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。     

基于半椭圆锈蚀模型的混凝土保护层锈胀开裂分析

钢筋锈蚀时锈蚀层的分布规律会因钢筋所处的位置不同具有差异性,为了分析非均匀锈蚀层分布的差异对混凝土保护层开裂的影响,基于钢筋锈蚀层半椭圆分布模型,对钢筋非均匀锈蚀情况下的混凝土保护层开裂过程进行了有限元分析,并与均匀锈蚀假定下的保护层开裂理论进行了对比.研究显示按照均匀锈蚀假定的计算结果与非均匀锈蚀假定具有较大误差,尤其是在边角区误差更为明显,考虑钢筋锈蚀的非均匀性更加符合实际.对影响保护层锈胀开裂的因素进行分析后发现,钢筋直径和保护层厚度对保护层锈胀开裂的影响较大,混凝土抗拉强度对保护层锈胀开裂的影响较小.     

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。     

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.     

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...     

混凝土内钢筋锈胀力发展及钢筋锈蚀速率的时变性

为了研究混凝土内钢筋的锈蚀过程及其内在机理,通过对不同锈蚀阶段钢筋与混凝土界面的细观观测,描述了锈蚀层的形成与发展过程,给出了钢筋锈胀力的分布形态,揭示了混凝土锈胀开裂过程和钢筋锈蚀速率的时变过程.结果表明:钢筋锈蚀产物的膨胀性以及钢筋-混凝土界面区的多孔性,为铁锈物向界面区孔隙内的扩散提供了条件,随着锈蚀的进行,原有的界面区逐渐演变为混凝土与铁锈物混合的锈蚀层.锈蚀层的进一步发展,不仅会导致钢筋表面界面区逐渐密实,阻碍混凝土保护层中氧气和水分向锈蚀界面的输送,使混凝土内钢筋锈蚀速率下降,而且会使锈蚀物在钢筋表面产生对混凝土的膨胀力,最后导致混凝土开裂.     

混凝土结构中钢筋锈蚀物体积膨胀率研究

采用通电加速锈蚀法对氯盐环境下钢筋混凝土结构保护层锈胀开裂时钢筋铁锈的体积膨胀率进行了研究.结果表明:采用低电流密度进行通电锈蚀时,钢筋铁锈的主要成分为Fe2O3,Fe3O4和FeO(OH),与自然锈蚀情况相似;通过推导分析得到了铁锈体积膨胀率的理论计算公式及其变化范围,表明铁锈的体积膨胀率仅与其所含各锈蚀产物的密度、膨胀率和质量分数有关.利用所建立公式对本研究及不同学者的试验数据进一步分析表明:混凝土中钢筋锈蚀后,生成铁锈的体积膨胀率在2.26~3.00之间;保护层锈胀开裂前后,钢筋铁锈的体积膨胀率对锈蚀方式不敏感,不同加速锈蚀法对混凝土试件内钢筋铁锈的体积膨胀率的影响不显著.     

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.     

方钢管钢骨混凝土中钢骨锈蚀量计算

针对混凝土中的钢骨锈蚀后,钢骨的周围产生锈胀力,随着锈蚀程度的增加,钢骨锈胀力将导致混凝土保护层开裂,影响钢骨混凝土结构耐久性的问题,应用弹性力学的方法建立了混凝土锈胀开裂时方钢管锈蚀量的计算模型,得到了钢骨锈蚀量的计算公式,并对影响钢骨锈蚀量的因素进行了分析.分析结果表明,钢骨锈蚀量随着混凝土保护层厚度、钢管内径的增加和混凝土强度等级的提高而加大,随着钢管外径和铁锈膨胀率的增加而减小.     

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。     

加速锈蚀与自然锈蚀钢筋混凝土梁受力性能比较分析

对自然锈蚀与外加电流加速锈蚀2种条件下的锈蚀钢筋及锈蚀钢筋混凝土梁进行了对比试验研究.从钢筋锈蚀特征、锈后力学性能、锈胀形态、锈蚀梁受弯性能以及破坏形态等方面进行了比较分析,并从电化学机理对2种锈蚀方式做出了阐释.结果证明,外加电流加速锈蚀法可以较好地表现锈蚀引起的结构性能劣化趋势,但由于锈蚀机理的不同,它与自然锈蚀在各个方面存在显著差异,在同等质量锈蚀率下自然锈蚀钢筋混凝土梁的极限变形能力退化更为明显,加速锈蚀钢筋混凝土梁的刚度退化更为明显.     

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.     

钢筋锈蚀后砼耐久性的模糊可靠度分析

基于钢筋锈蚀引起砼开裂机理,考虑钢筋锈胀引起砼结构失效具有明显的模糊性,将模糊概率的数学模型引入锈蚀砼结构的可靠度分析中.对砼因钢筋锈胀开裂引起的耐久性失效进行模糊可靠度分析,建立钢筋锈蚀后耐久性模糊可靠度分析模型.通过算例证明,该方法符合实际情况,可用于工程实践.     

混凝土中钢筋锈胀过程的计算机仿真分析

基于混凝土中的钢筋锈胀损伤机理,提出一种采用温度膨胀环代替锈蚀产物的模拟方法,通过温度膨胀模拟锈蚀产物的体积膨胀作用,通过膨胀环厚度的增大模拟钢筋锈蚀的发展过程,通过变化温度膨胀环的温度膨胀系数,可以考虑不同锈蚀产物的影响,通过变化膨胀环的形状可以模拟混凝土中钢筋不均匀锈蚀,为混凝土中钢筋锈胀损伤机理的研究提供了一种有效方法,对保护层厚度、钢筋半径、钢筋位置、不同间距相邻钢筋对钢筋锈胀力的影响规律进行了计算分析,计算表明,保护层厚度和钢筋半径之比上影响混凝土中钢筋锈胀力的重要因素,且相邻钢筋锈蚀的附加影响不容忽视。     

砼保护层胀裂时钢筋锈蚀量的计算模型

根据钢筋锈蚀后砼的开裂状态，以及现有胀裂锈蚀量的计算模型特点，考虑砼相对保护层厚度的影响，提出一种更符合工程实际情况的砼胀裂时钢筋锈蚀量的计算模型．经实例验证，该计算模型可行、有效，计算结果与实际情况相符合。     

混凝土中钢筋锈蚀过程非氧 扩散控制的试验研究

通过恒温干燥试验研究了钢筋锈蚀电流随混凝土孔隙饱和度PS的变化规律.通过未锈浸泡、锈蚀后浸泡、锈蚀后继续自然锈蚀的对比试验研究了3种不同条件下钢筋锈蚀速率变化过程,并进行了浸泡前后钢筋锈蚀产物物相变化的XRD分析.恒温干燥试验的研究结果表明,混凝土内钢筋的锈蚀速率随混凝土孔隙饱和度PS的增大而增大,和氧扩散速率的变化规律截然相反.对比试验研究表明,氯盐溶液长期浸泡下未锈试件即使活化也无法锈蚀,而锈蚀试件却可以继续高速锈蚀3个月以上,从而说明氧仅是混凝土内钢筋开始锈蚀的必备条件,而不是混凝土中钢筋锈蚀过程的控制因素.XRD分析表明,钢筋一旦已经开始锈蚀(即有锈蚀产物存在),锈蚀产物中FeOOH可以取代氧成为钢筋锈蚀过程阴极反应的新的去极化,即使在饱水条件下,钢筋的锈蚀仍然可以继续进行.     

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.     

钢筋非均匀锈蚀试验研究

设计了一种新的钢筋快速锈蚀试验方案,研究了钢筋非均匀锈蚀引起的混凝土保护层胀裂问题.试验现象表明,锈后试件的钢筋表面呈现明显坑蚀特点,且近保护层一侧的钢筋锈蚀更为严重;根据试验数据,利用统计回归分析的方法,给出了混凝土保护层出现可见裂缝时的钢筋锈蚀率与混凝土强度、钢筋直径及保护层厚度间的经验公式;数据分析表明,相对保护层厚度是决定混凝土开裂时钢筋锈蚀率的主要因素,而混凝土等级和钢筋直径对它的影响较小.