混凝土中钢筋不均匀锈胀的模拟试验研究
非均匀锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能研究
第 39 卷第 6 期2023 年12 月结构工程师Structural Engineers Vol. 39 ， No. 6Dec. 2023非均匀锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能研究蒋欢军1，2孙国耀1，2，*段晨1，3（1.同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室，上海 200092； 2.同济大学结构防灾减灾工程系，上海 200092；3.广东省建筑设计研究院有限公司，广州 510010）摘要由于环境的复杂性和材料的离散性，混凝土结构中钢筋的锈蚀往往是非均匀的，而高锈蚀区段的存在直接影响着结构的力学性能。
为研究纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土简支梁的力学性能，使用ABAQUS有限元软件建立了90个纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土梁的精细有限元模型，重点分析了高锈蚀区钢筋锈蚀率差值、高锈蚀区长度和高锈蚀区位置3个参数对纵向非均匀锈蚀梁构件力学性能的影响。
结果表明：高锈蚀区钢筋锈蚀率差值和高锈蚀区长度对梁的承载力和极限变形能力影响显著。
高锈蚀区位置在梁上的变化易改变梁的破坏位置，引起梁破坏模式的转变。
研究成果可为锈蚀钢筋混凝土结构的抗震性能评估提供参考。
关键词锈蚀钢筋混凝土梁，非均匀锈蚀，有限元分析，力学性能Mechanical Performance of Non-Uniformly CorrodedReinforced Concrete BeamsJIANG Huanjun1，2SUN Guoyao1，2，*DUAN Chen1，3（1.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China；2.Department of Disaster Mitigation for Structures，Tongji University， Shanghai 200092， China；3.Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province， Guangzhou 510010， China）Abstract Due to the complexity of the environment and the discreteness of materials， the corrosion of steel bars in reinforced concrete structure is usually non-uniform. The high corrosion zone directly affects the performance of the structure. To study the mechanical performance of longitudinal non-uniformly corroded reinforced concrete simply supported beams，the finite element models of 90 RC beams were established by using ABAQUS. The effects of corrosion ratio difference，length and position of high corrosion zone on the mechanical performance of longitudinal non-uniformly corroded RC beams were analyzed. It is found that the corrosion ratio difference and the length of high corrosion zone have significant effects on the bearing capacity and ultimate deformation capacity of the beam. The change of the position of the high corrosion zone on the beam can easily change the failure location of the beam and cause the change of the failure mode. The research results can be utilized for the evaluation of seismic performance of corroded reinforced concrete structures. Keywords corroded RC beam， non-uniform corrosion， FEM， mechanical properties收稿日期：2023-08-04基金项目：国家自然科学基金资助项目（51978526）作者简介：蒋欢军，男，教授，博士生导师，主要从事建筑结构抗震研究。
混凝土钢筋锈蚀损伤的三维数字模拟研究
混凝土钢筋锈蚀损伤的三维数字模拟研究一、研究背景混凝土钢筋锈蚀是混凝土结构中常见的一种损伤形式，它会导致结构的力学性能下降，进而影响结构的使用寿命。
因此，对混凝土钢筋锈蚀损伤的研究一直是结构工程领域的热点问题之一。
近年来，随着计算机技术和数字模拟技术的不断发展，利用三维数字模拟技术对混凝土钢筋锈蚀损伤进行研究已成为研究该领域的重要手段之一。
二、研究目的本研究旨在利用三维数字模拟技术，对混凝土钢筋锈蚀损伤进行研究，探究钢筋锈蚀对混凝土结构力学性能的影响规律，并为混凝土结构的设计和维护提供科学依据。
三、研究方法本研究采用有限元分析方法，利用三维数字模型对典型混凝土结构中钢筋锈蚀损伤进行模拟。
具体步骤如下：1.建立三维数字模型：根据实际情况，采用专业软件建立混凝土结构的三维数字模型，包括结构的几何形态、材料属性、截面尺寸等。
2.设定模拟条件：根据模拟的目的和要求，设定模拟条件，包括荷载、边界条件、材料性质等。
3.模拟钢筋锈蚀损伤：在建立好的三维数字模型中，通过设定特定的钢筋锈蚀损伤模型，模拟不同程度的钢筋锈蚀损伤。
4.进行有限元分析：将模拟好的三维数字模型导入有限元分析软件中，进行有限元分析，计算出结构在不同情况下的应力、应变、变形等力学性能指标。
5.分析结果：根据有限元分析结果，分析钢筋锈蚀对结构力学性能的影响规律，探究不同程度的钢筋锈蚀对结构的影响程度。
四、研究内容1.建立三维数字模型本研究以某高层建筑的柱子为研究对象，采用专业软件建立了柱子的三维数字模型。
模型采用混凝土C30，钢筋采用HRB400，截面尺寸为400m m×400mm，高度为5m。
2.设定模拟条件本研究设置了两种荷载情况，分别为自重荷载和垂直于柱子轴线方向的等静力荷载。
其中自重荷载为混凝土的重量，等静力荷载为1000kN。
边界条件采用固支约束。
混凝土材料的弹性模量为26.7GPa，泊松比为0.2；钢筋材料的弹性模量为200GPa，泊松比为0.3。
混凝土结构中钢筋锈蚀的研究与处理
混凝土结构中钢筋锈蚀的研究与处理混凝土结构在现代建筑中得到广泛应用，作为一种常见的建筑材料，其强度和耐久性得到了广泛认可。
然而，随着时间的推移，混凝土结构表面可能会出现钢筋锈蚀的现象，这不仅影响了结构的稳定性，还会带来安全隐患。
因此，对混凝土结构中钢筋锈蚀的研究与处理变得尤为重要。
钢筋锈蚀是指钢筋在混凝土中由于环境因素引起的氧化反应。
主要的环境因素包括潮湿、高温、氧气和盐分等。
这些因素会导致混凝土结构中的钢筋暴露在恶劣的环境中，最终导致钢筋表面出现锈蚀。
钢筋锈蚀会使钢筋表面积增大，破坏混凝土的粘结力，进而影响结构的强度和稳定性。
针对混凝土结构中钢筋锈蚀的研究，学者们提出了多种处理方案。
首先，针对环境因素的控制是关键。
加强建筑物的防水隔潮措施，避免潮湿环境对钢筋的腐蚀作用；合理设计通风系统，降低建筑物内部温度和湿度，减缓钢筋锈蚀的速度。
其次，表面处理技术也是一种有效的手段。
例如，可以使用表面涂层来保护钢筋，涂层应具有良好的粘附性和抗腐蚀性能，形成一道保护层，防止氧气和水分侵入到钢筋表面。
此外，还可以采用热镀锌、电镀、喷涂等方法，在钢筋表面形成一层防锈层，提高钢筋的抗锈蚀性能。
此外，混凝土中钢筋锈蚀的处理还可以从材料层面和结构层面进行考虑。
在材料层面，可以选择更耐蚀的钢筋材料替代传统的钢筋材料，如不锈钢、钽、铌等。
这些材料具有优秀的耐腐蚀性能，能够有效延缓钢筋的锈蚀速度。
在结构层面，可以采用修补和加固技术来处理已经发生锈蚀的钢筋。
例如，可以使用特殊的防锈材料对钢筋进行修补，恢复其原有的抗锈蚀性能；也可以通过加固工艺，如粘结钢板等，增加结构的抗锈蚀能力。
随着科技的不断进步，针对混凝土结构中钢筋锈蚀的研究也在不断深入。
例如，近年来，纳米材料在防腐蚀领域的应用逐渐受到关注。
纳米材料具有巨大的比表面积和高活性，可以在微观上改善材料的抗锈蚀性能。
此外，也有学者研究了采用电化学方法对钢筋进行防锈处理的可行性。
电化学方法通过在钢筋表面形成一个保护性的氧化层，可以提高钢筋的耐腐蚀性能。
不均匀锈蚀钢筋与混凝土粘结性能试验研究的开题报告
不均匀锈蚀钢筋与混凝土粘结性能试验研究的开题报告【摘要】钢筋与混凝土之间的粘结性能对于加强混凝土结构抗震能力非常重要。
然而，由于环境因素和加工过程等原因，钢筋表面易出现不均匀锈蚀，这会严重影响其与混凝土之间的粘结性能。
因此，本文拟开展不均匀锈蚀钢筋与混凝土粘结性能试验研究，旨在探究不同锈蚀形态下钢筋与混凝土之间的粘结性能及其机理，为混凝土结构加强提供理论依据和实验参考。
【关键词】不均匀锈蚀，钢筋，混凝土，粘结性能，试验研究一、研究背景和意义混凝土结构在地震等自然灾害和人为破坏下往往容易发生破坏。
为了提高混凝土结构的抗震性能，钢筋与混凝土之间的粘结性能被广泛研究。
粘结性能不仅与钢筋、混凝土本身的性质有关，也与表面氧化膜等环境因素有关。
实际上，由于环境因素和加工过程等原因，钢筋表面易出现不均匀锈蚀，这会严重影响其与混凝土之间的粘结性能。
由此可见，探究不均匀锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的机理及其规律，对于混凝土结构加强具有重要的理论和实践意义。
二、研究目的和内容本文旨在探究不均匀锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的机理及其规律，具体研究内容包括：1.针对不同锈蚀形态的钢筋，分别进行拉伸试验、剪切试验和粘结试验，测试其力学性能和粘结性能；2.分析不均匀锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结破坏模式和机理；3.分析粘结性能测试结果，探究不均匀锈蚀对钢筋和混凝土粘结性能的影响规律；4.通过SEM、EDS等技术手段，对不同锈蚀形态下钢筋与混凝土界面微观结构和化学成分进行分析和研究。
三、主要研究方法和技术路线在研究过程中，采用拉伸试验、剪切试验和粘结试验等手段测试不同锈蚀形态下的钢筋力学性能和粘结性能，并对测试结果进行分析和归纳；采用SEM、EDS等技术对不同锈蚀形态下钢筋与混凝土界面微观结构和化学成分进行分析研究。
具体研究路线如下：1.搜集资料，查阅文献，了解国内外相关研究现状和发展趋势；2.制备不均匀锈蚀钢筋和混凝土试件；3.分别进行拉伸试验、剪切试验和粘结试验，测试其力学性能和粘结性能；4.分析不均匀锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结破坏模式和机理；5.分析粘结性能测试结果，探究不均匀锈蚀对钢筋和混凝土粘结性能的影响规律；6.通过SEM、EDS等技术手段，对不同锈蚀形态下钢筋与混凝土界面微观结构和化学成分进行分析和研究。
不均匀锈蚀钢筋混凝土梁受力性能试验研究的开题报告
不均匀锈蚀钢筋混凝土梁受力性能试验研究的开题报告题目：不均匀锈蚀钢筋混凝土梁受力性能试验研究一、研究背景现代建筑钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀问题是一个普遍存在的隐患。
特别是在海岸、化工厂和潮湿环境等恶劣条件下，钢筋锈蚀速度更快，而且往往是不均匀的。
不均匀锈蚀钢筋混凝土梁的受力性能显著下降，可能导致结构失效。
为了预防和解决梁的不均匀锈蚀问题，需要深入研究其机理，试验研究不同程度的钢筋锈蚀对梁的影响。
二、研究目标本研究旨在通过试验研究，探索不均匀锈蚀钢筋混凝土梁受力性能变化规律，以提供钢筋混凝土结构在不同腐蚀环境下的设计和维护建议，具体研究目标如下：1. 掌握不均匀锈蚀钢筋混凝土梁的受力性能变化规律；2. 研究不同程度的钢筋锈蚀对梁的强度、刚度、延性等性能的影响。
三、研究内容本研究计划采用试验研究的方法，对不均匀锈蚀钢筋混凝土梁进行受力性能测试研究。
具体研究内容如下：1. 设计试验方案，制备试验梁；2. 对试验梁进行不均匀锈蚀处理，包括锈蚀深度和锈蚀位置的设置；3. 进行静力加载试验，测量试验梁的荷载-挠度、荷载-位移曲线；4. 分析试验数据，研究不均匀锈蚀对梁的力学性能的影响，探索其变化规律。
四、研究意义本研究对加强不均匀锈蚀钢筋混凝土结构设计和维护具有重要意义，具体意义如下：1. 增加钢筋混凝土结构的安全性和稳定性；2. 提高结构的耐久性和可靠性；3. 为建筑工程提供技术支持和理论指导。
五、研究方法本研究采用试验研究方法，具体步骤如下：1. 设计试验方案，确定试验参数和试验梁的尺寸、型号等；2. 制备试验梁，控制其质量和基础力学性能；3. 对试验梁进行不均匀锈蚀处理，包括锈蚀深度和锈蚀位置的设置；4. 进行静力加载试验，测量试验梁的荷载-挠度、荷载-位移曲线；5. 对试验数据进行分析，研究不均匀锈蚀对梁的力学性能的影响，探索其变化规律。
六、研究计划本研究计划在一年内完成，具体任务安排如下：1. 第一阶段：研究背景和目标确定（1个月）2. 第二阶段：理论框架和实验设计（2个月）3. 第三阶段：试验制备和数据采集（4个月）4. 第四阶段：数据处理和分析（3个月）5. 第五阶段：写作和总结（2个月）。
混凝土中钢筋锈蚀的试验与模拟研究
混凝土中钢筋锈蚀的试验与模拟研究混凝土是一种广泛使用的建筑材料，而钢筋则是混凝土中最常用的加强材料。
然而，由于环境和使用条件的影响，钢筋可能会出现锈蚀现象，这会导致混凝土的破坏和损坏。
因此，混凝土中钢筋锈蚀的试验和模拟研究显得十分重要。
一、试验研究为了研究混凝土中钢筋锈蚀的影响，许多试验被进行了。
其中，最常用的试验是浸泡试验和电化学腐蚀试验。
1.浸泡试验浸泡试验是一种简单有效的研究混凝土中钢筋锈蚀的方法。
该试验将混凝土试件放入盐水中，在一定时间内浸泡，然后将试件取出，观察钢筋的表面和混凝土的状况来判断钢筋锈蚀的程度。
该试验的优点是简单易行，但缺点是无法真实模拟混凝土中的实际情况。
2.电化学腐蚀试验电化学腐蚀试验是一种比较准确的研究混凝土中钢筋锈蚀的方法。
该试验通过施加一定电压和电流，模拟混凝土中的腐蚀环境，测量钢筋的腐蚀电位和电流密度，从而判断钢筋的锈蚀程度和混凝土的保护性能。
该试验的优点是可以模拟混凝土中的实际腐蚀环境，但缺点是操作复杂，需要专业的设备和技术支持。
二、模拟研究除了试验研究，模拟研究也是研究混凝土中钢筋锈蚀的重要手段。
1.有限元模拟有限元模拟是一种利用计算机对混凝土中钢筋锈蚀进行模拟的方法。
该方法可以通过建立混凝土和钢筋的物理和力学模型，模拟钢筋在混凝土中的腐蚀过程和混凝土的损伤过程。
该方法的优点是可以模拟复杂的工程情况和多种腐蚀环境，但缺点是需要大量计算和数据处理，需要高性能计算机和专业软件支持。
2.分子动力学模拟分子动力学模拟是一种利用分子模拟技术对混凝土中钢筋锈蚀进行模拟的方法。
该方法可以通过建立混凝土材料和钢筋的分子模型，模拟钢筋和混凝土材料的相互作用和腐蚀过程。
该方法的优点是可以模拟微观的腐蚀过程和材料的物理和化学性质，但缺点是需要大量的计算和数据处理，需要高性能计算机和专业软件支持。
三、结论综上所述，混凝土中钢筋锈蚀的试验和模拟研究是十分重要的。
试验研究可以模拟混凝土中的实际情况，可以直观地观察和判断钢筋的锈蚀程度和混凝土的保护性能，但存在操作复杂和无法准确模拟实际情况的缺点。
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 。
水泥混凝土中钢筋锈蚀检测方法的分析探讨
水泥混凝土中钢筋锈蚀检测方法的分析探讨摘要：本文对钢筋锈蚀的主要原因进行分析，并对钢筋锈蚀检测方式进行阐述，最后总结了钢筋锈蚀的主要处理方式，旨在为今后公路桥梁发展奠定基础。
关键词：检测方法；钢筋锈蚀；水泥混凝土引言钢筋混凝土中的钢筋极易被锈蚀，会使钢筋混凝土构件安全性受到较大的影响。
因此为了有效控制钢筋锈蚀，检测单位应选择合理的检测手段对钢筋锈蚀情况进行检测，明确钢筋锈蚀的主要原因，并采取合理手段对其进行预防，使公路桥梁应用效益和安全性进一步提高。
1钢筋锈蚀的主要原因1.1保护层厚度及混凝土密实度原因在钢筋混凝土施工过程中，当混凝土密实度不足时，对钢筋的裹护效果较低，如果保护层出现破损，钢筋将会直接暴露在空气当中，外界环境中的二氧化碳、水分以及空气极易进入混凝土中，使钢筋产生锈蚀，与此同时，当钢筋保护层厚度较小时，也极易使钢筋产生锈蚀，使钢筋混凝土质量受到影响。
1.2混凝土裂缝原因在钢筋混凝土施工过程中，由于施工工艺的影响，会导致混凝土出现裂缝等问题，这也会加快钢筋被锈蚀的速度，这主要是因为当混凝土存在裂缝时，氧气、水分、二氧化碳等介质会侵入混凝土内部，使钢筋受到锈蚀。
1.3湿度原因在工程施工过程中，混凝土的电解性能与混凝土湿度息息相关。
当混凝土湿度较大时，其导电性能也会进一步提高，导致钢筋锈蚀速度增加。
1.4氯离子锈蚀因素在钢筋混凝土施工过程中，使用含有氯盐的施工用水、海砂或者外加剂等材料，会使氯离子含量增加，当氯离子含量过高时，会使钢筋出现一定程度的锈蚀。
1.5水泥碱度较低在水泥水化反应过程中，会使钢筋表面形成保护膜，使钢筋抗锈蚀能力进一步增加，若施工中使用的水泥碱度较低时，其在水化过程并不会产生保护膜，严重影响钢筋的抗锈蚀能力。
2钢筋锈蚀的主要检测方法2.1分析法分析法主要是指以混凝土自身条件、施工现场环境等因素为基础，对可能造成钢筋锈蚀的外部环境因素以及内部因素进行分析，并以不同时期各影响因子数据为依据，对钢筋锈蚀情况进行分析判断。
钢筋混凝土锈胀效应的模拟实验研究
关键 词 ：钢 筋 混凝 土 ；锈 胀 力 ；油压 ；顺 筋裂缝 中 图分类 号 ：Ｔ ３ ５ １ Ｕ ７ ． 文 献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ —８ ９ （ ０ １ ０ ０ ９ ９ ２ ２ １ ） ２—０ ２ ０ ７一Ｏ ２
Ｓ ｍ ｕ ａ ｅ ｐ ｒ ｍ ｅ ｔ ｏ ｒ ｏ ｉ ｎ— ｎｄ ｃ ｄ ｉ ｌ ｔ ｄ Ｅｘ ｅ ｉ ｎ ｎ Ｃｏ ｒ ｓｏ Ｉ ｕ ｅ
第 １ 卷 第 ２期 １
２１ ０ １年 ６月
徐 州 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报
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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
混凝土中钢筋锈蚀的预测模型研究
混凝土中钢筋锈蚀的预测模型研究一、研究背景混凝土结构是现代建筑中最为常见的一种结构形式，而钢筋混凝土结构更是其中的主流。
由于钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土之间的协同作用，使得其具有了良好的受力性能。
然而，随着时间的推移，钢筋混凝土结构中钢筋表面可能会出现锈蚀现象，导致钢筋的力学性能和耐久性下降，从而影响整个结构的安全性能。
因此，混凝土中钢筋锈蚀的预测模型研究具有极其重要的意义。
二、研究现状目前，对于混凝土中钢筋锈蚀的预测模型研究已经有了一些成果。
其中，最常用的预测模型是基于钢筋锈蚀深度的预测模型。
这种模型的基本思路是通过对混凝土中钢筋表面的锈蚀深度进行测量，并根据一定的数学模型来预测锈蚀的发展趋势。
此外，还有一些基于物理力学模型的预测模型，它们通过建立混凝土中钢筋与混凝土之间的力学模型，来预测钢筋的锈蚀发展趋势。
这些模型的预测精度和适用范围各有不同，需要根据实际应用情况进行选择。
三、研究内容本研究旨在建立一种适用于钢筋混凝土结构的预测模型，通过对混凝土中钢筋表面锈蚀深度的测量，结合物理力学模型，来预测钢筋锈蚀的发展趋势。
具体研究内容包括以下几方面：1. 钢筋表面锈蚀深度的测量方法研究。
目前，常用的测量方法包括电化学方法、重量损失法、表面形貌法等。
本研究将比较不同测量方法的优缺点，选择适合的方法进行测量。
2. 钢筋混凝土的力学模型研究。
本研究将建立钢筋混凝土的力学模型，考虑混凝土的弹性模量、泊松比、钢筋的弹性模量、截面积等因素，以及钢筋与混凝土之间的黏结力和摩擦力等因素，建立钢筋混凝土的力学模型，为后续的预测模型打下基础。
3. 钢筋锈蚀的预测模型研究。
本研究将基于钢筋表面锈蚀深度的数据，结合钢筋混凝土的力学模型，建立钢筋锈蚀的预测模型。
通过对模型的验证和修正，得到更加精确的预测结果。
四、研究方法本研究将采用实验研究和数值模拟相结合的方法。
具体方法包括以下几方面：1. 实验研究：通过制备不同锈蚀程度的钢筋混凝土试件，进行锈蚀深度的测量和力学性能测试。
混凝土中钢筋锈蚀检测的探讨
混凝土中钢筋锈蚀检测的探讨钢筋混凝土框架结构是现代建筑通常采用的方法，尤其是在建筑群向大型和高层发展时尤为适用，因此，检测混凝土中钢筋锈蚀情况是掌握钢筋混凝土结构的安全性和稳定性的重要参数指标。
本文从混凝土中钢筋锈蚀机理出发，介绍并分析了化学和物理两大类检测方法，最后结合我国钢筋混凝土使用的状况，提出了提高混凝土抗渗性等防御措施和加碱再造钝化层等修复措施。
标签：钢筋混凝土；钢筋锈蚀；防治措施1、引言随着全球工业化进程的逐步提高，人类活动造成了严重的环境污染，气候变暖，大气污染，酸雨等对人们的生活影响越来越明显。
钢筋混凝土长期暴露在恶劣的环境当中，酸性物质通过混凝土的空隙和毛细孔道剥蚀了钢筋的钝化层，钢筋腐蚀情况严重，进而钢筋混凝土的整体结构和稳定性受到影响，关注混凝土钢筋锈蚀情况，采取一些列防治措施是必要的。
2、混凝土中钢筋锈蚀机理2.1混凝土中钢筋钝化层形成钢筋混凝土之所以能够长时间使用保持良好的抗压和体积稳定性有两个方面的因素。
第一，混凝土凝冻层将内部钢筋与外部氧气和酸性物质隔绝开来，延缓了钢筋的锈蚀。
第二，混凝土中含有Ca（OH）2使得PH值在12左右，Ca （OH）2与与钢筋中的Fe发生化学反应之后形成了一层200-600mm的致密氧化层，第二层保护层就更加保护了钢筋免受电化学的腐蚀。
2.2混凝土中钢筋钝化层破坏电化学腐蚀是混凝土钢筋锈蚀的根本原因。
钢筋在生产、制造和使用时并不能达到完全的均匀，钢筋的许多部分会形成电位差，在有水分的情况下会发生如下反应。
阳极反应：2Fe-4e-→2Fe2+；阴极极反应：O2+2H2O+4e-→y4OH-综合反应：2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4O H-；Fe2++2OH-→Fe（OH）2在生产实践当中，Cl-的存在不仅会影响混凝土的抗渗性能，而且会直接破坏混凝土中钢筋的钝化膜，形成原电池，加速原电池的反应速率。
3、混凝土中钢筋锈蚀检测方法综合探讨3.1物理检测方法3.1.1破损检测混凝土中钢筋锈蚀检测的物理方法主要有破损检测等。
混凝土中钢筋锈蚀机理研究的显微组织分析方法
混凝土中钢筋锈蚀机理研究的显微组织分析方法一、前言混凝土中的钢筋锈蚀是混凝土结构长期使用过程中的常见问题，也是工程质量和结构安全的重要因素之一。
混凝土中钢筋锈蚀的机理研究一直是材料科学领域的热点问题之一。
本文将从显微组织分析的角度出发，介绍混凝土中钢筋锈蚀机理的研究方法和技术，以期为混凝土结构的维护和保养提供一定的参考。
二、混凝土中钢筋锈蚀的机理混凝土中的钢筋经过一段时间的使用，会因为环境因素的影响而出现锈蚀现象。
混凝土中的钢筋锈蚀是由于混凝土中的水分和氧气与钢筋表面的铁离子结合形成了铁锈层，这层铁锈层会破坏钢筋表面的保护层，进而导致钢筋的腐蚀。
混凝土中钢筋锈蚀的机理可以分为以下几个方面：1.化学反应：混凝土中的水分和氧气、二氧化碳等气体进入钢筋表面的缝隙中，与钢筋表面的铁离子发生化学反应，形成了一层铁锈层。
2.物理反应：钢筋表面的铁锈层会不断地膨胀和收缩，从而使得钢筋表面的保护层破坏，进而导致钢筋的腐蚀。
3.电化学反应：混凝土中的钢筋和水分形成了电化学反应的体系，这个体系中的阳极和阴极会不断地变化，从而导致了钢筋的腐蚀。
4.微生物反应：混凝土中的微生物会分解有机物，从而产生出一些酸性物质，这些酸性物质会破坏混凝土中的保护层，进而导致钢筋的腐蚀。
三、混凝土中钢筋锈蚀的显微组织分析方法混凝土中钢筋锈蚀的显微组织分析方法是用来研究混凝土中钢筋锈蚀的原因和机理的一种方法。
这种方法主要是通过显微镜观察混凝土中的钢筋表面和断面的微观结构，从而分析钢筋锈蚀的原因和机理。
1.扫描电子显微镜（SEM）：扫描电子显微镜是一种常用的显微组织分析方法，它可以观察混凝土中钢筋表面的微观结构，并且可以通过显微镜的放大功能来观察钢筋表面的细微结构。
2.透射电子显微镜（TEM）：透射电子显微镜是一种高分辨率的显微组织分析方法，它可以观察混凝土中钢筋断面的微观结构，并且可以通过显微镜的放大功能来观察钢筋断面的细微结构。
3.光学显微镜（OM）：光学显微镜是一种常用的显微组织分析方法，它可以观察混凝土中钢筋表面和断面的微观结构，并且可以通过显微镜的放大功能来观察钢筋表面和断面的细微结构。
钢筋混凝土锈胀试验研究与细观损伤扩展分析
摘要钢筋混凝土是土木工程领域中最主要的材料之一，其性能受周围环境影响较大，而在潮湿、多化学盐的环境下，钢筋混凝土会发生锈胀破坏导致结构失效，所以对钢筋混凝土锈胀破坏破坏过程及破坏机理的研究是必要的。
目前钢筋混凝土锈胀的研究大多在宏观层次上进行的，而本文在细观层次展开研究，将钢筋混凝土看作由钢筋、骨料、砂浆以及钢筋、骨料与砂浆之间的界面过渡区(ITZ)组成的非均匀材料，在宏观层次上进行钢筋混凝土人工加速锈胀试验、在细观层次上进行数值仿真分析，由此得出相关现象和结论。
首先从细观层次出发，利用MATLAB数学编程平台拟合出氯离子在混凝土内部扩散后浓度分布情况；然后对部分特征钢筋混凝土试件进行人工加速锈胀试验；之后以随机骨料模型理论为基础，借助MATLAB编程平台使用蒙特卡罗法建立了考虑面积占比增加系数的多边形骨料模型；最后借助ABAQUS有限元数值模拟软件对所建立的模型加以强制位移和等效作用力来模拟试件锈胀损伤扩展情况，并在此基础上模拟了保护层厚度对试件损伤扩展的影响。
研究结果表明：MATLAB可以拟合氯离子在混凝土中扩散的过程，并发现该过程钢筋周围氯离子浓度分布不均匀；从钢筋混凝土锈胀过程来看，钢筋位于中部和角部时混凝土外端开裂与最终破坏时间相差较大；从试件的切片损伤结果来看，钢筋位于中部的混凝土损伤分布大致呈“┴”形，而钢筋位于角部的混凝土损伤分布大致呈“×”形，且测得钢筋锈蚀后的半径表明钢筋锈蚀结果呈非均匀形态；通过有限元数值模拟结果发现等效作用力的加载方式优于强制位移的加载方式，且基于等效作用力加载方式模拟出的保护层厚度对混凝土损伤影响表明，钢筋的保护层厚度对试件损伤程度和损伤形态有较大影响。
该论文有图65幅，表13个，参考文献51篇。
关键词：钢筋混凝土；细观层次；氯离子扩散；锈胀作用；随机骨料模型；混凝土塑性损伤AbstractReinforced concrete is one of the most important materials in the field of civil engineering. Its performance is greatly affected by the surrounding environment. In the humid and multi-chemical salts environment, it will promote the corrosion of reinforced concrete and lead to structural damage and failure. Therefore, it is necessary to study the mechanism and process of the corrosion and expansion of reinforced concrete. At present, the research of reinforced concrete rust expansion is mostly carried out at the macro level, in the process of the meso-level research, the reinforced concrete is regarded as a heterogeneous material composed of reinforcing steel, aggregate, mortar and the interface transition zone (ITZ) between reinforcing steel, aggregate and mortar. Through the macro-level accelerated corrosion test of reinforced concrete and the micro-level numerical simulation analysis, the relevant phenomena and conclusions are finally obtained.Starting from the meso-level, the concentration distribution of chloride after diffusion in concrete is fitted by MATLAB mathematical programming platform; then the accelerated corrosion expansion test is carried out on some characteristic reinforced concrete specimens; then, based on the theory of random aggregate model, the polygon aggregate model considering the area ratio increase factor is established by using Monte Carlo method with the help of MATLAB programming platform. Finally, with the help of ABAQUS finite element numerical simulation software, the force displacement and equivalent force of the model are applied to simulate the expansion of rust expansion damage of specimens, and on this basis, the influence of the thickness of protective layer on the expansion of damage of specimens is simulated.It can be used to determine that: MATLAB can fit the process of chloride diffusion in concrete, and found that the chloride concentration distribution around the reinforcement is non-uniform; from the view of reinforced concrete corrosion expansion process, when the reinforcement is located in the middle of the concrete, the difference between the cracking time and the ultimate failure time of the outer end of the concrete is greater than when the reinforcement is located in the corner; According to the results of slice damage, the damage distribution of concrete with steel bar in the middle is approximately in the shape of “┴”, while the damage distribution of concrete with steel bar in the corner is approximately in the shape of “×”, and the measured radius of steel bar corroded indicates that the corrosion result of steel bar is non-uniform. The results of finite element numerical simulation show that the loading mode ofequivalent force is better than that of forced displacement. Furthermore, the effect of protective layer thickness on concrete damage simulated by equivalent force loading mode shows that the protective layer thickness of steel bar has a great influence on the damage degree and damage morphology of specimens.Keyword: reinforced concrete; meso-scale; chloride diffusion; corrosions and expansion;concrete damaged plasticity目录摘要 (Ⅰ)目录 (IV)图清单 (VIII)表清单 (XII)变量注释表 (XIII)1 绪论 (1)1.1研究背景与研究意义 (1)1.2细观力学研究现状 (2)1.3氯离子在混凝土中扩散的影响因素 (3)1.4钢筋混凝土锈胀破坏理论 (5)1.5论文主要研究内容 (7)2 氯离子在混凝土中扩散的MATLAB拟合法 (9)2.1基于Fick定律的氯离子扩散模型 (9)2.2MATLAB对氯离子在混凝土中扩散拟合研究 (11)2.3本章小结 (16)3 氯离子环境下钢筋混凝土人工加速锈胀试验研究 (17)3.1试验过程 (17)3.2钢筋混凝土锈胀试验现象描述 (23)3.3试验结果及分析 (24)3.4钢筋锈蚀形态及锈蚀后半径测定 (35)3.5本章小结 (36)4 混凝土数值模型选取与建立 (38)4.1混凝土细观数值模型 (38)4.2随机骨料模型建立 (39)4.3考虑面积占比增加系数的多边形骨料与经典圆形骨料算法对比 (45)4.4本章小结 (46)5 锈胀作用下钢筋混凝土损伤扩展数值模拟 (47)5.1氯离子在钢筋混凝土中扩散浓度分布 (47)5.2考虑氯离子扩散的钢筋非均匀锈蚀力学行为研究 (48)5.3钢筋锈胀作用下混凝土损伤扩展数值模拟 (54)5.4钢筋保护层厚度对混凝土损伤扩展的影响 (67)5.5本章小结 (76)6 结论与展望 (77)6.1结论 (77)6.2展望 (78)参考文献 (82)学位论文原创性声明 (83)学位论文数据集 (84)ContentsAbstract (I)Contents ......................................................................................................................................I V List of Figures .. (VIII)List of Tables (XII)List of Variables (XIII)1 Introduction (1)1.1 Background and Significance (1)1.2 Research Status of Meso-mechanics (2)1.3 Factors Affecting the Diffusion of Chloride in Concrete (3)1.4 Corrosion Expansion Failure Theory of Reinforced Concrete (5)1.5 Main Contents (7)2 MATLAB Fitting Method for Chloride Diffusion in Concrete (9)2.1 Chloride Diffusion Model Based on Fick Theory (9)2.2 Study on Fitting Chloride Diffusion in Concrete by MATLAB (11)2.3 Summary (16)3 Experimental Study on Artificial Accelerated Corrosion of Reinforced Concrete Specimens in Chloride Environment (17)3.1 Experimental Procedure (17)3.2 Description of Corrosion Test Phenomenon of Reinforced Concrete (23)3.3 Results and Analysis (24)3.4 Corrosion Pattern of Steel Bars and Determination of Radius after Corrosion (35)3.5 Summary (36)4 Selection and Establishment of Concrete Numerical Model (38)4.1 Meso-numerical Model of Concrete (38)4.2 Establishment of Random Aggregate Model (39)4.3 Contrast the Area Ratio Increase Coefficient Polygon Aggregate and Classical CircularAggregate Algorithm (45)4.4 Summary (46)5 Numerical Simulation of Damage Propagation of Reinforced Concrete under Corrosion (47)5.1 Diffusion Concentration Distribution of Chloride in Reinforced Concrete (47)5.2 Mechanical Behavior of Non-uniform Corrosion of Reinforcement Bars ConsideringChloride Diffusion (48)5.3 Numerical Simulation of Concrete Damage Propagation unde Steel Corrosion (54)5.4 Influence of Thickness of Steel Protective Layer on Concrete Damage Propagation (67)5.5 Summary (76)6 Conclusion and Outlook (77)6.1 Conclusion (77)6.2 Outlook (78)References (79)Author’s Resume (82)Declaration of Thesis Originality (83)Thesis Data Colloection (84)图清单表清单变量注释表c D 物质的扩散系数 t时间 cp P 砂浆孔隙率 R钢筋半径θ钢筋、锈蚀产物轮廓上的点与水平方向的夹角 η钢筋锈蚀率n 钢筋锈蚀产物自由膨胀率ε[]1,0区间上均匀分布的随机变量min x 骨料投放区域横坐标最小值 max x 骨料投放区域横坐标最大值 min y 骨料投放区域纵坐标最小值 max y 骨料投放区域纵坐标最大值 x任意圆心横坐标的值 y任意圆心纵坐标的值 min D 投放骨料粒径下限 max D投放骨料粒径上限 D投放骨料粒径 d投放骨料半径 j i 、顺序编号a 投放骨料轮廓上各点的横坐标 b投放骨料轮廓上各点的纵坐标 'a 投放骨料周围ITZ 轮廓上各点的横坐标 'b 投放骨料周围ITZ 轮廓上各点的纵坐标 P 骨料通过筛孔直径为D 骨料的质量百分比 k P 骨料体积占总体积的百分比θu 某点与钢筋圆心所在直线与Cl -扩散面之间呈θ角度时锈蚀产物厚度 1u 靠近混凝土保护层端最大锈蚀厚度 2u 背离混凝土保护层端锈蚀厚度 ζ 钢筋与混凝土空隙过渡厚度 V体积符号 等效ε 等效应变 等效E等效弹性模量 t σ 混凝土单轴受拉应力 c σ 混凝土单轴受压应力 ine t ~ε 混凝土受拉开裂应变 ine c~ε混凝土受压非弹性应变 t ε 混凝土单轴拉伸总应变 c ε混凝土单轴压缩总应变el t 0ε混凝土单轴拉伸无损伤的弹性应变elε混凝土单轴压缩无损伤的弹性应变c0σ混凝土单轴拉伸极限应力0tσ混凝土单轴压缩初始屈服应力cσ混凝土单轴压缩屈服应力cud受拉损伤因子td受压损伤因子cf混凝土单轴抗拉强度代表值r t,ε混凝土单轴抗拉强度代表值对应的应变值r t,f混凝土单轴抗压强度代表值c,rε混凝土单轴抗压强度代表值对应的应变值r c,α混凝土单轴受压应力－应变曲线下降段的参数值cα混凝土单轴受拉应力－应变曲线下降段的参数值t1 绪论1.1研究背景与研究意义纵观近现代建筑发展史，混凝土作为建筑的主要材料被应用在重要的受力构件上，且混凝土性能受工作环境影响较大，所以混凝土的研究是当今学者们热衷的话题之一。
钢筋混凝土中锈蚀产物膨胀倍率的试验研究
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２０ ０ ２年 第 ２期
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ＣＯＡＬ Ｓ Ｅ ＣＩ ＮＣＥ ＆ ＴＥ ＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＧＡＺＩ Ｍ ＮＥ
文章 编 号 ：０ ８３ ３ （ ０ ２ ０ — ０ ４ ０ １ ０ — ７ ｌ ２ ０ ） ２０ ０ — ３
钢 筋 混 凝 土 【 锈 ｔ 物 膨 胀 倍 率 晌 ｉ 研 夯 ｌ 虫产 】 式验
通 电 电流大 ， 间短 ， 蚀产 物 和 自然 锈蚀 产物 有 区 时 锈 别 Ｉ 。 于 干通 电和湿 通 电的 局限 性 ， ２鉴 ］ 必须设 计 一 种
＼
１ —— 润 滑 油 涂 层 ； —— 湿 布 ；一一 正 电 极 ； ２ ３ ４一 负 电 极
图ｌ 半干通 电法示意
在 通 电期 间定 时 在 布 上滴 １ Ｎａ Ｏ Ｃ１溶 液 ， 以 保持 表面 湿润 。 在通 电完成后 ， 不是立 即将 试块 拿 去
新 的通 电方法 ， 要求 ： 使 混 凝 土有 一 定 的湿 度 ， ① 以
降低 混凝 土 的 电阻 ， 加速锈 蚀成 为 可能 ； 防止锈 使 ②
蚀 产物 不从 混 凝 土表 面 流 出 ； 要使 锈 蚀 反 应 的产 ③
物 为 Ｆ ， ｅ 即让 反应完 全 。
进行 下 一步 力 学性 能 的试 验 ， 而是 放 置 ３ ４周 ， ～ 使
束 时 的实 际膨 胀 ห้องสมุดไป่ตู้ 。 文 采 用 半 干通 电法 对锈 蚀 实 本
降低混 凝土 的 电阻 ， 加 导 电性 ， 且使 混凝 土 的湿 增 并
度有限， 只通 过 毛 细作 用 从 混 凝 土表 面 吸 收很 有 限 的水 分 ， 而不 让钢 筋 的锈 蚀 产 物有 机 会 呈 液态 或 溶 液 状 态流 出。 本 试验 中 ， 钢 筋 作 阳极 ， 混 凝 土 在 将 将
混凝土中钢筋锈蚀预测模型的研究
混凝土中钢筋锈蚀预测模型的研究1.研究背景钢筋混凝土结构是现代建筑中广泛使用的一种结构形式。
然而，钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀是一个普遍存在的问题。
钢筋锈蚀会导致钢筋的强度下降，从而降低整个结构的承载能力，严重时甚至会导致结构的倒塌。
因此，预测钢筋锈蚀的情况对于保障钢筋混凝土结构的安全具有重要意义。
2.研究现状目前，国内外学者已经对混凝土中钢筋锈蚀预测模型进行了广泛的研究。
其中，主要的预测模型有基于电化学阻抗法的预测模型、基于有限元方法的预测模型、基于神经网络的预测模型等等。
基于电化学阻抗法的预测模型是一种常用的方法。
该方法利用电极在混凝土表面的电化学反应，通过测量电化学阻抗来预测钢筋锈蚀的情况。
该方法具有非破坏性、可重复性、实时性等优点，但是其精度受到混凝土表面湿度、温度等环境因素的影响。
基于有限元方法的预测模型是一种数值模拟方法。
该方法通过建立混凝土中钢筋锈蚀的数学模型，并利用计算机进行模拟，预测钢筋锈蚀的程度。
该方法具有较高的精度，但是需要耗费较多的时间和计算资源。
基于神经网络的预测模型是近年来发展起来的一种新方法。
该方法利用神经网络的强大的学习能力，通过训练数据集来预测钢筋锈蚀的情况。
该方法具有较高的预测精度和较快的计算速度，但是需要耗费大量的训练数据。
3.研究内容本研究旨在建立一种高精度、实用性强的混凝土中钢筋锈蚀预测模型。
具体研究内容如下：1）建立预测模型本研究将综合利用电化学阻抗法、有限元方法和神经网络方法，建立混凝土中钢筋锈蚀的预测模型。
首先，利用电化学阻抗法测量混凝土表面的电化学阻抗，得到钢筋混凝土结构的腐蚀状态。
然后，将电化学阻抗数据输入到有限元方法中，建立混凝土中钢筋锈蚀的数学模型，通过有限元模拟计算出钢筋的腐蚀程度。
最后，将有限元模拟得到的数据作为训练数据，利用神经网络方法建立混凝土中钢筋锈蚀的预测模型。
2）优化预测模型本研究将采用遗传算法和粒子群优化算法对建立的预测模型进行优化。
钢筋混凝土构件的非均匀锈胀分析
( 摘 要 ：借 鉴 均 匀 锈 胀 开 裂 三 阶 段 理 论 铁 锈 自 由 膨 胀 、混 凝 土 保 护 层 承 受 拉 应 力 、混 凝 土 保 护 层 锈 胀 开 裂 ），结
合 钢 筋 锈 蚀 形 态 ，描 述 了 钢 筋 非 均 匀 锈 蚀 引 起 混 凝 土 保 护 层 开 裂 的 整 个 过 程 。 并 以 此 为 基 础 ，建 立 了 锈 胀 开 裂 时 刻
rebar corrosion was described.The calculation model of ma x i m u m rebar corrosion depth at the moment of concrete cover
cracking was established.The analysis on the parameter sensitivity of the amount of steel corrosion in two different forms of
corrosion (uniform and non-uniform)shows that the influence laws of the main parameters are similar,the volume of rebar
corrosion is positively correlated with concrete cover thickness and concrete strength,and negatively correlated with rebar
Key words ：Non-uniform expansion due to rebar corrosion;Cracking;Reinforced concrete;Expansion force induced
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。
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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］。
早期的研究者一般是将混凝土中钢筋的锈蚀假定为均匀锈蚀来研究钢筋锈胀问题［5-7］，但最近的研究表明，实际使用环境下钢筋的锈蚀是不均匀的：面向保护层一侧钢筋锈蚀严重，而背向保护层的一侧锈蚀相对较轻，锈蚀层厚度的分布沿钢筋表面近似为椭圆形［8-10］。
同时，钢筋锈胀力在钢筋周围的分布也是非均匀的，Bong Seok Janga 、Byung Hwan Ohb ［11］认为非均匀锈蚀引起的锈胀力比均匀锈蚀引起的锈胀力低，约降低40% 60%，推导出了基于相对保护层厚度的锈胀力公式。
冯瑞、袁迎曙等［12］根据已有理论成果，运用弹性力学原理，从非均匀角度完善了锈胀力力学模型，通过与具体试验对比，验证了其在预测锈胀力方面的可行性。
徐港、卫军、刘红庆［13］设计了一种新的钢筋快速锈蚀试验方案，研究了氯离子环境下钢筋非均匀锈蚀引起的混凝土保护层胀裂问题。
试验表明，试件上的锈胀裂缝均出现在近钢筋侧的混凝土表面上；相对保护层厚度是决定混凝土开裂的主要因素。
目前，国内外对非均匀锈胀效应的研究多是理论分析和数值模拟［14-17］，而对于用试验来模拟钢筋的非均匀锈胀的研究很少，因此，本文用油压模拟非均匀锈蚀时钢筋的锈胀力，得到了保护层开裂时所对应的油压值及沿试件长度的顺筋裂缝宽度，为今后进一步研究非均匀锈胀力的分布及锈胀裂缝宽度发展规律奠定了基础。
1试验方案设计本文采用在钢筋表面开槽并在开槽部分填塞石蜡；浇筑混凝土并在混凝土达到养护要求后使石蜡融化流出形成混凝土内孔道。
试验时，以在孔道内施加油压的方式来近似模拟混凝土中钢筋不均匀锈胀效果。
为便于开槽，钢筋采用直径为25mm 的圆钢，长度取为500mm ，将钢筋浇筑在100mm ˑ15039mm ˑ400mm 的混凝土试件（图1）中，混凝土的强度等级为C25，配合比为水泥ʒ水ʒ砂子ʒ石子=1ʒ0.55ʒ1.75ʒ2.98，混凝土保护层分别为25mm 、30mm 。
为了防止在加油压过程中两端外露钢筋与混凝土交接面处出现漏油现象，在距离钢筋两端部50mm 处设置两块截面尺寸为100mm ˑ100mm ˑ10mm 的钢板。
为了增加钢板面与混凝土的粘结力，与混凝土接触的钢板面做成毛面，交界面处的钢筋与钢板采用焊接连接。
在钢筋的另一端部垂直钻一直径为5mm 的小孔，使之与水平孔道相通，将接油阀门孔与垂直孔对准后，将接油阀门底部与钢筋沿周边焊接，为防止漏油，钢筋两端的水平孔端部要点焊封堵。
试件开裂情况如图2所示。
图1试件示意Fig．1Schematic ofspecimen图2试件开裂情况Fig．2Specimen cracking situation2试验结果及分析2．1试验数据通过上述的油压试验，记录保护层开裂时的油压值，见表1。
表1试件产生裂缝时的油压值Table 1Oil pressure value of cracking emergingon specimens试件名称Y1-A Y1-B Y1-C Y2-A Y2-B Y2-C 保护层厚度/mm 252525303030油压值/MPa1．21．51．61．41．82对做完油压模拟锈胀力试验的试件表面产生的顺筋裂缝的宽度进行观测，每个试件表面沿长度方向选取10个观测点，观测数据见表2。
表2试件表面产生的裂缝宽度值Table 2The cracking width value emerging on the surface of specimens试件保护层一侧产生顺筋裂缝的宽度/mm Y1-A0．20．220．30．200．250．280．240．20．210．22Y1-B 0．320．30．320．360．330．340．330．350．380．3Y1-C 0．330．290．310．30．260．30．290．250．300．31Y2-A 0．30．20．30．30．30．30．20．150．180．18Y2-B 0．280．250．260．30．30．320．250．280．30．28Y2-C0．20．280．290．260．30．320．20．320．280．222．2结果分析对表1数据分析可以看出，随着保护层厚度的增大，试件产生裂缝所需的锈胀力也增大，这与文献［18］描述是一致的。
混凝土等级为C25时抗拉强度设计值为1.27MPa ，表1中数据略大于1.27，应属正常现象。
对表2数据分析可以看出，保护层厚度和裂缝宽度之间存在着一定的关系。
当保护层厚度为25mm 时，试件Y1-A 、Y1-B 、Y1-C 保护层一侧产生的顺筋裂缝宽度的平均值分别为0.232mm 、0.333mm 、0．294mm ；当保护层厚度为30mm 时，试件Y2-A 、Y2-B 、Y2-C 保护层一侧产生的顺筋裂缝宽度的平均值分别为0.241mm 、0.282mm 、0.267mm ，由此可以看出，用油压模拟钢筋锈胀力的试验中，在混凝土强度等级相同时，试件保护层厚度越大，顺筋裂缝宽度值越小［18-20］。
综合分析表1和表2数据，得到保护层厚度为25mm 、30mm 时模拟锈胀力和平均裂缝宽度的关系，如图3所示。
图3模拟锈胀力与平均裂缝宽度的关系Fig．3The relationship between expansionforce and the average crack width从图3可以看出，在一定范围内，随着模拟锈胀力的增加，混凝土保护层表面的裂缝宽度也有微小的增量，这与钢筋锈胀效应的实际情况是相符合的；图中混凝土等级为C25时，曲线有一个下降段，这是因为试验数量少，存在一定的离散性造成的，锈胀49四川建筑科学研究第38卷力和裂缝宽度的定量关系还有待于进一步研究。
2．3钢筋周围内部裂缝的分布规律将产生顺筋裂缝的试件沿其横截面进行切割，切开后观察横截面上沿着混凝土保护层方向的裂缝以及钢筋两侧混凝土产生的裂缝，如图4所示。
从切割的横截断面上可以看出，沿着混凝土保护层方向有一条贯通的裂缝出现，此裂缝就是在混凝土表面产生的顺筋裂缝，顺筋裂缝的宽度值变化很小，但与钢筋接触的正上方混凝土的裂缝宽度比顺筋裂缝宽度稍大；同时在混凝土内部钢筋两侧约45ʎ的方向上也出现了微小的裂缝，但此裂缝并未形成贯通的裂缝。
图4切割后的试件截面Fig．4The specimen section of cutting3结论1）通过油压试验得到了混凝土保护层一侧出现顺筋裂缝时所对应的油压值，该油压值可看作是混凝土开裂时刻的近似锈胀力。
这一数值对于研究开裂时刻的锈胀力的大小具有一定的意义，但是开裂前以及开裂后的锈胀力难以定量确定，有待于进一步研究。
2）混凝土强度等级相同时，试件保护层厚度越大，开裂所需的锈胀力越大，顺筋裂缝宽度值越小。
在一定范围内，随着模拟锈胀力的增加，混凝土保护层表面的裂缝宽度也有所增大。
3）沿着保护层厚度方向的裂缝扩展到了混凝土表面形成了贯通的裂缝，裂缝宽度值未发生明显的变化；在混凝土内部钢筋两侧的位置也出现了与水平轴呈一定夹角的裂缝，但此裂缝并未形成贯通的裂缝。
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