氯离子侵蚀钢筋混凝土管桩的使用寿命预测

基于氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀机理,将钢筋混凝土管桩的使用寿命分为2个阶段,锈蚀初始阶段和裂缝扩展阶段.依据Fick第二定律和Faraday定律,分别建立了氯离子在钢筋混凝土管桩中的扩散方程和氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀模型,通过确定临界氯离子浓度和钢筋临界锈蚀深度,分别对锈蚀初始阶段时间和裂缝扩展阶段时间进行了预测.并在此基础上,进一步分析了表面氯离子浓度、扩散系数、保护层厚度、钢筋直径、体积膨胀率以及抗拉强度与弹性模量的比值等因素对钢筋混凝土管桩使用寿命的影响.分析结果表明,随着表面氯离子浓度、扩散系数、钢筋直径和体积膨胀率的增大,管桩的使用寿命减小;随着保护层厚度和抗拉强度与弹性模量的比值的增大,管桩的使用寿命增大.     

计及地方气候的混凝土结构钢筋锈蚀寿命研究

通过拟Monte-Carlo抽样法,计及地方温度和相对湿度影响,研究混凝土结构钢筋锈蚀寿命,并以上海、广州、莆田等沿海城市的混凝土结构为例,分析钢筋锈蚀寿命的概率分布、概率密度,以及混凝土结构保护层厚度C_(cov)、表面氯离子浓度C_s、氯离子扩散系数D_(ref)和钢筋锈蚀时氯离子临界浓度C_(th)等对钢筋锈蚀寿命的影响。研究结果显示:地方气候温度、相对湿度对钢筋锈蚀寿命有一定影响;增加C_(cov)和C_(th),可以提高混凝土结构抗氯离子腐蚀、延长其使用寿命;C_s和D_(ref)的增大会降低钢筋锈蚀寿命。建议在混凝土结构及耐久性设计时,考虑地方气候环境的影响,并采取适当增大混凝土保护层厚度等措施,以提高钢筋锈蚀寿命。     

海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析

为了实现海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析的目标,首先给出了海洋环境混凝土桥梁耐久性退化过程中三个关键时刻的计算数学模型和截面削弱过程的模拟方法.以一座预应力混凝土连续梁为对象,利用笔者自行编写的分析程序分析了保护层厚度、大气温度、钢筋锈蚀临界氯离子浓度、混凝土表面氯离子浓度和混凝土强度等设计参数对混凝土桥梁耐久性...     

考虑钢筋阻滞效应的近海环境中混凝土内钢筋初锈时间预测

为探讨氯离子扩散进程中钢筋的阻滞效应,利用交替隐式有限差分方法实现了钢筋混凝土中氯离子二维浓度场的求解,研究了钢筋直径、保护层厚度、混凝土表面氯离子浓度等因素对混凝土内部自由氯离子扩散进程的影响,探讨了钢筋阻滞效应对腐蚀速率、钢筋脱钝时间和混凝土保护层开裂时间的影响.结果表明:受钢筋阻滞效应的影响,氯离子更多地聚集于靠近氯离子自由边界一侧的钢筋表面附近,且这种聚集效应随着钢筋直径和保护层厚度的增大越发显著,但随着扩散时间的延长,氯离子的聚集现象逐渐减弱;钢筋的阻滞效应对其锈蚀速率影响显著,同等条件下钢筋阻滞效应将使钢筋脱钝时间缩短28%,混凝土保护层开裂时间缩短22%.     

基于扩孔理论的混凝土钢筋锈胀开裂分析

采用圆孔扩张理论对钢筋混凝土保护层锈胀开裂过程进行分析,推导不同锈蚀率下的混凝土塑性区边界应力及塑性区半径计算公式,建立保护层锈胀开裂扩孔模型。依据扩孔模型导出与保护层开裂时刻对应的临界钢筋锈蚀率表达式ρ(t),并对临界钢筋锈蚀率模型影响因素进行分析。研究结果表明:临界钢筋锈蚀率ρ(t)与混凝土强度等级、相对保护层厚度、钢筋锈蚀速率和铁锈膨胀率相关;随着混凝土相对保护层厚度增大,锈胀开裂临界锈蚀率ρ(t)快速增大;随着铁锈膨胀率增大,临界锈蚀率ρ(t)快速下降;随着混凝土强度等级增大,临界锈蚀率ρ(t)增加不明显。该模型为进一步研究碳化或者氯离子侵蚀的钢筋锈胀开裂寿命预测提供了理论基础。     

腐蚀环境下钢筋混凝土的轴向受压承载力研究

通过预测混凝土碳化深度,钢筋的氯离子侵蚀速率及钢筋起始锈蚀时间,建立了腐蚀环境下钢筋混凝土承载力与时间之间的关系.通过算例分析混凝土保护层对钢筋混凝土承载力的影响,得到保护层厚度对钢筋混凝土承载力的影响规律,即钢筋混凝土保护层厚度的增加可以提高腐蚀后钢筋混凝土的承载力,主要原因为保护层厚度的增加推迟了钢筋起始锈蚀时间.并分析了钢筋质量损失率与时间的关系以及钢筋直径对钢筋锈蚀率的影响,得到了钢筋直径对钢筋锈蚀率的影响规律,即直径大的钢筋对锈蚀的抵抗能力更强,钢筋直径越大锈蚀率越低.     

海洋环境下混凝土方桩使用寿命预测模型

基于Fick第二定律,建立了考虑扩散系数时变性、荷载对扩散系数影响和氯离子结合能力的氯离子扩散方程;通过求解扩散方程得到考虑多因素影响的混凝土方桩使用寿命预测模型;并分析了桩的保护层厚度、裂缝控制宽度、表面氯离子浓度和临界氯离子浓度等因素对桩的使用寿命的影响.分析结果表明:得到的氯离子扩散方程与实测数据吻合较好;对于设计使用寿命为50年的混凝土方桩,保护层厚度应大于45mm,桩身裂缝宽度不宜大于0.1mm.     

海洋环境下混凝土中钢筋表面氯离子浓度的随机模型

分析了海洋环境下氯离子在混凝土中的传输机理及其随机扩散过程．将扩散系数作为随机数，混凝土表面氯离子浓度、保护层厚度作为随机变量，建立混凝土中钢筋表面氯离子浓度分布的随机模型，推导出钢筋表面氯离子浓度的均值和方差．算例结果表明，该模型的计算值较传统的Fick扩散定律更接近试验值，可用于预测海洋环境下混凝土中钢筋表面的氯离子浓度．     

角区钢筋非均匀锈蚀引发混凝土保护层开裂全过程研究

综合考虑氯离子的扩散过程、钢筋锈蚀的质量守恒以及钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂力学过程,以角区钢筋为研究对象,在钢筋周围施加随时间变化的非均匀径向位移,对氯离子侵蚀引起的混凝土保护层开裂全过程进行数值分析,得出了裂缝发展的分布规律、裂缝出现以及裂缝贯穿保护层所需的时间。并与实验结果进行对比,验证了模型的准确性。探讨了钢筋直径、混凝土保护层厚度以及混凝土强度的变化对混凝土保护层开裂行为及开裂时间的影响。结果表明,混凝土保护层厚度对开裂全过程影响最大,其次是钢筋直径,混凝土强度对其影响较小。     

混凝土结构保护层开裂时钢筋的临界锈蚀率模型

基于弹性理论与Bazant理论模型,引入拉伸损伤的概念,对混凝土保护层内环向应力进行修正,建立了混凝土保护层开裂时的临界锈胀力与钢筋临界锈蚀率模型.考虑钢筋混凝土界面间隙及锈蚀产物在裂缝中的填充效应,探讨了完全弹性、Bazant理论模型与拉伸损伤3种不同的环向应力下,钢筋直径、保护层厚度、锈胀系数对临界锈蚀率的影响.结果表明:临界锈蚀率随钢筋直径的增大而减小,随保护层厚度、锈胀系数的增大而增大.弹性下的临界锈蚀率大于Bazant理论模型与拉伸损伤下的临界锈蚀率.最后,与Morinaga的基于试验的临界锈蚀率模型比对,验证了模型的合理性.     

不同措施对热带海洋砼结构服役寿命的影响

海工钢筋混凝土结构由于长期受到海洋盐雾大气、浪溅与潮汐、高温等环境因素作用,大量氯离子侵入混凝土中,致使结构中的钢筋严重锈蚀,从而使混凝土结构难以达到50年的设计寿命要求.本文基于修正的氯离子扩散理论与可靠度理论,通过南海实际工程来探讨一些结构措施和附加措施对海工混凝土服役寿命的影响.结果表明:增大结构的保护层厚度能有效延长结构的服役寿命.对混凝土结构施加一定的附加防护措施,也能够有效地延长混凝土结构在热带海洋环境下的服役时间.最有效的附加防护措施是采用不锈钢钢筋,但是价格太高而应用受限,比较适用的是硅烷外涂或者使用阻锈剂,但对于一维结构而言仅仅使用其中一种并不能保证结构50年的设计寿命.     

时变扩散系数对混凝土结构服役寿命的影响

基于氯离子二维扩散模型考虑混凝土氯离子扩散衰减系数及其随机性,计算了氯盐侵蚀下混凝土结构的可靠度及服役寿命。为克服传统可靠度敏感系数的缺陷,分析氯离子扩散衰减系数及其随机性对混凝土结构耐久性的影响,根据全微分公式导出了可靠度对随机变量均值和变异性的无量纲敏感系数。计算结果表明,忽略氯离子扩散系数时变性会导致显著地低估结构服役寿命,而不考虑衰减系数的随机性又会明显地高估结构耐久性能。敏感性分析结果表明,混凝土氯离子扩散衰减系数与混凝土保护层厚度对氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性的影响占主导地位,并随着服役时间的增加,衰减系数的影响会超过混凝土保护层厚度。     

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.     

盐湖地区钢筋混凝土结构使用寿命的预测模型及其应用

根据Fick扩散定律，推导出综合考虑混凝土的氯离子结合能力，氯离子扩散系数的时间依赖性和混凝土结构微缺陷影响的新扩散方程，建立了用于预测混凝土使用寿命的氯离子扩散理论模型，用暴露于青海盐湖地区的C20和C40混凝土立方体试件对理论模型进行了实验验证，用在青海盐湖地区实际运行19a的钢筋混凝土结构对理论模型进行了工程验证，结果表明，本文理论模型的预测值与实测值非常吻合，而Fick第二扩散定律与实测值明显不符，此外，运用本文理论模型预测普通钢筋混凝土电杆在盐湖地区的使用寿命仅1．2a，而抗腐蚀钢筋混凝土电杆的使用寿命能够达到50a以上。     

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...     

海工环境下预应力高强混凝土管桩使用寿命计算

针对海工环境中的预应力高强度混凝土(PHC)管桩,考虑离心分层,将其使用寿命分为诱导期和发展期.对诱导期氯离子输运进行计算,采用差分法对Fick第二定律进行解答,求解诱导期寿命,而发展期寿命采用弹性力学理论求解.计算表明,诱导期和发展期寿命与保护层厚度分别呈线性和指数变化关系,砂浆层厚度增大时,发展期寿命急剧减小,内部封闭可增大PHC管桩使用寿命3~4倍.通过对PHC管桩180d氯盐侵蚀实验,验证了诱导期计算理论的准确性.     

Cl-环境下水库低涵进口混凝土结构使用寿命研究

以鲁家港水库低涵进口水室为研究对象,利用ANSYS软件建立了水室结构模型,模拟了Cl-在水室结构中的扩散过程,开展了基于钢筋锈蚀破坏的混凝土结构使用寿命预测研究.模拟结果表明,利用ANSYS软件对混凝土结构中的Cl-扩散过程进行模拟,能很好地反映出混凝土结构中不均匀浓度场的分布情况,再结合保护层深度的临界Cl-浓度,就能准确地预测出结构的使用寿命,为其他实际工程处理类似问题时提供参考和指导作用.     

基于初始缺陷形状的混凝土结构锈胀开裂理论模型

为考虑材料初始缺陷形状的影响,将其假定为三维半椭球形.基于断裂力学理论将锈胀裂缝扩展过程划分为两个临界阶段:初始开裂阶段和完全开裂阶段,并分别对两组临界阶段进行了分析,建立了混凝土构件保护层胀裂时的锈胀力及开裂时间预测模型.为了验证所提出预测模型的正确性,分别采用已有的室内锈蚀实验、现场测试数据进行验证,计算结果吻合较好,说明本文预测模型具有一定合理性.在此基础上,对初始缺陷长度、混凝土保护层厚度、钢筋半径、相对保护层厚度等参数进行敏感性分析,结果表明增加混凝土保护层厚度和相对保护层厚度,有利于提高钢筋混凝土结构的服役性能.