钢筋与混凝土的时变性能研究进展.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology1924第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.2023钢筋与混凝土的时变性能研究进展宋伟英1，康耕新2，王伟娜1（1.山东建筑大学土木工程学院，250101，济南；2.陆军工程大学国防工程学院，210007，南京）摘要：作为混凝土结构中的受力材料，钢筋和混凝土的力学性能变化将直接影响结构构件的安全性。主要从钢筋混凝土结构的材料层次、环境层次和构件层次出发，对混凝土强度时变性、钢筋性能时变性及锈蚀钢筋与混凝土粘结性能变化的现有研究成果进行综述。首先，阐述了混凝土时变性能研究的分析方法，包括考虑单一影响因素的混凝土碳化、氯盐侵蚀、冻融循环作用以及考虑多因素耦合作用条件下混凝土性能的经时变化；其次，基于国内外大量研究成果，归纳总结了在一般大气环境下，由钢筋锈蚀引起的混凝土锈胀裂缝在开裂前和开裂后的钢筋性能变化；最后，综合分析现阶段研究，为今后既有结构混凝土和钢筋的性能变化研究方向提供参考。关键词：混凝土强度；锈蚀钢筋；混凝土开裂；粘结性能；时变性能中图分类号：TU 375 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)16-1924-08RESEARCH PROGRESS ON TIME-VARYING PERFORMANCE OF REINFORCED CONCRETESONG Wei-ying1,KANG Geng-xin2,WANG Wei-na1(1.School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,250101,Jinan,China;2.National Defense Engineering College,Army Engineering University of PLA,210007,Nanjing,China)Abstract:As the stress material in concrete structure,the change of mechanical properties of steel bar and concrete will directly affect the safety of structural members.Based on the material level,environmental level and member level of reinforced concrete structure,the existing research results on the time-varying strength of concrete,the time-varying performance of steel bar,and the change of bond properties between corroded steel bar and concrete were summarized.Firstly,the analysis method of time-varying performance of concrete was described,including concrete carbonation,chloride erosion,freeze-thaw cycle,and time-dependent change of concrete performance considering multi-factor coupling.Secondly,based on a large number of research results at home and abroad,the property changes of concrete steel bars before and after cracking caused by steel corrosion in general atmospheric environment were summarized.Lastly,the comprehensive analysis of the present research provided a reference for the future research direction of the performance change of the existing structural concrete and steel bar.Keywords:concrete strength;corroded steel bar;concrete cracking;bond property;time-varying performance混凝土结构由于其耐久性和强度的优势在建筑领域被广泛应用。在我国，存在大量既有混凝土建筑结构性能衰退、安全性低于相关设计规范要求或所处环境作用要求的情况1，同时一些旧有混凝土结构的功能并不能满足现有规范的新要求2。混凝土结构中钢筋和混凝土的力学性能变化决定着混凝土结构构件的承载能力变化。综上所述，如何有效预测既有结构中钢筋和混凝土的力学性能变化，是混凝土结构可靠性及安全性评估的关键。对既有钢筋混凝土结构进行有效的安全性评估及剩余寿命预测，可以及时规避重大风险，继而对当前状况做出加固或拆除的决策。因此，对钢筋混凝土结构受力材料时变性能的研究具有重大理论和实际意义。本文基于国内外大量研究，主要对混凝土结构的钢筋与混凝土的材料性能变化、所处环境以及构件 3个层次展开论述，综合分析了现阶段研究的进展及未来趋势。其中，材料层次研究主要包括混凝土强度的时变性能研究和钢筋锈蚀的力学性能时变性研究；构件层次研究主要包括混凝土锈胀开裂状态研究、锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能研究；同时，在材料层次和构件层次的基础上进一步考虑了不同环境条件的影响，以期为不同环境条件下既有混凝土结构的可靠收稿日期：20230410作者简介：宋伟英（1996），女，山东日照人，硕士，e-mail:.2023 年 8 月1925宋伟英，等：钢筋与混凝土的时变性能研究进展性及安全性评估提供借鉴。1 混凝土时变性能分析方法1.1 考虑单一因素影响既有建筑所处自然环境中的碳化作用、氯离子侵蚀作用及冻融循环作用是导致混凝土材料劣化的关键因素3，而钢筋混凝土结构中混凝土材料的劣化将进一步影响结构构件的耐久性及安全性。1.1.1 混凝土碳化在一般大气环境下，混凝土的碳化作用对混凝土强度的影响占主导地位。大气中的 CO2与混凝土中的碱性可碳化物质发生反应后，混凝土中水泥基材料pH 值降低使钢筋钝化膜破坏，导致既有混凝土构件中钢筋的锈蚀加速，从而对结构构件的抗力以及耐久性产生影响。国内外学者们对混凝土碳化模型的预测研究主要分为 4 类。第一类为基于扩散理论建立的理论模型。余波等4利用 Fick 第一定律和可碳化物质的质量守恒定律，建立了再生粗骨料混凝土碳化分析的多场耦合模型。PAPADAKIS 等5基于二氧化碳的扩散定律和质量守恒定律及混凝土碳化的物理化学反应工程原理，提出了混凝土碳化深度的预测模型。刘志勇等6在PAPADAKIS 等的基础上进一步考虑了不同矿物掺合物的影响，提升了碳化模型的精度和适用范围。但理论模型中存在的许多参数难以确定，不便于实际工程应用，因此第二类基于碳化试验建立的经验模型预测研究被提出。由于大气中 CO2的浓度相对较低，水泥基材料在所处环境中的碳化反应异常缓慢，通常采用加速碳化方案在试验中来探究混凝土的碳化作用7，但因为 CO2浓度或压力的影响，自然碳化和加速碳化对混凝土产生影响的相关性的研究仍是一个挑战79。基于此，SANJUAN 等10通过自然碳化和加速试验碳化的结果建立了两者之间的联系，推断出含 4%5%CO2的 715 d 碳化大致相当于在干燥条件下（相对湿度 50%60%）自然暴露 1 年。CASTELLOTE 等11在暴露试验和不同浓度 CO2加速试验的结果对比上提出，3%CO2浓度下的碳化引起的微观变化与 0.03%CO2浓度（自然环境中的 CO2浓度）下的相似，即 3%CO2浓度可以用于复制自然环境下的碳化，这些研究结果均为加速碳化试验研究的可行性和合理性提供了相关借鉴，但经验分析缺乏严密的理论机制。由于各个学者考虑的影响因素并不一致，从而得到的计算模型也各有差异，因此第三类模型为半理论半经验模型。余波等12结合理论性和实际可操作性的优点，根据试验结果引入环境修正系数对理论模型进行修正，并综合考虑多场耦合数值模型能全面反映环境因素影响的优势，建立了基于扩散理论和试验结果的碳化模型，对定量分析混凝土结构的碳化寿命提供了相关借鉴。第四类为考虑碳化过程随机性的预测模型。目前大部分碳化深度模型均为平均碳化深度的预测模型，由于混凝土的所处环境条件及混凝土自身质量条件均具有随机性，混凝土碳化过程应为非平稳随机过程，且考虑到混凝土强度与碳化深度的对应关系尚不明确，牛荻涛等13利用工程实测数据并考虑混凝土碳化过程的随机性，以环境条件和混凝土质量为主要影响因素，建立了混凝土抗压强度与混凝土碳化深度的关系预测模型。徐善华14在此基础上添加了碳化位置、施工及应力状况的影响因素，提出了预测混凝土碳化深度和碳化残量的多系数随机过程模型。王春芬等15基于工程检测数据和混凝土碳化影响因素，提出基于随机理论的碳化寿命预测模型。李杰等16在王春芬等的基础上进一步完善应力状态的影响，并运用可靠度的方法提出了混凝土结构在长期永久荷载应力状态下的碳化寿命预测方法。目前国内外学者对混凝土碳化的研究，多集中于对混凝土碳化深度模型的预测，如何针对具体环境建立可靠的碳化寿命预测模型，分析碳化作用对混凝土强度增长的影响、对结构构件抗力的影响1718等问题仍需进一步开展相关研究。1.1.2 氯盐侵蚀在近海环境、盐湖环境以及除冰盐环境中，氯离子的侵蚀作用是导致混凝土腐蚀的主要原因。氯离子的离子半径较小，且穿透能力强，在接触到混凝土结构内部的钢筋后吸附于表面的钝化膜处，使得周围pH 值降低，从而造成钢筋的锈蚀并影响混凝土结构的寿命。因此，探究混凝土中氯离子的传输机理，对氯离子在混凝土中的分布规律进行准确分析，针对氯盐环境中混凝土结构的服役寿命预测等研究19具有重要意义。长 期 以 来，国 内 外 学 者 们 倾 向 于 采 用COLLEPARDI 等20提出的 Fick 第二定律计算氯离子的具体传输过程。其中基于 Fick 第二定律的假设条件为氯离子的浓度、扩散系数不变，且氯离子的传输途径为一维传输。然而实际上，氯离子在混凝土结建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1926构中的传输为多维度同时进行，且氯离子的浓度及扩散程度并不固定。基于此，赵羽习等21采用氯盐浸泡试验，结合试验数据建立了混凝土表面氯离子浓度的时变模型，结果表明，混凝土表面氯离子的浓度随着时间的增加逐渐趋于稳定22。LARSOLOF23利用阻抗测量量化水分效应，得到氯离子的扩散系数与含水率成正相关，当相对湿度低于 70%时，氯离子的扩散系数几乎为 0。姬永生等24进一步对比了在氯盐浸泡和干湿循环作用下混凝土中氯离子的渗透行为，并得出完全浸泡在氯盐中的混凝土试件的氯离子传输基本符合 Fick 第二定律，而在干湿循环条件下，氯离子侵蚀速度则更加明显。同时，为了延长氯盐环境下混凝土结构的服役寿命，部分学者根据氯离子的传输机理提出了抑制氯离子侵蚀的方案25。针对干湿循环明显的浪溅区及潮差区，王建民等26通过干湿循环模拟盐雾环境，利用不同矿物掺合料的混凝土进行抗氯离子侵蚀试验，对比试验结果得出，当掺入的粉煤灰和矿粉各占胶凝材料总量 25%的配合比时，氯离子扩散系数最小。刘建军等27根据氯盐浸泡试验结果，得出钢纤维（SFs）、聚乙烯醇（PVA）纤维、混杂纤维以及粉煤灰的掺入均会有效抑制混凝土在氯盐环境下的侵蚀作用，相关试验结果为实际工程中如何减缓氯离子的侵蚀提供了参考。在实际环境中，氯离子的传输过程极为复杂，对氯盐侵蚀的现有研究大多为室内试验研究，而试验模拟条件仍无法真实还原实际工程中混凝土结构的所处环境，工程结构的可靠性评定还需结合具体的环境条件来判断28，因此有必要深入开展基于现场检测数据的分析以便于实际工程应用。1.1.3 冻融循环在寒冷环境条件下，冻融循环作用对混凝土造成的破坏是既有建筑在服役过程中的主要病害29。在冻融循环过程中，混凝土的宏观特性呈下降趋势，具体主要反映在混凝土强度和密实度的降低30。从理论方面来看，对冻融机理的研究，POWERS等3132提出的静水压力理论和渗透压理论比较经典，JACOBSEN 等33、MARCEL 等34学者在经典理论的基础上进一步对冻融循环中的混凝土内部的微观动态发展进行了定量研究。当前理论方面的研究相对较少，国内外研究者比较倾向于从材料的角度出发35，施士升36为了更接近自然环境下的冻融条件，对混凝土试件采用缓慢冻融试验方法，探究了冻融循环次数对混凝土材料力学性能的影响，得到混凝土力学性能的损伤程度随冻融循环次数的增大而增大37。而李金玉等38利用快速冻融试验，对饱和水状态下混凝土试件的冻融破坏过程进行分析，试验结果表明，混凝土的抗拉强度及抗折强度的下降最敏感，且冻融破坏的力量在混凝土最低冻结温度达到 10 时明显加大。针对冻融循环对混凝土强度的具体影响，SHANG 等39在双轴压应力作用下，对冻融循环条件下的素混凝土的强度和变形进行量化分析，建立了冻融循环次数与混凝土强度的线性关系。然而混凝土的冻融过程是一个复杂的物理过程，仅基于冻融循环次数得到混凝土的强度变化的研究缺乏严密的理论依据18，由于标准冻融试验研究设置的条件大多比较单一，且均与工程实际相差较大，试验的研究结果并不能被直接应用于既有结构中混凝土强度或剩余寿命的预测4041。由此可见，现实工程实践中仍迫切需要能精确估计实际环境条件下混凝土冻融破坏的预测方法42。1.2 多重因素耦合作用影响在实际工作环境中，混凝土结构并不只受单一劣化因素的影响，而是同时经受多类劣化因素的复合作用的。例如：在寒冷地区，混凝土结构不只受到冻融破坏的影响，还可能受到除冰盐、碳化或硫酸盐等的侵蚀；在近海地区，混凝土结构同时会经受碳化作用、氯离子及其他盐类的腐蚀。实际环境中各类影响因素的耦合作用使得混凝土结构的劣化过程变得复杂化和严重化，也使得基于单一环境条件下得出的研究结论以及经验公式相对具有局限性。鉴于此，肖前惠43通过模拟冻融 碳化环境及冻融 酸雨环境深入分析了混凝土力学性能的衰减规律，为冻融环境多因素耦合作用下混凝土结构的寿命分析提供了依据。金祖权等44综合分析了混凝土在氯盐和硫酸盐耦合作用下损伤失效规律，得到硫酸根离子和氯离子并不总是相互抑制45，并将腐蚀阶段分为缓慢下降段和加速下降段两部分。混凝土在实际环境中的性能演化是一个十分复杂且缓慢的过程，在试验中大多采用加速试验方法模拟实际环境对其进行研究46，但经加速的短期试验研究虽然考虑了多类因素耦合的影响，仍难以精确模拟既有构件真实的工作环境和混凝土材料在实际工程中的性能退化过程47，相应研究结果不能被直接应用于实际工程。而现场检测方法的操作相对简便，利用现场检测方法获取的实测数据更能反映构件所处环境 2023 年 8 月1927和受力的真实情况4748。大量研究表明4953，在自然环境或具有侵蚀性离子的环境条件下，既有混凝土结构中的混凝土强度的变化趋势大致可分为两个阶段。第一阶段为强度上升段：随着前期混凝土内部水化反应的不断进行，混凝土的强度缓慢增大。第二阶段为强度下降段：随着既有混凝土结构服役龄期的增长，外界环境劣化因子的作用愈发显著，致使混凝土的强度逐渐下降。为了获取混凝土暴露在实际环境中的长期性能发展规律，国外学者们开展了诸多的研究工程。美国威斯康星大学麦迪逊分校自 1910 年以来启动了混凝土试件强度的测试试验，并计划进行50100 年的混凝土抗压强度测试，有关文献54根据其强度检测结果推断得出混凝土试件在 50 年内的强度发展规律，即混凝土的强度在 030 年内大致呈增长趋势。日本小樽港自 1899 年起，累计制作了 6 万多个试件，将其分别存放于一般大气环境、海水及淡水中，计划进行 100 年的混凝土长期耐久性对比试验，通过分析 95 年龄期的混凝土试件，得出存放于不同环境中的混凝土试件的长期性能变化趋势基本一致，其中暴露于一般大气环境下的试件强度在 3040 年的龄期区间内达到最大值，随后逐渐下降5556。在实际工程中，工程技术人员更熟悉的是混凝土的抗压强度，混凝土的抗压强度是反映混凝土各项力学性能的综合指标，且在现实中容易被测定。国内学者们在大量实测样本的条件下，结合数学模型分别建立了混凝土强度的时变模型。在一般大气环境下，牛荻涛等49在国内外大量暴露试验和实测数据的基础上，利用线性回归方法建立了混凝土强度经年变化模型。高向玲等50利用回弹法和钻芯法获得的实测数据，研究了上海和其他地区的混凝土强度随时间的变化规律，并建立了回弹法和钻芯法的混凝土强度时变模型。马宝富51基于钻芯法对回弹法的修正，对西南多酸雨地区不同服役期建筑物的混凝土强度进行归一化处理，得到其混凝土强度均值的时变函数。王伟娜53在大量实测数据的基础上，分别建立了山东地区回弹法和钻芯法的既有建筑混凝土强度时变模型。在海洋环境下，牛荻涛57基于长期暴露试验和经年建筑的工程实测结果，利用统计回归分析建立了混凝土强度的经时变化模型。郑山锁等58对不同龄期沿海地区的混凝土结构进行工程实测，并得到了混凝土强度随服役龄期的退化模型。其中，为了消除因混凝土强度等级不同带来的影响，国内研究者们基于实测混凝土数据的归一化方式如下。建立的混凝土时变规律研究见表 1。方式：利用 t 时刻混凝土强度的平均值除以对应混凝土 28 d 的强度平均值。方式：利用 t 时刻测得的混凝土换算强度除以混凝土立方体抗压强度标准值。方式：利用 t 时刻测得的混凝土换算强度除以混凝土立方体抗压强度平均值。方式：利用 t 时刻测得的混凝土换算强度除以混凝土轴心抗压强度平均值。2 钢筋性能变化研究混凝土强度的变化对混凝土结构构件的承载能力造成相关影响，而钢筋锈蚀则是导致混凝土结构劣表 1 混凝土时变规律研究研究者适用区域归一化方式数据来源龄期区间数据量/组牛荻涛等49一般大气环境方式试验+工程实测28 d60 年高向玲等52一般大气环境方式、回弹法实测7 年 73 年550高向玲等50上海地区方式回弹法实测1 年 60 年1 923钻芯法实测1 年 60 年172马宝富51西南酸雨地区方式钻芯修正回弹实测10 年 60 年1 489王伟娜53山东地区方式回弹法实测28 d62 年73 840钻芯法实测28 d33 年4 149牛荻涛57海洋环境方式试验+工程实测28 d31 年郑山锁等58海洋环境方式工程实测10 年 51 年54宋伟英，等：钢筋与混凝土的时变性能研究进展建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1928化的关键因素，锈蚀钢筋会导致构件中钢筋的截面尺寸及力学性能发生改变，从而影响混凝土结构的力学行为。在钢筋混凝土结构中，钢筋的腐蚀是一个动态的电化学过程，其形式可分为自然电化学腐蚀和杂散电流腐蚀两类59，目前大多为采用自然电化学腐蚀进行加速钢筋锈蚀试验研究。针对锈蚀钢筋屈服强度的变化，惠云玲60通过检测钢筋的具体锈蚀程度，得出在钢筋截面损失率小于 5%时，锈蚀钢筋的力学性能变化对原结构承载能力的影响相对较小。当钢筋截面损失率大于 5%时，吴庆等61在模拟人工环境和恒加速电流腐蚀的试验结果基础上，建立了与钢筋锈蚀率相关的钢筋屈服强度变化模型：,10(1.1750.064)y cyff=（1）,20(10.021)y cyff=（2）式中：fy,c1为人工气候加速环境条件下的锈蚀钢筋屈服强度；fy,c2为恒加速电流条件下的锈蚀钢筋屈服强度；fy0为未锈钢筋的屈服强度；为钢筋锈蚀率。在混凝土结构中，钢筋的锈蚀过程包含 3 个主要时间节点62：钢筋开始锈蚀节点 t1，钢筋锈蚀导致混凝土开裂节点 t2，混凝土构件性能劣化并影响结构服役安全的节点 t3。因此，有关混凝土结构构件中锈蚀钢筋的截面尺寸变化预测，主要针对这 3 个时间节点进行分类探究，同时考虑了锈蚀钢筋与混凝土之间粘结性能退化的影响。2.1 锈胀裂缝出现前锈蚀钢筋力学性能退化的主要原因是钢筋截面外边缘微坑蚀引起有效截面积减少63，从而产生应力集中，并进一步影响混凝土结构的承载性能。在一般大气环境下，混凝土结构中钢筋开始锈蚀的时间通常被确定为碳化深度到达钢筋表面的时间64。在此基础上，牛荻涛等65基于电化学腐蚀原理，建立了定量评析结构服役龄期与混凝土锈蚀开裂前钢筋锈蚀量的数学模型。但大量工程实测数据以及试验结果表明66，钢筋是否发生锈蚀并不完全取决于碳化深度的大小。岸谷孝一67首次提出碳化残量的定义，即钢筋开始锈蚀时钢筋外表面至碳化前沿的距离，其数值可为正值，零或负值66,6869。董振平等70以工程实测数据为主要依据，考虑了不同环境条件的影响，利用回归分析建立了一般大气环境下混凝土碳化残量的计算模型，并提出了钢筋开始锈蚀节点 t1的计算公式：201ccxtk=（3）式中：c 为保护层厚度，mm；x0为碳化残量，mm；kc为混凝土碳化系数，mm/年。综上所述，蒋德稳等71利用人工模拟大气环境，建立了在钢筋锈蚀导致的混凝土开裂前，受不同环境条件及混凝土自身因素影响的钢筋锈蚀电流密度 i1（uA/mm2）的计算公式：1.1282.6650.4550.38610.866()()()()3050100.44TRHcUi=（4）式中：T、RH 分别为环境温度（）、相对湿度（%）；U 为混凝土水灰比。CAO 等72利用电化学腐蚀原理研究了混凝土强度对钢筋腐蚀速度的影响，研究结果表明，提高混凝土的质量可以减小钢筋的锈蚀速率。潘振华等73基于电化学加速锈蚀试验，在均匀锈蚀的条件下考虑了混凝土强度、钢筋直径及保护层厚度因素的影响，以锈蚀钢筋的质量损失率来评估锈蚀钢筋的截面损失率，并给出了混凝土构件开裂时钢筋锈蚀率 1的计算公式：1.3430.8660.084112,3.968(1)cu kck kfRR=+（5）式中：k1、k2分别为钢筋的种类、位置修正参数；R 为钢筋半径，mm；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值，MPa。利用 SternGeary 公式将腐蚀电流密度换算为钢筋的锈蚀速度（um/年）74：Vcor=1 000i，即钢筋锈蚀导致混凝土开裂节点 t2具体可由钢筋锈蚀电流密度i1及钢筋锈蚀率 1联合求得：t2=0.001R1(11)0.5i11（6）2.2 锈胀裂缝出现后随着钢筋锈蚀过程的进行，锈蚀氧化产物使得钢筋体积发生膨胀，造成混凝土保护层内部径向受拉，继而引起构件混凝土保护层的开裂。混凝土开裂后，侵蚀性因子更容易到达钢筋表面，并进一步加速钢筋的锈蚀75，由此，国内外许多研究者将钢筋锈蚀导致的混凝土外表面开裂作为混凝土结构构件寿命终结的标志。一般来说，当混凝土构件内钢筋的腐蚀率达到 1%时，混 凝 土 表 面 将 会 产 生 顺 筋 裂 缝71。ANDRADE 等76根据电流加速腐蚀试验结果建立了 2023 年 8 月1929混凝土裂缝与钢筋腐蚀的关系，并提出当混凝土表面的裂缝达到0.3 mm时，混凝土结构的寿命到达极限。郑山锁等77在大量试验数据及已有研究成果基础上，进一步建立了混凝土裂缝宽度与构件中钢筋锈蚀深度2的计算模型，即：122212(0.05230.0352)36.3972()cddd=（7）式中：2为保护层开裂后钢筋的锈蚀深度；d 为钢筋直径；为混凝土表面顺筋裂缝宽度。在大气环境条件下，徐善华等66利用钢筋快速腐蚀试验的数据，给出了保护层开裂后钢筋锈蚀电流密度 i2（uA/mm2）的计算公式：21ii=（8）式中：为混凝土结构锈胀裂缝影响系数，即=3.5500i1，当 2 时取=2。同理，混凝土结构构件性能劣化并影响服役安全的节点 t3具体可由保护层开裂后钢筋锈蚀电流密度 i1及钢筋锈蚀深度 2联合求得：（9）2.3 锈蚀钢筋与混凝土的粘结性能锈蚀钢筋对混凝土结构的关键影响除钢筋有效截面的损失之外，另一个为锈蚀钢筋体积膨胀引起的顺筋裂缝使得钢筋与混凝土之间的粘结力下降，继而进一步加剧钢筋锈蚀并由此构成恶性循环。在钢筋锈蚀引起的混凝土开裂前，锈蚀产物体积膨胀使得钢筋与混凝土之间的摩擦系数增大78，TONDOLO79利用拉拔试验测试了存在箍筋限制的锈蚀混凝土构件，并提出在钢筋锈蚀率低于 2%时，钢筋与混凝土的粘结性能与钢筋锈蚀量成正比。袁迎曙等80则认为，当钢筋锈蚀率不超过 5%时，可不考虑锈蚀钢筋对混凝土和钢筋粘结力的影响。当混凝土发生锈胀开裂时，钢筋混凝土构件的粘结疲劳寿命显著下降81，张永利82根据受弯构件粘结试验结果，建立了钢筋与混凝土之间的粘结 滑移本构关系（式（10），同时利用回归分析得出了锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度降低系数 的计算模型：0=（10）1114.941.0380.089 =,（11）式中：为锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结应力，MPa；0为未锈钢筋与混凝土之间的粘结应力，MPa；为当前钢筋锈蚀率；1为混凝土保护层开裂时的钢筋锈蚀率。此外，根据 ZHAO 等83的拉拔试验和梁构件试验的研究结果，箍筋能大大提高钢筋和混凝土的粘结能力，同时，当钢筋的截面损失率达到 14%时，粘结强度降低 80%90%。MOODI 等84提出，当钢筋锈蚀率达到 25%时，箍筋对混凝土构件的粘结性能的提升作用最明显。LIN 等85利用拉拔试验研究建立了箍筋与纵筋腐蚀的粘结应力滑移模型，并利用有限元仿真模拟验证了所建模型的有效性及合理性。由于有限元仿真模拟钢筋与混凝土的粘结性能变化规律较为理想化，目前对锈蚀钢筋混凝土粘结性能的研究主要以试验研究为主，数值分析为辅59。但研究对象大多为中心拉拔试件，这与实际工程中的偏心受力情况并不一致86，因此，应进一步改进梁式试验及拉拔试验的研究方法，继而得到更加精确的锈蚀钢筋与混凝土粘结性能全过程分析，以便于后续的工程实际应用。3 结论本文主要从钢筋混凝土结构的材料层次、环境层次及构件层次 3 个层次出发，对混凝土强度和钢筋的时变性能以及锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的已有研究进行了综述，并得出如下结论及展望。（1）当前国内外针对混凝土在单一影响因素下的研究已比较成熟，但实际环境中的影响因素相互耦合且极为复杂，考虑单因素影响的研究成果无法直接应用于现实工程。利用现场检验法对经年建筑进行实测采样，目前国内现有的混凝土强度时变模型大多在一般大气环境下建立，针对海洋环境、冻融循环作用环境以及腐蚀性因子比较显著的工业环境，基于不同龄期混凝土强度变化的相关研究较少，下一步应逐步完善针对具体地域或环境条件并考虑综合因素影响的混凝土强度时变规律研究。（2）现阶段多采用电化学加速锈蚀试验方法对锈蚀钢筋的性能变化进行研究，但加速锈蚀试验与实际环境的相似关系并不明确，且加速锈蚀试验不能对混凝土结构内钢筋的自然锈蚀状态及钢筋混凝土粘结应力的变化进行精准模拟。在后续研究中，有必要基于自然腐蚀试验或实际环境条件，获取能真实反映锈蚀钢筋力学性能变化规律的有效数据，并在此基础上建立由钢筋锈蚀及混凝土强度变化引起的混凝土结构宋伟英，等：钢筋与混凝土的时变性能研究进展建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1930构件综合性能变化的研究模型，以便进一步应用于既有钢筋混凝土结构的安全性评估及可靠性鉴定。参考文献1 张鑫,岳庆霞.既有结构评估、加固改造理论及关键技术研究进展 J.山东建筑大学学报,2021,36(5):7682.2 孟建国.基于全寿命设计的钢筋混凝土结构安全度研究与应用D.南京:东南大学,2016.3 冉晋.复杂环境条件下混凝土耐久性变化规律及寿命预测 D.北京:北京工业大学,2017.4 余波,刘才勇,杨绿峰.再生粗骨料混凝土碳化分析的多场耦合模型及验证 J.土木建筑与环境工程,2017,39(2):5057.5 PAPADAKIS V,FARDIS M,VAYENAS C.Effect of composition,environmental factors and cement-lime mortar coating on concrete carbonationJ.Materials and Structures,1992(25):293304.6 刘志勇,孙伟.与钢筋脱钝化临界孔溶液 pH 值相关联的混凝土碳化理论模型 J.硅酸盐学报,2007(7):899903.7 WARDA A.Carbonation of cement-based materials:challenges and opportunitiesJ.Construction and Building Materials,2016(120):558570.8 NEVES R,BRANCO F,BRITO J D.Field assessment of the relationship between natural and accelerated concrete carbonation resistanceJ.Cement and Concrete Composites,2013(41):915.9 HYVERT N,SELLIER A,DUPRAT F,et al.Dependency of C-S-H carbonation rate on CO2 pressure to explain transition from accelerated tests to natural carbonationJ.Cement and Concrete Research,2010,40(11):15821589.10 SANJUAN M A,ANDRADE C,CHEYREZY M.Concrete carbonation tests in natural and accelerated conditionsJ.Advances in Cement Research,2003,15(4):171180.11 CASTELLOTE M,FERNANDEZ L,ANDRADE C,et al.Chemical changes and phase analysis of OPC pastes carbonated at different CO2 concentrationsJ.Materials and Structures,2009(42):515525.12 余波,成荻,杨绿峰.混凝土结构的碳化环境作用量化与耐久性分析 J.土木工程学报,2015,48(9):5159.13 牛荻涛,董振平,浦聿修.预测混凝土碳化深度的随机模型 J.工业建筑,1999(9):4347.14 徐善华.混凝土结构退化模型与耐久性评估 D.西安:西安建筑科技大学,2003.15 王春芬,牛荻涛.钢筋混凝土铁路桥梁碳化寿命预测 J.四川建筑科学研究,2006(3):6163,71.16 李杰,蔺鹏臻.考虑使用状态应力的铁路 40 m 跨度预应力混凝土简支箱梁的碳化寿命预测 J.铁道建筑,2021,61(1):4750.17 韩建德,孙伟,潘钢华.混凝土碳化反应理论模型的研究现状及展望 J.硅酸盐学报,2012,40(8):11431153.18 颜迎迎,高向玲.大气环境下混凝土强度经时变化规律研究进展J.结构工程师,2011,27(6):134140.19 罗大明,李凡,牛荻涛.基于 NernstPlank 方程的氯盐环境内养护混凝土寿命预测 J.工业建筑,2022,52(10):131138.20 COLLEPARDI M,MARCIALIS A,TURRIZIANI R.Penetration of chloride ions into cement pastes and concretesJ.Journal of the American Ceramic Society,1972,55(10):534535.21 赵羽习,王传坤,金伟良,等.混凝土表面氯离子浓度时变规律试验研究 J.土木建筑与环境工程,2010,32(3):813.22 张奕,姚昌建,金伟良.干湿交替区域混凝土中氯离子分布随高程的变化规律 J.浙江大学学报(工学版),2009,43(2):360365.23 LARS-OLOF N.A numerical model for combined diffusion and convection of chloride in non-saturated concreteD.Sweden:Chalmers University of Technology,1996.24 姬永生,袁迎曙.干湿循环作用下氯离子在混凝土中的侵蚀过程分析 J.工业建筑,2006(12):1619,23.25 陆春华,刘荣桂,崔钊玮,等.干湿交替作用下受弯开裂钢筋混凝土梁内氯离子侵蚀特性 J.土木工程学报,2014,47(12):8290.26 王建民,刘冠国,雷笑,等.盐雾环境下混凝土抗氯离子性能试验研究 J.工业建筑,2013,43(11):8991,125.27 刘建军,王新科,黄瑞,等.氯盐侵蚀纤维混凝土的损伤劣化规律J.材料科学与工程学报,2022,40(5):848853.28 周元斌,蒋涛,黄毅,等.刘老涧新闸服役 45 年后混凝土耐久性检测与评价 J.广东建材,2022,38(9):7378.29 段桂珍,方从启.混凝土冻融破坏研究进展与新思考 J.混凝土,2013(5):1620.30 慕儒.冻融循环与外部弯曲应力、盐溶液复合作用下混凝土的耐久性与寿命预测 D.南京:东南大学,2000.31 POWERS T C.A working hypothesis for further studies of frost resistance of concreteJ.Journal of the American Concrete Institute,1945,16(4):245272.32 POWERS T C.Freezing effects in concreteJ.Journal of the American Concrete Institute,1975(47):112.33 JACOBSEN S,MARCHAND J,HORNAIN H.SEM observations of the microstructure of frost deteriorated and self-healed concretesJ.Cement and Concrete Research,1995,25(8):17811790.34 MARCEL A,ERIC S,NICOLAS V.Water invasion,freezing,and thawing in cementitious materialsJ.Cement and Concrete Research,1999,29(2):209213.35 MOUKWA M.Deterioration of concrete in cold sea watersJ.Cement and Concrete Research,1990,20:439446.36 施士升.冻融循环对混凝土力学性能的影响 J.土木工程学报,1997(4):3542.37 邹超英,赵娟,梁锋,等.冻融作用后混凝土力学性能的衰减规律J.建筑结构学报,2008(1):117123,138.38 李金玉,曹建国,徐文雨,等.混凝土冻融破坏机理的研究 J.水利学报,1999(1):4250.39 SHANG H S,SONG Y P.Experimental study of strength and deformation of plain concrete und