钢筋混凝土结构开裂时刻的钢筋锈胀力模型
基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂探讨
基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂探讨摘要：本文基于钢筋均匀锈蚀时混凝土的开裂实验现象建立了混凝土保护层开裂的计算模型，考虑了混凝土和钢筋的实际变形情况以及混凝土界面中的原始裂纹与缺陷，裂纹在钢筋锈蚀膨胀作用下的起裂、扩展情况，利用断裂力学和弹性力学得到了混凝土保护层开裂时钢筋膨胀力和均匀锈蚀率的理论预测模型。
分析了影响钢筋锈胀开裂的诸多因素，认为混凝土保护层厚度的增加、混凝土材料界面相的加强、混凝土断裂韧度的提高和钢筋直径的变小都有利于钢筋混凝土耐久性的提升。
关键词：混凝土保护层；钢筋锈蚀率；断裂力学；弹性力学；锈胀开裂中图分类号：tu37文献标识码：a文章编号：1 研究背景钢筋混凝土结构的耐久性失效最主要的表现形式为钢筋锈蚀引起的结构破坏。
在美国，因各种锈蚀造成的损失为700多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占40%。
钢筋锈蚀后其锈蚀产物的体积是原有体积的2-4倍，对钢筋周围的混凝土产生挤压，随着钢筋锈蚀程度的加剧，混凝土保护层受拉开裂。
保护层一旦开裂将会加速钢筋的锈蚀，进一步加剧裂缝的扩展导致结构破坏，严重影响混凝土结构的耐久性，因此研究钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂具有重要的工程实际意义。
现有的模型多以混凝土抗拉强度作为保护层开裂判断条件，很少考虑混凝土保护层中存在的初始裂纹和初始缺陷。
实际上，受干缩、温度等因素的影响，在承受荷载之前混凝土内部，特别是骨料和水泥砂浆界面上就存在着初始裂纹。
对于混凝土的开裂，断裂力学是一种有效工具。
国内曾尝试利用无限介质中的孔边双裂纹模型来预测钢筋锈蚀的膨胀力,但其裂纹构型和混凝土基体无限介质假设与实际保护层尺寸和锈胀开裂试验现象之间还存有差别。
本文以均匀锈胀开裂试验现象为依据根据保护层有限体中的应力分布和最终裂缝状态利用断裂力学和弹性理论建立混凝土保护层锈胀开裂时刻的锈胀力和临界锈蚀率预测模型。
2 模型的建立2.1 混凝土锈胀开裂的断裂模型研究海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀的物理模型时指出:当钢筋间距较大时,混凝土保护层沿顺钢筋方向胀裂；当保护层厚度较大时，混凝土保护层沿着平行于钢筋层面方向开裂。
混凝土中钢筋锈蚀速率的时变模型
ＮＯＶ ２ ０ ． ０１
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｉｓ ． ０ １—０ ０ ． ０ ０ ０ ． ３ ｏ ： ０ ３ ６ ￣．ｓｎ １ ０ ５５ ２ １ 率 的 时 变 模 型
耿 欧 袁 迎 曙 蒋 建 华 鲁 彩 凤 张风 杰
（ 中 国矿 业 大 学 深 部 岩 土 力 学 与 地 下 工 程 国家 重 点 实 验 室 ， 州 ２ １ １ ） 徐 ２ １６ （ 中 国矿 业 大学 力 学 与 建 筑 工 程 学 院 ， 州 ２ １１ ） 。 徐 ２ ｌ６
混凝土中钢筋不均匀锈胀的模拟试验研究
第38卷第6期2012年12月四川建筑科学研究Sichuan Building Science收稿日期：2011-06-21作者简介：郑靖靖（1986－），女，山西太原人，硕士研究生，研究方向：混凝土耐久性。
基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（50808173）E －mail ：ldyldg@163．com混凝土中钢筋不均匀锈胀的模拟试验研究郑靖靖，耿欧，高飞剑，李德宝（中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221008）摘要：通过钢筋开槽并施加油压的方式模拟混凝土中钢筋不均匀锈胀效应，得到了混凝土表面产生顺筋裂缝时所对应的油压值（近似锈胀力）及沿试件长度的裂缝宽度分布规律，为今后进一步研究和探寻混凝土中非均匀锈胀力分布及锈胀裂缝宽度发展规律提供了基础。
关键词：混凝土；钢筋锈蚀；不均匀锈胀力；顺筋裂缝中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1008－1933（2012）06－093－03Simulation experiment of uneven expansion of corroded reinforcement in concreteZHENG Jingjing ，GENG Ou ，GAO Feijian ，LI Debao（School of Mechanics and Civil Engineering ，China University of Mining and Technology ，Xuzhou 221008，China ）Abstract ：This paper simulates the steel bar's uneven corroded expansive effect in concrete ，through the way of steel slotting and hydraulic fracturing ，obtaining the hydraulic value （similar as the corroded expansive force ）when steel cracks occurring on the concrete surface and distribution law of crack width along the length of the specimen．This may offers a foundation to further researching and exploring the uneven corroded expansive force's distribution and the corroded expansive crack width's development law on concrete．Key words ：concrete ；steel corrosion ；non-uniform expansion force ；longitudinal cracks0引言混凝土内钢筋锈胀引起的混凝土保护层开裂是造成钢筋混凝土结构耐久性失效的最主要原因之一［1-4］，使混凝土保护层出现顺筋裂缝的钢筋锈胀力大小的确定是钢筋混凝土结构耐久性研究中的重点问题之一［5］。
混凝土保护层胀裂时刻钢筋锈蚀深度的理论模型_张英姿
因钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂通常被 着钢筋混凝土结构的服役年限。研究表明，钢筋锈
认为是钢筋混凝土构件达到正常使用极限状态的 蚀以及钢筋与混凝土粘结强度的降低是钢筋混凝
标志之一。故在评估钢筋混凝土结构安全性时，钢 土结构提前破坏的主要原因。
筋锈蚀引起的钢筋和混凝土之间粘结性能降低甚
Rc2 r2
⎞ ⎟ ⎠
(9)
位移为：
ue
=
(1 +ν c )Ri2 pi Eef (Rc2 − Ri2 )
⎡ ⎢ ⎣
Rc2 r
+ (1−
⎤ 2ν c )r ⎥
⎦
(10)
式中：ν c 为混凝土的泊松比； Eef 为混凝土的有效
模量，Eef = Ec /(1 + φ) ，这里 Ec 为混凝土的弹性模
∗范颖芳(1972―)，女，河南开封人，教授，博士，博导，从事混凝土结构耐久性研究、安全性评价和维修加固工作 (E-mail: fanyf72@)； 赵颖华(1954―)，女，辽宁沈阳人，教授，博士，博导，主要从事材料宏、细观损伤力学、桥梁结构设计理论等研究
(E-mail: yhzhao@).
ux = R r −R d
(5)
将式(3)、式(4)代入式(5)，可得钢筋锈蚀产物引起
混凝土的径向位移：
ux
=
(n
−1)(2R 0 x − x2 ) − d (2R 0 +d ) Ri +R 0+d
(6)
124
工程力学
1.2 受锈胀力作用的混凝土变形模型 将含有锈蚀钢筋的混凝土假设为厚壁圆柱体，
当混凝土圆柱体无裂缝时，将混凝土视为各项同性 弹性材料，符合弹性力学理论；而当含有部分裂缝
混凝土中钢筋不均匀锈胀的数值模拟及锈蚀产物量的预测_夏宁
015 、017 时钢筋的锈蚀轮廓线 (图 2) 。图 2 清晰地展示了钢筋表面发生不
均匀锈蚀时 ,锈蚀范围逐步扩大到整个钢筋表面的过程 ,且 a 越大 ,钢筋 表面的锈层厚度越厚 。
图 1 钢筋不均匀锈蚀的 动态轮廓线模型
图 2 钢筋表面锈蚀轮廓线
2 混凝土中钢筋不均匀锈胀的数值模拟
锈蚀产物的体积膨胀使钢筋周围的混凝土产生相应的变形 。假设锈蚀产物仅沿钢筋断面的径向发
层厚度系数 ,得到了不同锈蚀程度的钢筋作用于孔洞周围混凝土的锈胀位移 ,用有限元软件 ANSYS810 模拟了锈胀
过程 ,得到了锈胀裂缝扩展到混凝土表面时的临界锈层厚度系数 , 在此基础上推导了胀裂时锈蚀产物量的预测公
式 。通过试验数据对本文提出的方法进行了验证 ,结果表明锈胀开裂的数值模拟和胀裂时锈蚀产物量的预测结果
的钢筋表面与周围混凝土的黏结良好 ,不发生相对位移 ,节点处作固支处理 ,由此来模拟钢筋表面的锈
蚀产物对周边混凝土的作用 。离散化的数值模型采用 ANSYS810 中具有开裂功能的 SOLID65 单元 。为
便于分析 ,不考虑钢筋变形 、锈蚀产物的体积压缩 、荷载作用及其它环境作用的影响 。
由小到大变化锈层厚度系数 a 的取值 ,得到若干组逐渐增大的锈胀位移 ,分别如上所述施加在数
由表 3 、图 3 的算例分析结果可以得出以下结论 : (1) 由
图 3 可见 ,当锈蚀产物量达到临界值时 ,钢筋顶部裂缝扩展 到其正上方的混凝土表面 ,形成了沿钢筋的通长裂缝 ,这与
图 3 试件 OA285916 混凝土保护层 胀裂时的裂纹扩展
文献 [ 4 ] 试验中观察到的现象相吻合 ,说明本文提出的基于
— 71 —
值模型上 ,观察在每组位移作用下混凝土保护层内裂缝的开展程度和规律 。当保护层内的裂缝由钢筋 周边扩展到混凝土表面 ,说明此时混凝土表面已出现了可见裂缝 ,此时的 a 值即为导致保护层胀裂的 临界锈层厚度系数 acrit 。
钢筋锈胀作用下混凝土的抗压强度退化模型
引言混凝土的抗压强度是混凝土的主要特性之一，除去原材料等因素，混凝土内钢筋锈蚀也会对抗压强度产生影响[1]。
目前国内地铁均采用直流牵引供电系统，会有部分以直流电为主的电流由走行轨处泄露，这类电流方向杂乱，被称为杂散电流[2]。
处于杂散电流环境下的钢筋会发生电化学腐蚀，在混凝土内产生钢筋-混凝土界面锈胀应力，随着锈胀应力的增长，混凝土保护层受拉开裂[3]。
当前对于杂散电流加速钢筋锈蚀的研究主要集中在混凝土开裂时的临界锈胀应力与开裂时间[4]，也有学者在混凝土内安置钢筋并外接直流电流，进行混凝土中钢筋受杂散电流腐蚀对其强度影响的试验研究[5-6]，但试验得到的抗压强度是钢筋与混凝土的整体强度，同时缺少相应的理论研究。
基于以上背景，本文从理论角度分析杂散电流腐蚀钢筋对混凝土抗压强度的影响，利用Faraday电解定律、弹性力学厚壁筒应力理论以及混凝土二轴强度破坏准则，建立了杂散电流加速钢筋锈蚀条件下的混凝土抗压强度预测公式。
1、混凝土内钢筋锈胀力的产生钢筋在杂散电流作用下的腐蚀本质上是电化学腐蚀，活性状态的铁转化为铁离子，继而形成腐蚀产物[7]。
锈蚀量与电流强度和通电时间的关系见式（1）。
表 1 不同锈蚀产物的μ取值2、混凝土内锈胀力的大小假定钢筋锈蚀为均匀锈蚀过程，利用损伤力学和弹性力学理论，将混凝土保护层简化为仅内部受压、外边界给定位移约束的厚壁圆筒，圆筒厚度等于混凝土保护层厚度，分析模型如图1所示[13]。
图1中，δc为混凝土与铁锈交界面处的径向位移，δr为铁锈在界面处的径向位移，钢筋锈蚀自由膨胀后原始直径为d1，dρ为钢筋未锈蚀直径。
图 1 钢筋锈蚀时钢筋与混凝土的协调变形计算图3、杂散电流环境下钢筋锈胀混凝土抗压强度退化模型3.1 钢筋锈胀混凝土应力分析将混凝土保护层简化为受到内压力作用的管壁[16]，如图2所示，在锈胀力的作用下，环形管壁截面上产生拉应力σφ，管壁径向产生压应力σρ，并且混凝土与铁锈交接面处σφ、σρ最大。
钢筋混凝土锈蚀膨胀力的数值模拟研究
匀的 ，因此钢 筋锈 蚀膨 胀过程 可按 平面 应变 问题 处理 分析 ， 用直径 相 同的孔洞 来 代表钢 筋 ， 以便 实现 位移 的
ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｂ ａ ｒ ｓ ｉ ｎ ｒ ｅ ｉ ｆｏ ｎ ｒ ｃ ｅ ｄ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ．ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ ｉ Ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｎ ｕ ｍ ｅ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ
混 凝土 和钢 筋交 界面 上产生 压力 ，称 为钢筋 锈蚀膨 胀 力， 严重 时会 因混 凝土 主拉 应 力过 大而 开裂 ， 因此研 究
钢 筋锈 蚀对 混凝 土内应 力分 布 的影响 有重要 意义 。
有 限 元法广 泛应 用于混 凝土 应力场 分析 。文献 １ ～ 加 径 向位移 。本 文采用施 加径 向位 移 的方法 对混 凝 土 更 ３ 采 用有 限 元方 法 分析 了钢 筋 锈 蚀 引起 的 值 模拟 ， 过程 ， 取扩 孔试验 中一典 型模 型 ， 应用 有限 元程序对 试 接近真 实情 况 。文 中假 设沿 轴 向钢 筋 的锈蚀 膨 胀是 均
ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｒ ｕ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｂ ａ ｒ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ ｗ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｌ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｉ ｓ
锈蚀钢筋的力学性能退化模型
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开裂状态下锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的研究
开裂状态下锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的研究摘要:通过电化学腐蚀的方法进行了开裂状态下锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的试验研究。
根据试验数据，拟合出了裂缝宽度对钢筋混凝土梁抗弯刚度影响系数的计算公式。
还给出了锈蚀钢筋混凝土梁短期刚度的表达式。
其结果有益于完善和发展锈蚀钢筋混凝土梁的计算方法。
关键词：钢筋混凝土梁，裂缝，锈蚀，刚度，刚度影响系数Abstract: through the electrochemical corrosion methods of cracking under the state of corroded reinforced concrete beam bending stiffness of the experimental research. According to the test data, fitting out of the crack width of reinforced concrete beam bending stiffness effect coefficient calculation formula. Back to out of corroded reinforced concrete beam and the expression of the short-term stiffness. The results are beneficial to the development and perfection of corroded reinforced concrete beam calculation method.Keywords: reinforced concrete beams, cracks, corrosion, rigidity, stiffness influence coefficients引言钢筋混凝土梁是钢筋混凝土结构中的重要受力构件，研究钢筋混凝土梁中的钢筋锈蚀以后对其各项性能的影响，是钢筋混凝土耐久性研究中十分重要的问题。
混凝土结构钢筋锈胀数值模拟
混凝土结构钢筋锈胀数值模拟萧澎伟;易宁【摘要】通过对混凝土梁在钢筋锈蚀膨胀作用下的开裂全过程进行模拟,得到混凝土梁在钢筋均匀锈蚀膨胀和非均匀锈蚀膨胀情况下的裂缝产生和发展的情况,分析了保护层胀裂时的钢筋膨胀率的影响因素,其中包括混凝土保护层的厚度、钢筋直径、混凝土的强度等级.通过比较试验数据与前人研究成果,结果都体现了相同的钢筋锈胀规律.在此基础上,提出结构耐久性的影响因素并指导结构耐久性设计.%A FE analysis model was made to simulate the whole process of cracking in RC beam due to the expansion of corroded reinforcement.The initiation and development process of cracking due to even and uneven expansion of corroded reinforcement were obtained,and the factors affecting the expansion rate at the time of cracking in the concrete cover were analyzed,including the thickness of concrete cover,rebar diameter and the concrete strength grade.The comparison of the experimental data with the previous research results indicated the same laws of corroded expansion.On this basis,the factors of structure durability and guided the design of structural durability were proposed.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】7页(P45-50,56)【关键词】钢筋锈蚀;裂缝扩展;耐久性;保护层;模拟【作者】萧澎伟;易宁【作者单位】中交四航工程研究院有限公司,广东广州510230;水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室,广东广州510230;广东省建筑科学研究院集团股份有限公司,广东广州510500【正文语种】中文【中图分类】U654钢筋混凝土钢筋锈蚀膨胀引起的结构破坏是当今混凝土耐久性的主要难题[1]。
疲劳腐蚀耦合作用下的钢筋混凝土构件裂缝扩展模型
疲劳腐蚀耦合作用下的钢筋混凝土构件裂缝扩展模型下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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钢筋混凝土结构开裂时刻的钢筋锈胀力模型
416
浙 江 大 学 学 报 ( 工学版) 2000 年
件在该组试件中的序号Λ 试验试件的尺寸为 100 mm ×100 mm ×400 mm Λ 1. 2 试验材料及力学性能 ( 1) 水泥: 采用浙江之江水泥厂普通硅酸盐水泥 425 号与 525 号, 各项指标均达到国家标准Λ
抗压
27. 2 27. 8 28. 7 27. 9
抗拉
2. 50 2. 57 2. 39 2. 48
抗压
33. 1 31. 7 33. 2 32. 7
抗拉
3. 32 3. 55 3. 42 3. 43
1. 3 试验设备 ( 1) 晶体管直流稳压电源Λ 它的额定电压为 30 V , 额定电流为 10 A , 共有三组输入输出, 可同
第 34 卷第 4 期 2000 年 7 月
Jou rna l of Zhejiang U n iversity (Engineering Science)
浙 江 大 学 学 报 ( 工学版)
Vol . 34 № . 4 J u ly 2000
文章编号: 10082973X ( 2000) 0420415208
裂缝宽度 mm
0. 17 0. 21 0. 23 0. 22 0. 18 0. 15 0. 20 0. 19
锈蚀前质量 g
146. 2 145. 1 145. 7 584. 6 582. 1 579. 3 913. 9 913. 7
锈蚀后质量 g
129. 2 133. 7 134. 6 563. 2 565. 5 546. 2 886. 9 893. 8
表 1 混凝土的配合比
T ab. 1 M ix tu re ra tio of concrete kg C 35 ( 525# ) 405 554 1 292 200
17-项贻强——钢筋混凝土梁开裂面的力学性能和数值模拟
水利学报年月SHUILI XUEBAO 第卷第期文章编号：钢筋混凝土梁开裂面的力学性能和数值模拟唐国斌1、2 项贻强1(1.浙江大学土木工程系，浙江杭州 310058； 2. 河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州，450006）摘 要：基于混凝土材料细观层次的研究，对钢筋混凝土梁的开裂面的力学性能进行分析和数值模拟。
通过引入开裂面法向和切向的应力—应变关系假定，模拟裂缝出现后开裂面由于骨料咬合和微裂缝嵌入的互制作用；通过采用弹性地基梁理论，分析钢筋销栓作用对开裂面应力传递的影响；在此基础上，基于开裂区应变分解思想，采用等效连续模型将开裂面和裂缝间混凝土统一，将裂缝的影响隐含在等效的本构模型及相关参数中，并给出了开裂单元的屈服准则、加卸载准则及增量型有限元中本构矩阵的数值计算方法。
与典型结构的试验结果比较验证本文数值模型的合理性和有效性。
关键词：钢筋混凝土；开裂；非线性；骨料咬合；销栓作用中图分类号：U448.35文献标识码：A1 引言带裂缝工作是钢筋混凝土结构受力的一个重要特征，裂缝的出现是混凝土具有非均质性及各向异性的一个重要因素。
传统的混凝土有限元分析中，常用的裂缝模型包括分离裂缝模型或弥散裂缝模型。
分离裂缝模型将裂缝的两侧按分离的几何边界进行处理，裂缝的力学行为和状态由缝面边界条件表征。
Ngo和Scordelis最早将该模型用于混凝土开裂的非线性分析[1]。
弥散裂缝模型以分布的裂缝来替代单独的裂缝，认为裂缝是均匀分布于整个单元内部的，是微小的，彼此平行、连续的。
该模型保持了结构位移场连续的假定，使得有限元数值方法中只需引入材料开裂本构模型，即可模拟脆性材料的开裂过程。
混凝土裂缝的研究中，非线性断裂力学发挥了关键作用[2]，作为分离裂缝模型的发展，Hillerborg等提出了虚拟裂缝模型，通过引入断裂过程区裂缝扩展的缝面软化模型，模拟混凝土中开裂过程[3]。
Bažant和Oh提出的钝裂缝带模型则进一步发展了弥散裂缝模型，通过引入裂缝带的概念，将断裂能弥散于裂缝带宽度范围内，并将断裂能作为混凝土材料的一个基本力学参数，通过调整应力—应变软化曲线以适应不同的离散网格[4]。
钢筋混凝土结构锈胀问题分析及对策探讨
钢筋混凝土结构锈胀问题分析及对策探讨钢筋商品混凝土结构锈胀问题分析及对策探讨陈学民（济南铁路局工务处，山东济南250001）内容摘要：本文从钢筋锈蚀对钢筋商品混凝土结构性能的影响、钢筋锈蚀的成因、锈蚀程度的评定、锈蚀病害的防治等方面进行了探讨，为钢筋商品混凝土结构的设计、施工、维护管理提供参考。
关键词：钢筋锈蚀影响成因对策1.概述商品混凝土自问世就被称为人造石，人们认为它能像石材那样的坚固耐久。
但是，由于商品混凝土结构钢筋保护层太薄，商品混凝土的密实性太差，加上长期处于露天环境下使得钢筋锈蚀、商品混凝土开裂，造成结构的耐久性不足而提前失效。
美国有研究显示，由于钢筋锈蚀，造成过早的维修加固和停运损失费用约为结构初始造价的5倍。
虽然大多数商品混凝土结构的设计寿命在50年甚至100年以上，但是相当一部分商品混凝土结构在3～5年内即开始出现局部开裂、剥落、钢筋锈蚀等破坏现象。
钢筋锈蚀引起的结构过早破坏是商品混凝土结构最为突出的一大灾难，在影响钢筋商品混凝土结构性能的诸多因素中，钢筋腐蚀名列前茅0。
商品混凝土中的钢筋一旦具备了腐蚀条件，锈蚀便会发生和发展。
锈蚀造成钢筋断面受损，降低钢筋自身的力学性能，特别对处于高应力状态下的高强预应力钢筋，腐蚀敏感性更高，对工程结构的安全性、耐久性造成恶劣影响，可能发生突然断裂和造成严重事故。
因此，商品混凝土结构钢筋锈蚀问题是一个十分重要而迫切需要加以解决的问题，它既有服务于现役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的重要作用。
2.锈胀成因分析2.1影响因素:商品混凝土密实度、保护层厚度、周围介质环境、商品混凝土的液相组成（pH值、氯离子含量）、等。
其中氯离子含量对钢筋锈蚀的影响最大。
因为氯盐是一种强电解质，既能与钢材直接发生化学腐蚀，又极易形成电化学腐蚀。
氯盐一方面来自商品混凝土原材料，如拌和水、海砂、防冰盐、盐雾及氯盐（或含氯盐）外加剂等；另一方面来自使用环境，我国有相当多地下含氯盐环境，除沿海地区外，还有盐碱地、盐湖地区及盐污染的工业环境等。
钢筋混凝土的模型
钢筋混凝土的模型商品混凝土裂缝能和张拉应力、主要裂缝宽度的新关系，经通过考虑微裂缝强度或者商品混凝土的软化得到了发展。
线性乘幂和指数函数的数学模型已经用来描述张拉力的下降图标。
一种非线性有限单元模型已经发展，是一种使用分裂叠加的方法。
这种方法说明确定了其无知和结构范围内的模型促进了预应力商品混凝土和钢筋商品混凝土的分析。
预应力商品混凝土板和组合连续梁在弹性和非弹性的范围内在偏心荷载的作用下与裂缝能结合的模型预测，这两种结合在理论和实验结果得到了较好的吻合。
在最终的评价中，商品混凝土和金属裂缝的原因也比较过了，这两种极其不同的物质在非弹性的条件下是能够建立较好的相互作用的。
前言裂缝构造学是在裂缝周围和端部的条件下对其物质形式的一种研究。
裂缝构造学的应用也打开了组合材料模型的新领域，而在过去常常是以经验来确定模型的。
组合材料像商品混凝土是由不同材料不同形状和大小的颗粒经过复杂排列而形成的。
这些小颗粒也是相互作用的，并在微裂缝开始之前就集中起来了。
大块颗粒是由不同大小、级配、粗糙度的集合体。
在荷载的作用下对商品混凝土的影响是比较大的。
此外，集中应力普遍存在于不规则的物质基质中；这将导致微裂缝的出现，同时随着裂缝依次连续的增长这将导致结构的破坏。
商品混凝土在张力的作用下的破坏是由于最初的裂缝和裂缝在整个或部分构件中不断增长这一问题所引起的。
裂缝是可以通过物质的张力特性来控制。
在传统上，也已经采用强度参数来表示裂缝了。
尤其是商品混凝土的拉应力和压应力，这些参数用于来定位张力在主要应力空间的停止状态。
当组合体的主要应力违背了这些条件，裂缝就开始出现了。
许多破坏的标准已经由Kupfer和Hilsdorf(1969)还有Kupfer和Gerstle(1973)在这些参数的基础上得到了很大的发展。
这些研究的目的是检验在裂缝模型过程中不同参数的使用和加强裂缝的处理，就像裂缝构造学和钢筋商品混凝土的管理参数一样。
作者认为在物质的本质特性上建立裂缝方法的原理是可行的，而不是考虑不同物质的本来特性。
基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂探讨
基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂探讨摘要：本文基于钢筋均匀锈蚀时混凝土的开裂实验现象建立了混凝土保护层开裂的计算模型，考虑了混凝土和钢筋的实际变形情况以及混凝土界面中的原始裂纹与缺陷，裂纹在钢筋锈蚀膨胀作用下的起裂、扩展情况，利用断裂力学和弹性力学得到了混凝土保护层开裂时钢筋膨胀力和均匀锈蚀率的理论预测模型。
分析了影响钢筋锈胀开裂的诸多因素，认为混凝土保护层厚度的增加、混凝土材料界面相的加强、混凝土断裂韧度的提高和钢筋直径的变小都有利于钢筋混凝土耐久性的提升。
关键词：混凝土保护层；钢筋锈蚀率；断裂力学；弹性力学；锈胀开裂1 研究背景钢筋混凝土结构的耐久性失效最主要的表现形式为钢筋锈蚀引起的结构破坏。
在美国，因各种锈蚀造成的损失为700多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占40%。
钢筋锈蚀后其锈蚀产物的体积是原有体积的2-4倍，对钢筋周围的混凝土产生挤压，随着钢筋锈蚀程度的加剧，混凝土保护层受拉开裂。
保护层一旦开裂将会加速钢筋的锈蚀，进一步加剧裂缝的扩展导致结构破坏，严重影响混凝土结构的耐久性，因此研究钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂具有重要的工程实际意义。
现有的模型多以混凝土抗拉强度作为保护层开裂判断条件，很少考虑混凝土保护层中存在的初始裂纹和初始缺陷。
实际上，受干缩、温度等因素的影响，在承受荷载之前混凝土内部，特别是骨料和水泥砂浆界面上就存在着初始裂纹。
对于混凝土的开裂，断裂力学是一种有效工具。
国内曾尝试利用无限介质中的孔边双裂纹模型来预测钢筋锈蚀的膨胀力,但其裂纹构型和混凝土基体无限介质假设与实际保护层尺寸和锈胀开裂试验现象之间还存有差别。
本文以均匀锈胀开裂试验现象为依据根据保护层有限体中的应力分布和最终裂缝状态利用断裂力学和弹性理论建立混凝土保护层锈胀开裂时刻的锈胀力和临界锈蚀率预测模型。
2 模型的建立2.1 混凝土锈胀开裂的断裂模型研究海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀的物理模型时指出:当钢筋间距较大时,混凝土保护层沿顺钢筋方向胀裂；当保护层厚度较大时，混凝土保护层沿着平行于钢筋层面方向开裂。
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表 2 混凝土试件的力学性能
T ab. 2 M echan ics behavio r of concrete sp eci m en s
试块 抗压 试块 1 试块 2 试块 3 平均
17. 4 17. 1 16. 3 16. 93C 15C 25
C 35
抗拉
2. 11 1. 88 1. 97 1. 98
的钢筋段Λ ( 2) 钢筋除绣Λ 钢筋用 12% 盐酸溶液进行酸洗, 经清水漂净后, 用石灰水中和, 并再用清水冲洗 干净, 擦干后在干燥器中至少存放 4 h, 然后用天平称取每根钢筋的初重, 存放在干燥器中备用Λ ( 3) 钢筋处理及定位Λ 制备试件前在钢筋的两端各打磨 20 mm , 然后焊上电线, 线长 0. 5 m , 焊 接处用环氧树脂包裹, 然后套上定位板放入试模, 以避免在浇捣混凝土时产生移动Λ 为防止试模上 的隔离剂沾污钢筋, 定位板应紧贴试模的两个端板Λ 钢筋在安放完毕后用丙酮擦净其表面Λ ( 4) 混凝土试件制作Λ 在 100 mm ×100 mm ×400 mm 的棱柱体钢模中浇捣混凝土, 同期制作 三块标准试块以测定其抗压强度Λ ( 5) 试件处理Λ待试件标准养护 28 天后, 进行试件编号、 拆模及拆除两端头的定位板, 然后用环 氧树脂密封外露钢筋端头Λ
( 2) 石子: 采用当地卵石, 最大粒径为 10 mm Λ ( 3) 砂: 采用钱塘江河砂Λ ( 4) 混凝土配合比如表 1 所示Λ ( 5) 混凝土试件 28 天抗压、 抗拉强度 ( 单位:M Pa ) 如表 2 所示Λ ( 6) 5 8 光圆钢筋, 5 16、 5 20 螺纹钢筋, 钢筋的下料长度为 ( 395±5) mm Λ
锈蚀后质量 g
892 892. 8 893. 6 884. 5 129. 5 130. 7 127. 4 564. 1 558. 2 564. 7 558. 9 559. 2 566. 0 883. 5 892. 7 878. 6 131. 7 127. 6 129. 7
时进行三组试验Λ ( 2) 钢筋定位板Λ 由木质五合板锯尺寸为 100 mm ×100 mm , 板上钻有穿插钢筋的圆孔Λ ( 3) 天平Λ 称量 1 kg, 感量 0. 1 g Λ ( 4) 不锈钢板, 充当阴极Λ
( 5) 硬塑料盆, 充当试验槽Λ 1. 4 试验步骤 ( 1) 选取钢筋, 要求其表面不得有锈坑及其它严重缺陷, 然后按要求长度在切割机上切割所需
12% 的盐酸溶液进行酸洗, 经清水漂净后, 用石灰水中和, 最后再以清水冲洗钢筋Λ 由于个别试件两
个端头的环氧树脂随着锈蚀的进行会产生破坏, 导致钢筋在两个端头锈蚀特别严重, 加上试验前在 钢筋的两个端头进行打磨处理使得截面面积不均匀, 所以若简单地以钢筋锈蚀前后的重量差计算 它的锈蚀率是不准确的Λ 因此本试验在钢筋除锈后, 把两个端头明显不均匀的地方切割掉, 然后在 干燥器中至少存放 4h, 再用分析天平称重Λ 1. 5 试验结果 1. 5. 1 试件的破坏形态 当试验开始, 在钢筋中通入直流电后, 钢筋开始锈蚀Λ 当钢筋锈蚀到一定 ( 程度时, 试件都因钢筋的锈胀作用而开裂 试件 A C 21 与 CB 13 由于端头环氧树脂过早破坏, 使得 锈蚀集中在两个端头而影响中间部位的锈蚀, 为此停止试验, 重新封上环氧树脂后再重新开始) , 不 过出现裂缝的时间与混凝土等级、 保护层厚度、 钢筋直径有关, 从几天到十几天不等Λ裂缝均是平行 钢筋方向, 有的贯通整个试件, 有的不连续, 裂缝宽 度基本一致Λ试件在开裂后, 在裂缝处与试件端部不 断有棕红色或黑绿色的锈蚀产物渗出Λ 裂缝宽度随 着通电时间的增加而扩大, 当裂缝宽度达到约 0. 2 mm 时, 停止试验, 从开裂到停止试验时间相对较 短, 这主要是由于开裂后锈蚀加剧Λ典型的裂缝扩展 图见图 2Λ 1. 5. 2 实验数据 试件的裂缝宽度及钢筋锈蚀率见表 3Λ
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件在该组试件中的序号Λ 试验试件的尺寸为 100 mm ×100 mm ×400 mm Λ 1. 2 试验材料及力学性能 ( 1) 水泥: 采用浙江之江水泥厂普通硅酸盐水泥 425 号与 525 号, 各项指标均达到国家标准Λ
钢筋混凝土结构开裂时刻的钢筋锈胀力模型
李海波1 , 鄢 飞1 , 赵羽习1 , 金伟良1 , 王锡通2
( 1. 浙江大学 土木工程学系, 浙江 杭州 310027; 2. 浙江省湖州市公路管理处, 浙江 湖州 313000)
摘 要: 用快速锈蚀实验的方法研究了混凝土试件在出现顺筋裂缝时刻的钢筋锈蚀率与钢筋直径、 混凝 土等级与保护层厚度之间的定量关系, 并通过有限元分析计算得到了锈胀裂缝扩展到保护层表面时的 锈胀力, 提出了混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈胀力的力学模型, 这将对钢筋混凝土结构的耐久性分析 与设计是大有裨益的Λ 关键词: 钢筋锈胀力; 钢筋混凝土; 耐久性; 力学模型 中图分类号: TU 375. 5 文献标识码: A
锈蚀率 %
11. 63 7. 86 7. 62 3. 66 2. 85 5. 71 2. 95 2. 18
平均值
9. 04
4. 07
2. 30
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接上表 试件号
A C 33 BB 31 BB 32 BB 33 BC 11 BC 12 BC 13 BA 21 BA 22 BA 23 CC 21 CC 22 CC 23 CA 31 CA 32 CA 33 CB 11 CB 12 CB 13
第 34 卷第 4 期 2000 年 7 月
Jou rna l of Zhejiang U n iversity (Engineering Science)
浙 江 大 学 学 报 ( 工学版)
Vol . 34 № . 4 J u ly 2000
文章编号: 10082973X ( 2000) 0420415208
图 2 CB 21 裂缝扩展图
F ig. 2 C rack of sp eci m en CB 21
表 3 试件的裂缝宽度及钢筋锈蚀率
T ab. 3 C rack w idth of sp eci m en s and reinfo rcem en t co rro sion ra tio
试件号
AA 11 AA 12 AA 13 AB 21 AB 22 AB 23 A C 31 A C 32
裂缝宽度 mm
0. 17 0. 21 0. 23 0. 22 0. 18 0. 15 0. 20 0. 19
锈蚀前质量 g
146. 2 145. 1 145. 7 584. 6 582. 1 579. 3 913. 9 913. 7
锈蚀后质量 g
129. 2 133. 7 134. 6 563. 2 565. 5 546. 2 886. 9 893. 8
当前, 钢筋混凝土结构的耐久性问题越来越为国内外所关注, 尤其是关于一般大气环境条件下 的耐久性问题, 目前已开展了许多工作[ 1～ 7 ] Λ 虽然, 如何界定耐久性极限状态还存在不同的观点, 但 可以肯定, 钢筋锈蚀后引起混凝土保护层的胀裂将成为钢筋混凝土结构耐久性的极限状态标志之 一① Λ 因此, 研究混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈蚀状况, 建立相应的力学模型就显得十分必要Λ 混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈蚀率与许多因素有关, 目前, 国内外主要通过自然条件下暴露 试验来研究它们之间的关系, 然而这样的试验往往需要几年、 几十年的时间才能导致混凝土结构的 开裂或破坏Λ 文献 [ 2 ] 曾运用快速锈蚀试验方法建立了钢筋锈蚀率与钢筋直径、 混凝土等级与保护 层厚度之间的定量关系Λ 然而, 由于混凝土材料的离散性及试验方法的误差, 这方面工作还有待进 一步深入Λ 本文拟采用快速锈蚀的方法来加速混凝土中钢筋的锈蚀, 并考虑了上述三个因素的变 化, 然后根据实验数据, 提出一个用最小二乘法优化的经验公式Λ最后, 通过有限元分析计算得到了 锈胀裂缝扩展到保护层表面时刻的锈胀力, 并由此建立了混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈胀力的 力学模型Λ 无疑, 这些工作对钢筋混凝土结构的耐久性分析与设计是很有益处的Λ
1 试验研究
1. 1 试验设计
一般认为, 混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈蚀率 Θ的主要影响因素有保护层厚度 c、 钢筋直径
d 和混凝土等级 f
cu
Λ 为此, 本次实验须同时考虑这三个因素影响, 并根据实际工程中的情况, 对三
个影响因素的取值如下: 保护层厚度分别取 15, 20, 25 mm , 钢筋的直径分别取 8, 16, 20 mm , 混凝 土等级分别取 C 15、 C 25、 C 35Λ 如果按照三种因素的所有组合安排试验, 那么工作量将非常大, 为 [8 ] 此, 本文采用正交设计 的方法只需进行 9 种组合的试验, 并且同样可以取得所需的试验结果Λ 每 种情况做三个试件, 然后取它的平均值作为这种情况的试验结果Λ 试件编号为 AB 22, 其中第一个 字母表示保护层厚度, A 、 B、 C 分别代表 15, 20, 25 mm ; 第二个字母表示混凝土等级, A 、 B、 C 分别 代表 C 15、 2、 3 分别代表 8, 16, 20 mm , 第四位数字表示该试 C 25、 C 35; 第三位数字表示钢筋直径, 1、
表 1 混凝土的配合比
T ab. 1 M ix tu re ra tio of concrete kg C 35 ( 525# ) 405 554 1 292 200
材料 水泥 砂 碎石 水
C 15 ( 425# ) 302 757 1 215 200
C 25 ( 425# ) 383 597 1 270 200
收稿日期: 1999205218 基金项目: 浙江大学曹光彪高科技发展基金重点资助项目 (223296151023) 作者简介: 李海波 (1963- ) , 男, 辽宁沈阳人, 浙江大学讲师, 从事结构工程和海洋工程研究Λ ① 邸小坛, 周燕, 混凝土结构的耐久性设计方法, 中国建科院混凝土结构设计规范第五批课题耐久性专题鉴定资料之三Λ