钢筋混凝土结构锈胀裂缝扩展分析

为了对钢筋混凝土结构的耐久性全寿命进行评估,研究了保护层混凝土锈胀裂缝的扩展及过程.基于保护层混凝土锈胀开裂前后的变形协调条件,并考虑箍筋对混凝土锈胀裂缝扩展的影响,建立了有箍筋和无箍筋条件下混凝土保护层锈胀裂缝宽度模型.试验结果表明,在锈蚀率介于0～10%条件下,所建模型可以很好地预测保护层混凝土锈胀裂缝的扩展.     

混凝土锈胀开裂的断裂过程分析

应用线弹性断裂力学基础理论,结合弹性力学研究成果,得到了钢筋均匀锈蚀导致锈胀裂缝扩展至表面前的锈胀力与裂纹张开位移的关系.结合混凝土的双K断裂准则,分析了混凝土锈胀开裂过程的断裂韧度及其影响因素.研究结果表明:钢筋直径与保护层厚度及混凝土强度是影响混凝土锈胀开裂发展的主要因素;适当增加混凝土保护层厚度、选用小直径钢筋和选择高性能混凝土均有利于抵抗锈胀裂缝的扩展.     

钢筋混凝土保护层锈胀裂缝宽度研究Ⅱ

锈胀裂缝宽度是混凝土结构耐久性与设计评估的重要参数。通过加速电腐蚀试验。深入探讨了裂缝宽度与锈蚀程度、保护层厚度等影响因素的相互关系,并进行了理论模型有效性的验证及分析。考虑工程运用的适用性,基于模型分析及试验研究结果给出了锈胀裂缝宽度的简化实用计算式。     

钢筋混凝土结构锈胀开裂及裂缝扩展试验研究

采用加速腐蚀试验,系统地研究了钢筋直径、混凝土强度、腐蚀电流密度、保护层厚度、钢筋位置和类型等因素影响下钢筋混凝土锈胀开裂及裂缝扩展的规律.试验结果表明:腐蚀电流密度对锈胀开裂时间的影响最为显著,其他依次为钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度;锈胀裂缝随时间增长呈线性增大趋势;各种因素对锈胀裂缝扩展的影响程度依次为腐蚀电流密度、保护层厚度、混凝土强度和钢筋直径;腐蚀电流密度越大、保护层厚度越小,锈胀裂缝扩展越快;混凝土强度等级越高、钢筋直径越小,锈胀裂缝扩展越缓慢.对比分析发现,钢筋位于上部和相同腐蚀电流下采用变形钢筋时,锈胀开裂晚且裂缝扩展更缓慢;钢筋位于角部时开裂早且裂缝扩展快.分析了各种因素影响机理并提出了提高耐久寿命的措施.     

预应力影响下混凝土结构锈胀开裂计算

针对预应力钢绞线腐蚀引起混凝土结构锈胀开裂问题,考虑混凝土双向应力状态和钢绞线截面几何特性等因素的影响,建立微裂缝形成、保护层开裂及开裂至一定宽度的锈胀开裂3阶段计算模型,分析锈胀开裂对预应力等各影响因素的敏感性,并通过试验对理论结果进行验证。研究结果表明:预应力会对锈胀开裂产生不利影响,与无应力状态相比,当钢绞线预应力为75%的抗拉强度标准值时,微裂缝形成、保护层开裂和开裂至0.1 mm时的腐蚀率分别降低了46.14%,43.90%和9.42%;锈胀发展3阶段的腐蚀率均随铁锈膨胀率和钢绞线直径的增加而减小,随混凝土抗拉强度和保护层的增加而增大。     

钢筋组合方式对混凝土保护层锈胀开裂影响

钢筋锈蚀是引发混凝土结构劣化的主要原因之一。给出一个二维的扩散-力学模型,通过有限元软件将氯离子侵蚀引起的非均匀腐蚀膨胀层作为位移荷载,模拟钢筋锈胀对周围混凝土的力学作用。基于该模型,分析不同钢筋组合对保护层锈胀开裂的影响。结果表明:不同钢筋组合会造成不同的裂缝扩展路径;根数少且直径大的钢筋组合不仅能延缓裂缝出现和贯通时间,而且有利于减小表面最大裂缝宽度和钢筋截面损失率。     

锈蚀产物在钢筋混凝土界面处的分布状态分析

通过对钢筋锈蚀破坏后混凝土样品进行宏观和微观分析,研究锈胀裂缝的扩展状态和锈蚀产物在混凝土内的分布状态.分析结果表明:即便是通电锈蚀,角部位置钢筋仍为不均匀锈蚀,保护层薄的一侧先出现胀裂裂缝,保护层厚的一侧胀裂裂缝扩展相对较慢,胀裂裂缝附近存在填有锈蚀物的短小裂缝.因受混凝土不同挤压作用,锈蚀物在各发展阶段形态有所不同,初始形成的锈蚀物在界面处的砂浆层自由填充,称为锈蚀物自由生长阶段,填充的径向尺寸约为20～50 μm;之后,混凝土的挤压作用在钢筋-混凝土界面处形成有一定宽度的特殊锈蚀物,这一锈蚀层产物形态及数量均与自由生长阶段有所不同,当其达到一定量时(厚度约10～20 μm),混凝土开始出现微裂缝,这一锈蚀层是决定锈胀力破坏的关键因素;锈胀微裂缝的存在提供了应力释放微区,此时锈蚀产物为半自由生长阶段,直至宏观裂缝出现并逐渐扩展至混凝土表面.     

钢筋混凝土保护层锈裂行为的细观有限元模拟

为了研究混凝土材料非均匀特性对保护层锈裂行为的影响,基于蒙特卡罗方法建立了随机骨料模型,采用Matlab软件编写了骨料生成和投放代码,并考虑了界面层的影响.通过改变锈蚀层厚度,对钢筋锈胀引发的混凝土保护层开裂行为进行了细观有限元模拟.结果表明,混凝土内钢筋锈蚀产物膨胀具有非均匀性,砂浆与骨料的界面是钢筋混凝土保护层锈胀过程中的最薄弱环节.当锈蚀层的最大厚度为1.24μm时,界面开始产生裂缝,随后钢筋周围砂浆产生裂缝;当锈蚀层的最大厚度为9.00μm时,混凝土保护层表面出现裂缝,此时钢筋的有效锈蚀率仅为0.186%;当锈蚀层的最大厚度达到18.00μm时,混凝土中钢筋之间裂缝贯通,此时裂缝分布图与实测锈胀开裂相似,表明细观模拟计算可靠.     

箍筋对混凝土构件锈胀开裂影响分析

基于混凝土中钢筋均匀锈蚀及锈蚀产物仅仅填充且填满锈胀裂缝的假设,考虑混凝土与钢筋介面锈蚀前后的变形协调条件,以及保护层裂纹界面的部分承载能力,建立了带箍筋混凝土构件锈胀开裂模型,并通过直流阳极极化加速锈蚀试验对模型进行了验证.对于箍筋间距100 mm及150 mm两种工况,裂纹宽度实测值与模型预测值具有较好的一致性.     

基于砼破损形态控制的混凝土构件耐久性设计

通过对混凝土结构耐久性极限状态的分析,确定把破损形态作为耐久性极限状态的控制目标.利用现阶段的钢筋锈胀力计算模型,提出了基于破损形态控制的混凝土构件耐久性设计方法,并对其影响因素进行讨论和分析.结果表明:所建立的基于破损形态的混凝土结构耐久性设计方法是合理的.按本方法分析,可以稍微放松对混凝土锈胀裂缝宽度控制的尺度,对结构设计提出了新的控制标准.     

钢绞线锈蚀导致混凝土开裂及锈蚀产物分布研究

为研究钢绞线锈蚀导致的混凝土开裂问题,通过快速锈蚀试验,研究了锈胀裂缝在混凝土内部和表面的开展情况以及锈蚀产物在钢绞线-混凝土界面和开裂混凝土内的分布形态,并从细观层面分析了骨料对裂缝发展的影响。研究结果表明,锈胀裂缝在混凝土内的发展过程与骨料分布有关,混凝土表面裂缝大多由与骨料相接的内部裂缝发展而来,箍筋可以有效地限制裂缝的发展;钢绞线的捻制形状使其与锈蚀液的接触面增大而导致锈蚀加快;锈蚀产物在混凝土内部不同位置的组成成分和颜色也有所不同,钢绞线-混凝土界面处锈蚀产物的颜色比开裂混凝土区的颜色更深。     

钢筋混凝土中保护层锈胀的分析

本文通过加速电腐蚀试验,深入探讨了裂缝宽度与锈蚀程度、保护层厚度等影响因素的相互关系,并进行了模型有效性的验证及分析。同时考虑工程运用的适用性,基于模型分析及试验研究结果给出了锈胀裂缝宽度的简化实用计算式。     

钢筋混凝土保护层锈胀开裂时间预测模型

基于Faraday定律,建立了动态锈蚀速率下的锈蚀产物膨胀模型,并将锈蚀产物的膨胀等效为径向位移边界条件施加于钢筋-混凝土界面。建立了混凝土保护层在锈胀力作用下逐步开裂的数学模型,预测了混凝土保护层锈胀开裂的时间。并将模型预测的保护层锈胀开裂时间和试验观察的时间进行对比,验证了模型的正确性。最后对模型所包含的参数进行灵敏度分析,分析了各参数对混凝土保护层锈胀开裂时间的影响。     

基于氯离子时变扩散钢筋混凝土锈胀裂缝时变可靠度研究

基于氯离子Fick扩散定理和法拉第定律,通过研发的四电极传感器体系获得含氯离子混凝土模拟液中腐蚀电流密度规律以及混凝土中氯离子时变扩散系数,建立氯离子时变扩散钢筋腐蚀速率模型;在此基础上基于弹性断裂力学和坑蚀模型,建立坑蚀锈胀裂缝时变可靠度模型,采用Monte Carlo方法求得钢筋混凝土锈胀裂缝时变可靠度.研究表明,基于研发的MnO2参比电极四电极传感器体系平均腐蚀电流密度随氯离子浓度增加而线性增加,随时间增加趋于恒定.采用考虑氯离子时变扩散钢筋腐蚀电流在服役期间钢筋腐蚀电流密度减小.坑蚀锈胀裂缝开始时间在第10~15年;随保护层厚度和钢筋直径增加以及表面氯离子浓度减小,钢筋混凝土坑蚀裂缝宽度减小.研究结果对氯离子诱发的钢筋混凝土坑蚀腐蚀裂可靠度预测具有重要的参考价值.     

基于塑性损伤理论的钢筋混凝土锈胀裂纹模拟

基于混凝土的塑性损伤理论建立了钢筋混凝土保护层锈胀开裂的有限元模型.通过位移加载来模拟钢筋的锈胀作用,以最大应变作为混凝土损伤的判据,通过衰减混凝土弹性模量来实现混凝土损伤,研究了钢筋锈蚀引起的混凝土保护层内裂纹发生和扩展的轨迹.为了直观表示开裂轨迹,通过ABAQUS子程序USDFLD定义拉伸状态下的场变量f1,给出了内部裂纹、表面裂纹产生时对应的临界锈蚀率,探讨了钢筋直径、锈胀系数、保护层厚度对临界锈蚀率的影响.结果表明:侧向裂纹从混凝土内部钢筋表面开始扩展,竖向裂纹从混凝土保护层的外表面开始向内部扩展,且出现较晚;临界锈蚀率随着钢筋直径、锈胀系数的增大而减小,特别是锈胀系数的影响更显著,而...     

锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的梁式试验

通过梁式试验法研究了锈蚀对配箍钢筋混凝土构件粘结性能的影响,探讨了试件表面锈胀裂缝宽度和钢筋锈蚀率对极限粘结强度及钢筋自由端滑移量的影响规律.试验研究表明,钢筋混凝土梁表面纵向锈胀裂缝产生与否及其宽度大小,并不是影响配箍构件粘结性能的本质因素,它与粘结强度或滑移性能的相关性均不显著.锈蚀率对粘结性能有着重要影响,极限粘结强度和粘结刚度均随锈蚀率增加先增大后减小,但锈蚀率在5%以内时不会低于未锈蚀钢筋水平;达极限粘结强度时,钢筋自由端滑移量随锈蚀量增加明显减小,当锈蚀率为4.6%时滑移量仅为未锈蚀梁的17.6%.     

混凝土保护层锈胀裂缝扩展的仿真分析

基于均匀锈胀理论,得出保护层裂缝贯通时锈胀力的计算方法,运用有限元分析软件FINAL建立模型,通过分步加载的方式对模型的破坏过程进行仿真计算.以某混凝土简支梁为例建立二维有限元模型,得出模型由初始开裂到贯通时的裂缝发展图以及最大主应力图,通过分析可以得知初始裂缝发生于钢筋与混凝土的交界面处.计算分析不同保护层厚度对裂缝发展的影响,结果表明,保护层初裂时的荷载基本一致,保护层厚度的增加能够有效减缓裂缝的贯通.提高混凝土等级研究裂缝的发展,结果表明混凝土等级的提高对抑制裂缝的发展同样有益.本文所得结论对于钢筋混凝土结构耐久性研究有重要的参考意义.     

锈蚀钢筋与TRC约束混凝土黏结滑移本构关系

采用试验和理论分析相结合的方法,基于电化学锈蚀中心拉拔试验,研究在有无纤维编织网增强混凝土(TRC)约束下,对不同电化学锈蚀率变形钢筋与混凝土界面黏结性能的影响,并且对试件破坏形态以及黏结滑移曲线等进行了分析研究.研究结果表明:在无TRC约束的情况下,锈蚀钢筋与混凝土极限黏结应力随锈蚀率增加而降低,尤其是混凝土产生锈胀裂缝后极限黏结应力下降明显;TRC约束对锈蚀钢筋与混凝土的黏结性能尤其是锈蚀程度较大的试件有很好的改善作用;对于产生锈胀裂缝的试件,TRC约束具有良好的限制试件开裂以及提高极限黏结应力的作用,同时TRC约束对维持锈蚀钢筋与混凝土的黏结刚度也有明显效果;最后建立了TRC约束混凝土与锈蚀钢筋上升段的黏结滑移本构关系.     

钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂综述

对钢筋锈蚀引发混凝土锈胀开裂的研究进行了综述,从试验分析、理论模型和数值模拟3个方面总结了相关研究的成果.采用试验观测混凝土锈裂过程是直观研究手段,但是仅根据有限试验数据拟合得到的经验公式的普遍适用性还存在问题.混凝土锈胀开裂力学模型可以较好地描述理想圆柱体钢筋混凝土试件在均匀钢筋锈胀力作用下的锈裂行为,但对于钢筋非均匀锈蚀、受荷载作用的情况,还尚未建立完善的理论预测模型.将获取的钢筋锈蚀非均匀分布的实际情况,作为有限元分析的位移荷载输入,可对非均匀锈蚀混凝土构件锈裂过程进行模拟.钢筋/混凝土界面铁锈填充区的定量研究、钢筋非均匀锈层分布模型、荷载与钢筋锈蚀对锈裂的共同作用情况以及箍筋对混凝土锈裂过程的影响等方面内容需要进一步研究.     

混凝土保护层锈胀开裂时间的计算模型

针对钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构使用寿命的重要因素,以及锈胀开裂为结构耐久性寿命的临界点的现象,假定混凝土满足双剪强度准则,利用厚壁圆筒理论,对均匀锈胀开裂过程进行弹塑性分析,建立了均匀锈胀厚壁圆筒模型.结合Faraday腐蚀定律,得到了锈胀开裂时间计算式.通过对计算式各主要参数的分析,发现增大混凝土保护层厚度、减小钢筋直径以及降低铁锈膨胀率,能有效提高钢筋混凝土结构的耐久性;混凝土强度等级对结构耐久性影响较小.理论计算值与已有试验值吻合较好,计算式合理、可行.