混凝土保护层锈胀开裂研究进展_郑颖颖

只有在诱导腐蚀的 研究结果可以知道，
情况下钢筋才会发生均匀腐蚀， 由氯化物诱导钢筋锈蚀发 生的是点蚀， 所以采用均匀锈蚀的假设来研究氯化物诱导 的腐蚀显然不合适
［13 ］
； 影响混凝土结构耐久性的因素是
Δ E e = E e， c － E e， a = 525 + 1．44 T β（ τ， ρ con ） =
［9 ］ 3 2 － 0. 215
— —混凝土内钢筋的活化率， 式中： δ — 对于无横向裂缝的混 可取 δ = 0．5 ； 凝土试件， — —塔菲尔斜率； β— — —混凝土内钢筋锈蚀时间； τ— — —钢筋的克当量； N— F— — —法拉第常数； — —混凝土电阻率。 ρ con — 邱兆国等
State － of － art report of the corrosion － induced cracking of concrete cover
2 2 ，XU Yidong 1， ZHENG Yingying 1，
（ 1．School of Civil Engineering ， Chongqing Jiaotong University ， Chongqing 400000 ， China； 2．School of Civil Engineering ＆ Architecture， Ningbo Institute of Technology of Zhejiang University ， Ningbo 315100 ， China） Abstract ： Concrete cover cracking caused by reinforcement corrosion is thought to be one of the most important reasons of durability failure of reinforced concrete structure．Scholars at home and abroad have made extensive research in this regard．Based on the latest research results， it review d the theories， experiment and numerical simulation method of reinforcement corrosion caused cover cracking ， summarizes the problems in current research， and proposes multi － scale numerical method to be applied to reinforcement corrosion caused cover cracking． Key w ords： reinforcement corrosion； cover cracking ； multiscale
［6 ］
。 钢筋锈蚀
混凝土之间的锈胀应力是客观存在的， 但很难测定， 目前 对其的认识侧重于理论研究 有 Bazant
［4 ］ ［3 ］
后由于锈蚀产物密度小于钢筋本身， 锈蚀产物体积膨胀为 原来的 2～4 倍， 使周围混凝土受到挤压， 随着锈蚀程度的 加剧， 将导致混凝土保护层受拉而开裂。 钢筋混凝土构件 一旦开裂， 环境中的有害介质经锈胀裂缝直接侵入到钢筋 表面， 钢筋锈蚀速度将会加剧， 从而进一步加剧裂缝的扩 展甚至保护层剥落严重影响钢筋混凝土结构耐久性 。 因 此， 研究钢筋锈蚀引起的钢筋保护层开裂， 对混凝土结构 的使用性能评估和剩余寿命预测有着重要的意义。 钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂的过程相当复杂 ， 国 内外学者就此展开了大量的研究工作。 现有研究方法根据 研究手段大致可分为三类： 理论分析、 试验研究和数值模
2015 年 第 6 期 （ 总 第 308 期 ） Number 6 in 2015 （ Total No．308 ）
混
凝 Concrete
土
理
论
研
究
THEOＲETICAL ＲESEAＲCH
doi： 10．3969j．issn．10023550．2015．06．007
混凝土保护层锈胀开裂研究进展
即为混凝土表面产生
1．2
理论分析问题讨论
理论分析方法具有周期短、 投入低、 且可以较为近似
模拟实际工况的优点， 有一定的参考价值。 在上述分析中， 基于弹性力学的厚壁圆筒模型被广泛采用， 其假定锈蚀产 物的膨胀力是均匀分布在混凝土圆筒内壁上， 这与实际情 况不太符合； 由于混凝土材料的离散性和锈蚀产物的多样 性， 采用弹性力学的方法也很难准确的定量保护层锈胀开 裂过程中产生的损伤。 而基于不同的理论方法， 得出的研 究成果尚无法统一， 不同预测模型得出的结果悬殊很大。 理论分析通常是针对纯氯化物诱导腐蚀展开的 ， 即没 有发生碳化。 而在实际的分析过程中往往假设钢筋发生均 匀腐蚀， 从试验
［12 ］
（ 1）
— —钢筋开始锈蚀 t 年的钢筋表面氯离 t int + t） — 式中： C （ C ，
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的临界锈胀力与钢筋临界锈蚀 率模型。 通过混凝土与锈蚀层之间存在位移协调关系式 （ 4 ） 可求出锈蚀深度 δ， 进而可求出混凝土表面裂纹产生 时的临界锈蚀率 η cr 。 珋 r － （ uρ ） ρ = 珋 r = r + Δ l + （ u ' p ） ρ = r + Δl 珋 — — —锈蚀产物自由膨胀对应的外半径； 式中： r （ uρ ）
0
引言
钢筋混凝土结构具有便于就地取材、 可磨性好、 形成
拟。 本研究根据三种研究方法对钢筋锈胀最新研究进展进 行评归纳与评述， 提出了钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂 研究中存在的问题， 并进行了展望。
的结构整体性好、 刚度大等特点， 因而， 广泛用于房屋建 筑、 地下结构、 桥、 隧道、 水利、 港口等工程中。 但由于混凝 土结构的自身材料和使用环境的特点， 使其不可避免的存 在耐久性问题。 混凝土的耐久性问题已经成为现代工程的 一个紧迫的重大科技问题。 混凝土内钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂被认为是 钢筋混凝土结构耐久性失效最主要原因之一
－2
(
ρ － （ r + Δl） 2 Ｒ － （ r + Δl） 槡 （ σφ ）
ρ = r + Δl
) （σ
a
cr
－ σ φ0 ） + σ φ0
（ 5）
— —开裂损伤后内边界残余的环向应力， σ φ0 = 式中： σ φ0 — 。
ρ=Ｒ
当 ρ = Ｒ 时， 环向应力值 （ σ φ ） 裂纹的临界值。
［1 ］
1
混凝土保护层锈胀开裂理论分析
保护层锈胀开裂是腐蚀环境下钢筋混凝土结构耐久
性评估的主要依据之一， 因而相关研究一直备受关注， 国 际上从 20 世纪 70 年代开始， 我国研究起步较晚， 基本上 始于 20 世纪 90 年代末期
［2 ］
。 锈蚀产物膨胀引起的钢筋和 ， 比较有代表性的理论成果
基金项目： 浙江省自然科学基金（ LY15E080025 ） ； 国家自然科学基金资助项目（ 51008276 ） ； 宁波市科技创新团队项目（ 2011B81005 ）
· 26·
ln（ 1．08 i） = 8．37 + 0．618ln［ 1．69 × 2 300 × C （ C ， t iny + t） ］－ 3 034 T － 0．000 105 Ｒ c + 2．32 t %； 子浓度， i— — —钢筋腐蚀电流密度， μA cm ； T— — —钢筋表面的温度， K； t— — —钢筋的锈蚀时间， 年； — —钢筋保护层的电阻， Ｒc — Ω； 假定普通硅酸盐混凝土质量取 2 300 kg m 。 郭冬梅等
郑颖颖
1， 2 2 ，徐亦冬1，
（ 1． 重庆交通大学 土木建筑学院 ，重庆 400000 ； 2． 浙江大学宁波理工学院 土木与建筑工程学院 ，浙江 宁波 315100 ）
摘 要： 钢筋锈蚀引起混凝土保护层锈胀开裂被认为是钢筋混凝土结构耐久性失效最主要原因之一 ， 国内外学者就此过程开展
了大量的研究工作。 结合最新研究成果， 对钢筋锈蚀引起混凝土保护层锈胀开裂研究所用的理论 、 试验和数值模拟方法做出评 述。 针对当前研究中存在的问题进行了总结和展望 ， 并提出了多尺度数值方法应用于钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂问题 。 关键词： 钢筋锈蚀； 保护层开裂； 多尺度 中图分类号： TU528．01 文献标志码： A 3550 （ 2015 ） 06002606 文章编号： 1002-
［10 ］
（ 4）
— — —向内的径向位移；
r— — —钢筋半径； — —钢筋与混凝土界面间隙宽度； Δl — （ u' ρ ）
ρ = r + Δl
— — —混凝土内侧的径向位移。
得出的钢筋锈蚀产生的环向表达式为： σφ =
基于混凝土各向异性损伤和损伤软化， 考
虑了腐蚀产物和钢筋的弹性力学性能， 以及腐蚀产物对钢 筋 － 混凝土界面区孔隙和混凝土开裂裂缝的填充效应 ， 建 立了钢筋 － 腐蚀产物 － 混凝土三相介质模型。 该模型可以 计算由钢筋锈蚀引起的混凝土位移场和应变场， 也可以用 来预测混凝土保护层的初裂时间。 通过与试验结果进行对 比， 发现模型可以较好地预测混凝土的开裂时间， 并且确 定了混凝土环向应变是评价混凝土开裂的理想指标。 “响应谱 ” JH Jiang 等［11］首次提出了混凝土微环境 的 概念， 基于气候环境作用下混凝土微环境响应规律和预计 方法研究， 提出了混凝土微环境响应谱构筑方法。 基于钢 筋锈蚀电化学基本原理和相应的试验研究， 建立了考虑混 凝土微环境、 以及时变 （ 包括锈胀开裂前的下降与平稳发 展阶段） 影响的钢筋锈蚀速率预计模型： i cor = 其中： i0 ， α = 3 × 10
［22 ］
1 δ（ i0， α） 2
0．5
（ i0 ， c）
0．5
exp（ ΔE e / β （ τ， ρ con ） ）
（ 3）
－源自文库 i0 ， c = 1 × 10
[ ( )] 1 1 － exp [ 2 612 ( T 298 ) ]
1 1 － exp 9 500 298 T τ = τ1 τ1 ≤τ ＜ τ2 τ2 ≤τ ＜ τ3
r ρ=珋
同时考虑了荷载影响和氯离子结合能力
的影响， 将考虑两种因素影响的氯离子扩散模型引入到 Liu 指数模型中， 建立了考虑荷载和氯离子结合能力的钢 筋锈蚀模型。 ln （ 1． 08 i ） = 8． 37 + 0． 618ln ［ 1． 69 C （ c ， t int + t） ］ － 3 034 T － 0．000 105 Ｒ c + 2．32 t － 0. 215 （ 2） 式中符号含义与式（ 1 ） 相同。 因为考虑的因素更全面更符 合实际情况， 从而通过算例对比可发现， 式（ 2 ） 计算结果比 式（ 1 ） 更加合理。 郭冬梅模型可以更加准确地模拟符合实 际情况的构件的材料退化情况， 对预测沿海地区结构剩余 寿命有着重要的意义。 付传清
0918 收稿日期： 2014-
Liu 的理论模型、
［7 ］
［5 ］
金伟良 的理论模型、
的经
M orinaga 验公式、
国内外学者在这些前人 的经验公式。
的研究成果基础上对于钢筋锈蚀引起混凝土开裂问题展 开了更深入的研究。
1．1
理论分析最新进展
王元战等
［8 ］
通过对现有典型钢筋锈蚀模型进行比较
选择考虑因素较全面合理的 Liu 指数模型作为钢筋 分析， 锈蚀基本模型。 将考虑荷载影响的氯离子扩散模型引入到 基本模型中， 建立了考虑荷载影响的钢筋混凝土构件钢筋 锈蚀模型。
而在众多的预测模型中， 通常将各影响因素视 多方面的， 为常量进行分析， 而事实上很多参数都是不确定的， 例如： “多孔区” 、 大小等， 这些参数的选 铁锈的膨胀率、 弹性模量 取对预测模型模型的精确性起着决定性的作用 ， 而目前只 能通过经验或者完全假设来进行选择。
－4 －4
{
β1 = 143 ． 78 － 54 × （ W C ） + 0 ． 018 ρ con 0 ． 78 － 0 ． 92 × （ W C ） － 1 ． 2 × 10 β1 + ［ 0 ． 78 － 0 ． 92 × （ W C ） － 1 ． 2 × 10 β1 + ［ N ×