钢筋非均匀锈蚀及其诱发混凝土开裂研究

发布时间：2020-09-09 21:32

　　随着我国兴建的大量基础设施长期服役,钢筋锈蚀引起的混凝土结构失效问题日益显著,维护维修费用巨大。钢筋锈蚀伴有体积膨胀,使混凝土出现锈胀裂缝。由于混凝土结构特点,氯盐从混凝土不同表面传输侵蚀钢筋的路径和侵蚀速率并不相同,锈蚀产物在钢筋截面上的分布往往是非均匀的。因此,研究钢筋非均匀锈蚀特征及其诱发混凝土开裂机理,对钢筋混凝土结构的耐久性设计与评估有着重要的科学价值和工程意义。本文针对氯盐侵蚀下钢筋截面锈蚀产物非均匀分布及其诱发混凝土开裂问题,采用理论推导、力学解析、室内试验和数值模拟等研究手段,基于钢筋截面锈蚀产物半椭圆形态分布,考虑界面“空隙区”和时变锈蚀速率,推导了钢筋半椭圆锈蚀时变模型,利用复变函数,分析混凝土锈胀力分布,构建实现“连续—离散”的粘聚裂纹数值模型,分析钢筋非均匀锈蚀下混凝土锈胀开裂模式和裂缝宽度扩展过程,考虑更广泛的非均匀锈蚀情形,提出了基于冯·米塞斯分布的钢筋锈蚀模型,开展了 X射线CT扫描试验,验证该模型并使用该模型分析试验钢筋锈蚀参数,研究冯·米塞斯锈蚀模型中钢筋非均匀锈蚀系数对混凝土开裂的影响,最后,对海洋大气区混凝土梁锈胀开裂破坏模式和裂缝宽度做出预测评估。取得的主要研究成果如下:(1)推导了钢筋半椭圆锈蚀时变模型,采用复变函数方法,得到了单层混凝土圆筒下混凝土锈胀应力分布,发现钢筋半椭圆锈蚀下,随着锈蚀产物增加,混凝土内边界最大切向应力位置距最大锈蚀产物位置约为75°。(2)构建了“连续—离散”粘聚裂纹数值模型,分析了混凝土开裂位置、开裂时间和裂缝宽度扩展过程,数值模拟与试验结果有着较好的一致性,发现钢筋半椭圆锈蚀下混凝土开裂时的临界锈蚀量明显小于均匀锈蚀下的临界锈蚀量。(3)考虑更广泛的非均匀锈蚀情形,提出了基于冯·米塞斯分布的钢筋锈蚀模型,拟合验证并分析参数物理意义,指出参数λ为钢筋锈蚀程度系数,μ为最大锈蚀位置,k为钢筋非均匀锈蚀系数,k值越大,钢筋非均匀锈蚀程度越高,该模型具有参数少且物理意义明确的特点。(4)开展了钢筋混凝土试件干湿循环加速锈蚀试验和CT扫描,将结果与冯·米塞斯锈蚀模型进行拟合,指出该模型能够很好地描述由氯离子和氧扩散引起的钢筋非均匀全面锈蚀,使用该模型分析了试验钢筋锈蚀特征。(5)建立了包含骨料、水泥砂浆和界面过渡区的混凝土细观粘聚裂纹数值模型,基于冯·米塞斯锈蚀模型,分析了钢筋非均匀锈蚀系数k值对混凝土开裂的影响,发现对中部钢筋,k值越大,混凝土越接近分层破坏,对角部钢筋,k值越大,角区剥落角越小;相同锈蚀量下,k值越大,混凝土越容易开裂;k值越小,“空隙区”厚度对锈胀裂缝宽度影响越大。(6)应用钢筋非均匀锈蚀时变模型,结合构件工程环境,分析了海洋大气区多钢筋混凝土梁锈胀开裂过程,得到了混凝土梁开裂破坏的两种模式,即“整体分层”和“分层与角区剥落”破坏,发现混凝土内部裂缝贯穿与角.区剥落破坏相互影响,钢筋净间距越大,混凝土断裂能越大,内部裂缝贯穿的时间越长,角区剥落破坏容易发生;给出了考虑钢筋非均匀锈蚀的混凝土结构耐久性评估建议。本文的研究为钢筋非均匀锈蚀诱发混凝土保护层开裂时间和裂缝宽度预测提供了方法,为钢筋非均匀锈蚀特征分析提供了新的模型,所采用的CT试验设计为无损地探究钢筋非均匀锈蚀提供了参考,对钢筋混凝土结构耐久性设计、评估和维护维修有一定的指导意义,对钢筋混凝土结构可靠度评价和服役寿命预测有广泛的应用前景。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU375
【部分图文】：

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构件建设费用５倍［１】。进一步，由于混凝土保护层出现裂缝，氯离子和氧等逡逑直接通过裂缝侵蚀钢筋，混凝土结构加速失效。因此，钢筋锈蚀诱发的混凝逡逑土保护层开裂问题是引起混凝土结构失效的最主要原因之一。图１－１为钢筋逡逑锈蚀诱发混凝土保护层开裂的实例。其中，图ｌ－ｌ（ａ）和图ｌ－ｌ（ｂ）是建成于１９５１逡逑年的水利大坝，由于服役环境湿度较大，并受到海洋气候的影响（据海岸线逡逑约５０邋ｋｍ），坝体钢筋混凝土结构长期服役以来历经多次耐久性维修。图丨－１（ｃ）逡逑为建于２０世纪９０年代末期的滨海城市建筑，建筑护栏保护层形成剥落裂缝。逡逑＿．仩逡逑（ａ）大坝护栏逦（ｂ）大坝墙体逦（ｃ）建筑护栏逡逑图１－１钢筋锈蚀诱发混凝土保护层开裂实例逡逑使用寿命是钢筋混凝土结构耐久性问题的一个重要指标，预计混凝土结逡逑构的使用寿命是结构全寿命设计和既有结构评估的重点任务。根据钢筋混凝逡逑土结构的服役环境和退化失效过程，结构使用寿命可以划分为：混凝土碳化逡逑使用寿命、氯盐侵蚀钢筋脱钝使用寿命、混凝土锈胀开裂使用寿命和混凝土逡逑－２邋－逡逑

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１．２．２钢筋锈蚀诱发混凝土开裂研究逡逑钢筋锈蚀产生的锈蚀产物成分是复杂的，其体积一般为腐蚀掉钢筋体积逡逑的２？６倍［５２］。如图１－３所示，膨胀的锈蚀产物不断累积，对混凝土产生锈胀逡逑作用，当锈胀力超过混凝土抗拉强度时，锈胀裂缝出现，随着锈蚀产物的增逡逑力口，裂缝宽度增加，并可能产生多条裂缝导致混凝土保护层发生剥落、分层逡逑破坏。多年来，国内外学者采用试验和解析模型方法开展了大量研宄，分析逡逑混凝土开裂临界特征（临界锈蚀量、开裂时间、钢筋锈蚀率等），建立了预测逡逑混凝土开裂的多种模型。逡逑图１－３钢筋锈蚀诱发混凝土保护层开裂过程逡逑混凝土表面一旦出现裂缝，外界氯盐容易通过裂缝进入混凝土内部，加逡逑速钢筋腐蚀。因此，混凝土锈胀^u裂时间是结构寿命预测的重要指标。需要逡逑说明的是，在试验中观测裂缝时，不同的观测手段所能观测到的初始宽度是逡逑不同的。为保持一致性

【参考文献】