1所示，从中可以看出，在60°至-60°和150°图1：左侧孔孔边主拉应力图
到-210°区域期间，混凝土受到的主拉应力比其他区域有了明显增大，这充分表明了相邻钢筋间锈胀力存在着叠加效应。
在考虑相邻钢筋影响时，混凝土结构锈裂所需要的锈胀力会发生显著降低，而相邻钢筋的影响主要会受到钢筋间距和直径比值的影响，两者之间成正比。
3.箍筋的影响分析
在上述相邻钢筋模型中，尚未考虑箍筋影响因素，若是在其中加入8mm箍筋，也会给混凝土锈裂过程产生一定影响。
箍筋约束力的存在能够有效降低混凝土的应力，对于混凝土锈裂过程的影响主要体现在延缓混凝土开裂时间和抑制角部钢筋周边混凝土裂缝扩展情况两方面，对于混凝土结构锈裂所需的钢筋锈胀力大小和中间钢筋周边混凝土结构锈裂无显著影响。
三、结语
综上所述，钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂是一个长期的复杂过程，在这个过程中，发挥主要作用的是钢筋锈胀力，其会受钢筋锈蚀速率、混凝土强度和保护层厚度、相邻钢筋间距等影响，所以，为混凝土结构降低锈裂问题发生，需要对这些因素进行合理控制。
参考文献
[1] 赵羽习.钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂综述[J].东南大学学报（自然科学版），2013，05：1122-1134.
[2] 施锦杰，孙伟.混凝土中钢筋锈蚀研究现状与热点问题分析[J].硅酸盐学报，2010，09：1753-1764.
[关键词]钢筋锈蚀；混凝土结构锈裂；阐述
中图分类号：TF762.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0135-01
在建筑工程钢筋混凝土结构中，受环境因素影响，会有许多有害物质侵入到混凝土结构中，与钢筋发生反应，破坏其表面的钝化膜，进而引起锈蚀问题，而钢筋锈蚀产生的物质会发生体积的彭航，给混凝土和钢筋界面以压力，这个压力会随着钢筋锈蚀严重程度不断加大，最终造成混凝土结构锈裂，降低混凝土结构的耐久性，给建筑工程安全带来隐患。
一、钢筋锈蚀问题的形成机理及影响因素
（一）钢筋锈蚀问题形成机理
钢筋锈蚀首先要有基本的化学反应条件，即能够有阳极和阴极反应，分别为：2Fe→2Fe2++4e-和O2+2H2O+4e-→4OH-；其次，还需要有电子和有害离子传输的通道，即混凝土与钢筋连接的毛细孔会有外部离子进入，在满足这两个条件的前提下，钢筋锈蚀问题才会发生。
在实际当中，混凝土中钢筋锈蚀发生的原因主要有碳化、氯离子以及杂散电流三方面。其中，碳化会降低混凝土孔溶液的PH值，从而给钢筋钝化膜造成一种易溶解的环境，削减了对钢筋的保护作用，从而引起钝化膜破坏后锈蚀，多表现为均匀锈蚀。氯离子引起的钢筋锈蚀主要发生于海洋混凝土当中，海水中的氯离子通过扩散、渗透等作用进入到混凝土中，与钢筋钝化膜发生一系列复杂反应，破坏钝化膜引起锈蚀，多表现为点蚀，且比碳化引起的锈蚀时间更短、锈蚀严重。杂散电流诱导钢筋锈蚀有着特定的条件，多发生于轻轨和地铁等混凝土建筑中，其锈蚀机理是杂散电流给钢筋的锈蚀反应提供了良好条件，尤其在含有氯离子混凝土中杂散电流的促进作用更加明显[1]。
（二）钢筋锈蚀问题影响因素
1.湿度因素
混凝土相对湿度会影响气体和离子的传输效率，当相对湿度达到80%-90%时，离子和气体扩散组合效率达到最佳状态，导致钢筋的阳极和阴极反应呈现出动态平衡，此时钢筋锈蚀速度极快；当相对湿度低于某一值时，则钢筋锈蚀反应则会停止。
2.温度因素
温度因素对钢筋锈蚀的影响主要是通过温度变化影响钢筋阳极、阴极化学反应速率来体现的，在钢筋锈蚀的化学反应当中，温度上升会加剧钢筋腐蚀和侵蚀物质扩散速率。但是，温度因素对于钢筋锈蚀的影响又不是单独存在的，也会受相对湿度因素干扰，当相对湿度低时，即干燥或半干燥环境中，温度升高反而会降低钢筋锈蚀的速率，只有相对湿度达到相应值后，温度变化才会发挥正向效应。
3.氧气因素
氧气是钢筋锈蚀阴极反应的重要物质，所以，在一定程度上，氧气含量也会给钢筋锈蚀速率造成影响，通常而言，氧气含量浓度高低与钢筋锈蚀的速率是呈现出正相关的关系的。另外，在一定条件下，氧气还能够使钢筋锈蚀物之间发生转换，影响了锈蚀物的整体体积，给混凝土结构锈裂速率造成干扰。
二、钢筋锈蚀问题引起混凝土结构锈裂的理论
（一）锈裂三阶段理论内容
锈裂三阶段理论是被普遍认同的一种观点，即将钢筋锈蚀到混凝土结构锈裂的整个过程分为三个阶段，具体内容为：
首先，铁锈膨胀阶段。在这个阶段中，钢筋的钝化膜受各种外在因素影响被破坏，出现锈蚀问题，产生大量的铁锈，进入到钢筋周边混凝土的空隙和毛细孔中，在这个过程中，混凝土空隙没有被铁锈填满之前，并不会受到钢筋的锈胀力影响。
其次，拉力应阶段。当混凝土与钢筋交界面的空隙、毛细孔被钢筋产生的铁锈填满之后，钢筋进一步产生的铁锈会产生锈胀力，作用于钢筋外围的混凝土上，从而给混凝土形成内部拉应力，且这种力会随着钢筋锈蚀量的增加而不断增大。
第三，结构锈裂阶段。当钢筋锈蚀给混凝土造成的拉应力达到一定值时，首先会使钢筋与混凝土交界面处发生裂缝问题，然后钢筋锈蚀物继续填充新出现的裂缝，并不断产生锈胀力，再造成新的裂缝，在这种循环下，裂缝会逐渐向混凝土表面延展，最终造成混凝土结构的锈裂。
（二）钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂的有限元分析
有限元分析是混凝土锈裂的重要分析方法，是一种结合变分和差分优点的分析方法，对于分析混凝土结构锈裂过程中的非线性受力有着重要作用。在混凝土结构锈裂过程中，其主要作用的是钢筋锈蚀率与钢筋锈胀力，本文就以有限元分析的方法，对钢筋均匀锈蚀引起的混凝土结构锈裂进行模拟。
在钢筋均匀锈蚀有限元分析模型中，是以钢筋锈蚀产生的膨胀力在不同方向上是相同的，给予混凝土造成的拉应力是相等的为假设条件，以此来模拟钢筋均匀锈蚀引起混凝土结构锈裂的过程。
1.单根钢筋锈蚀分析
选取钢筋直径为20mm、混凝土强度强度1.54MPa、保护层厚度25mm为模型标准，按照锈裂三阶段理论和有限元分析方法可得到如下结果：
钢筋周边混凝土裂缝发生于均匀锈胀力1.3MPa时，混凝土保护层有一半出现裂缝时，均匀锈胀力为1.7MPa，而当均匀锈胀力有1.8MPa，混凝土结构裂缝已经出现在表面，整个混凝土结构已经被完全胀裂。
在此模型中，影响混凝土结构锈裂的因素主要有：（1）混凝土强度：混凝土强度会影响混凝土的抗拉强度，改变其与锈胀力之间的相互关系，当混凝土强度增大时，要想达到相同的混凝土结构锈裂状态，就需要更大的锈胀力。（2）相对保护层厚度：相对保护层取决于钢筋直径大小和保护层厚度，其与混凝土锈胀力之间也呈正相关关系，相对保护层厚度越大，钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂的锈胀力也会随之增大[2]。
2.相邻钢筋影响分析
选取钢筋直径18mm、间距30mm、保护层厚25mm以及C20强度的混凝土结构为模型标准，在混凝土结构锈裂过程中，当锈胀力达到1.2MPa时，其左侧孔的孔边主拉应力如图1所示，从中可以看出，在60°至-60°和150°图1：左侧孔孔边主拉应力图
到-210°区域期间，混凝土受到的主拉应力比其他区域有了明显增大，这充分表明了相邻钢筋间锈胀力存在着叠加效应。
在考虑相邻钢筋影响时，混凝土结构锈裂所需要的锈胀力会发生显著降低，而相邻钢筋的影响主要会受到钢筋间距和直径比值的影响，两者之间成正比。
3.箍筋的影响分析
在上述相邻钢筋模型中，尚未考虑箍筋影响因素，若是在其中加入8mm箍筋，也会给混凝土锈裂过程产生一定影响。
箍筋约束力的存在能够有效降低混凝土的应力，对于混凝土锈裂过程的影响主要体现在延缓混凝土开裂时间和抑制角部钢筋周边混凝土裂缝扩展情况两方面，对于混凝土结构锈裂所需的钢筋锈胀力大小和中间钢筋周边混凝土结构锈裂无显著影响。
三、结语
综上所述，钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂是一个长期的复杂过程，在这个过程中，发挥主要作用的是钢筋锈胀力，其会受钢筋锈蚀速率、混凝土强度和保护层厚度、相邻钢筋间距等影响，所以，为混凝土结构降低锈裂问题发生，需要对这些因素进行合理控制。
参考文献
[1] 赵羽习.钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂综述[J].东南大学学报（自然科学版），2013，05：1122-1134.
[2] 施锦杰，孙伟.混凝土中钢筋锈蚀研究现状与热点问题分析[J].硅酸盐学报，2010，09：1753-1764.