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.     

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...     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

钢筋混凝土保护层锈胀裂缝宽度研究Ⅰ

锈胀裂缝宽度是混凝土结构设计和耐久性评估的重要参数,基于裂缝开口部位的变形协调与混凝土的锈胀效应等特性,将裂缝宽度区分为几何位移与应力位移两部分,构建了裂缝宽度预测模型,且讨论了δ及η系数取值。为了探究不同因子对锈胀裂缝宽度的影响规律,分别进行了影响因子分析,结果表明：锈蚀产物膨胀率对锈胀裂缝的影响非常大;钢筋直径及保护层厚度对裂缝扩展宽度的影响非常小;而混凝土弹性模量的影响可近似取为零。     

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。     

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。     

再生混凝土结构钢筋临界锈蚀率的预测模型

为预测再生混凝土保护层锈胀开裂时刻的钢筋锈蚀率,根据目前再生混凝土钢筋锈蚀和锈裂行为的试验研究,借助一些合理的基本假定,采用弹性理论分析了钢筋锈蚀至保护层开裂的全过程,建立了再生混凝土结构钢筋临界锈蚀率的理论计算模型,模型中考虑了铁锈在锈胀裂缝中的填充行为和开裂混凝土的损伤。为验证模型的准确性,对15种不同配合比的再生混凝土试件进行了通电加速锈蚀试验。理论分析与试验结果对比表明,模型的预测结果是可靠的,满足工程计算精度,可用于再生混凝土结构钢筋均匀锈蚀条件下的临界锈蚀率计算和耐久性的影响因素分析。     

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。     

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.     

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.     

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.     

氯盐侵蚀下钢筋混凝土结构锈胀开裂研究综述

氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀是引发钢筋混凝土结构锈胀开裂的主要原因.总结归纳了氯盐侵蚀下的钢筋锈蚀产物分布、钢筋锈蚀引起的作用在混凝土保护层上的锈胀力,以及由锈胀力作用造成的混凝土保护层表面开裂等3个方面的研究成果.在此基础上,针对当前研究中存在的问题提出了一些建议,指出将混凝土视为均质材料的简化模型并不能准确模拟钢筋锈蚀引起的混凝土保护层锈胀开裂行为,今后的研究应着重于建立混凝土的细观分析模型.自然环境下的钢筋锈蚀产物分布形态不唯一,二维模型与实际工程中的三维构件存在较大的差异;人工气候环境引起的钢筋非均匀锈蚀与自然锈蚀间的差异尚不明确,有待进一步研究.     

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.