混凝土中钢筋锈蚀深度预测模型.pdf
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1、第 1 4 卷第 6 期 2 O 1 1年 1 2月 建筑材料学报 J OURNAL 0F B UI LDI NG MATERI ALS Vo1 1 4, No 6 De c , 2 01 1 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 8 4 4 0 6 混凝 土 中钢 筋锈 蚀深度预测模 型 徐 港 , 费红芳 , 刘德 富 , 王 青 , 卫 军 ( 1 三峡 大 学 土木 与建 筑学 院 , 湖北 宜 昌 4 4 3 0 0 2 ;2 中南大 学 土木 建筑 学 院 ,湖南 长 沙 4 1 0 0 8 3 ) 摘 要 :通过 对在 自然环境
2、下 经历 2 a干湿循 环作 用 的锈蚀 钢 筋混 凝 土试 件 的试验 研 究 , 探 讨 了保护 层锈 胀 开 裂后钢 筋的锈 损程度 及 其影 响 因素 依 据 试 验 结果 , 运 用数 理 统 计 相 关知 识 , 对 试 件 的锈 蚀特 征进 行 分析 , 建 立 了与保 护层 厚 度 、 表 面 裂 缝 宽度 、 钢 筋 直 径 、 混 凝 土 强度 等 级 及 箍 筋 间距 相 关的混凝土中钢筋锈蚀深度预测模型 ; 对模型进行参数敏 感性分析表 明, 表 面纵 向锈胀裂缝 宽度 是 影 响钢 筋锈 蚀深度 的最主要 因素 , 除其 他 因素 外 , 箍 筋 间距 对 纵 向钢
3、筋锈 蚀 深 度 也 具 有 一 定影 响 , 且 随箍 筋 间距减 小影 响程 度逐 渐 显著 ; 经试 验验 证 , 所建 立模 型具 有较 强 的适 用性 关键 词 : 钢 筋混凝 土 ;锈蚀 ;干 湿循环 ;箍 筋 ; 锈 蚀 深度 ; 预 测模 型 中图分 类号 : TU3 7 5 1 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 l 1 0 6 0 2 4 Pr e di c t i o n M o d e l o n t h e Re b a r Co r r o s i o n De pt h i n
4、 Co n c r e t e XUGa n g , FEI Ho n g fa n g , LI UDe fu , WANG Qi n g , WEI Ju n ( 1 C o l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g Ar c h i t e c t u r e ,Ch i n a Th r e e Go r g e s Un i v e r s i t y ,Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2,Ch i n a ; 2 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g & Ar c h
5、 i t e c t u r e ,Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y,Ch a n g s h a 4 1 0 0 8 3,Ch i n a ) Ab s t r a c t:By t he w e t d r y c y c l e t e s t on r e i nf or c e d c o nc r e t e s pe c i me ns u nd e r na t ur a l c o nd i t i on s f or t wo ye a r s,c o r r os i o n d e g r e e o f r e b a
6、 r s a f t e r c on c r e t e c ov e r c r a c k i ng a nd i t s i n f l ue nc i ng f a c t o r s we r e me a s ur e d Ba s e d o n t he t e s t r e s ul t s ,a p pl y i n g t he kn owl e dg e o f m a t he ma t i c a l s t a t i s t i c s t o a na l y z e t he c o r r o s i o n c ha r a c t e r i s
7、t i c s o f s a mpl e s 。a pr e di c t i o n m o d e l f o r t he c o r r o s i on d e p t h of r e i nf o r c e m e nt wa s e s t a bl i s he d i n r e l a t i on t o t he c o nc r e t e c ov e r t hi c kne s s,s u r f a c e c r a c ks wi d t h,ba r di a m e t e r ,c onc r e t e s t r e ng t h,s t
8、i r r up s pa c i n g,a nd S O o n Th e s e n s i t i vi t y a n a l ys i s t o mo de l pa r a m e t e r s s h o w s t ha t c r a c k wi d t h on t h e s ur f a c e i s t he m o s t i mpo r t a nt f a c t o r f o r t he c o r r os i o n d e p t h o f s t e e l ;s t i r r up s p a c i ng a l s o ha s
9、 a s i g ni f i c a nt e f f e c t o n t he c o r r o s i on d e pt h o f l o ngi t ud i na l r e i nf o r c e me nt ;t he s m a l l e r t he s t i r r u p s pa c i ng i s,t he mo r e r e ma r ka b l e t he e f f e c t i s The e x pe r i m e nt a l da t a s ho w t ha t t he mo de l i s o f g o o d a
10、 pp l i c a b i l i t y Ke y wo r ds :r e i nf or c e d c on c r e t e ;c or r o s i o n;we t dr y c yc l e;s t i r r up;c or r os i o n de pt h;pr e d i c t i o n m o de l 混凝 土 中钢筋 锈蚀 程度 的确定 是进 行结 构 寿命 评估 的基 础 试 验研 究 时 可 以通 过 构 件 破 型来 确 定 钢筋 的锈 蚀 程度 , 但 该 法 显 然 并 不 适 用 于 对 在役 结 构 的检测 当前无 损检 测技 术 已十
11、分 发 达 , 但 对 于 混 凝土 中钢 筋锈 蚀情 况 的测试 仍 局 限在钢 筋 的腐 蚀 电 位或 电流 的测 定 , 仅 可 对 锈 蚀 产 生 与 否 及 其严 重 程 度做 出定 性判 别 , 尚无 法定 量描 述钢 筋 的锈 蚀程 度 为此 , 如果 能 利 用 结 构 的 易 获 取 信 息 , 如 混 凝 土 强 度 、 保 护层 厚 度 等来 推 算 混 凝 土 中钢 筋 的锈 蚀 量 将 具有 重要 意 义 基 于这 一思 路 , 国内外学 者对 该 问题 进行 了深 入研 究 l 1 , 但 现有 成果 主要 存 在两 方 面 的 不 足 , 首 先 , 大部 分研
12、究成 果集 中在 锈蚀 导致 保 护 层 胀裂 之前 , 而 对 于保 护 层 开裂 后 钢 筋 锈 蚀 深 度 的 预 测研 究较 少 l 8 , 且 研 究 结 论 多 建立 在通 电锈 蚀 试 验 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 6 1 7 ;修订 日期 : 2 0 1 0 - 0 8 1 7 基金项 目: 国家 自然科学基金重点项 目( 5 0 5 3 8 0 7 0 ) ; 铁道部重大科技项 目( 2 0 0 8 G0 3 1 _ 1 8 ) ; 高速铁 路建造技术 国家工程实验 室开放基 金项 目; 湖北省教育厅科学研究计划重点项 目( D2 o 0 9 1 3 I O ) 第
13、一作者 : 徐港 ( 1 9 7 4 一 ) , 男 , 内蒙古达茂旗人 , 三峡大学 副教授 , 博士后 主要从事混凝土结构耐 久性研究 E ma i l : p o s t x g 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 6 建筑材料学报 第 1 4卷 2预测模型 的建 立 根据试验数据 , 依据数理统计原理得到纵 向钢 筋锈 蚀深 度 与混 凝 土 强 度 ( , ) 、 保 护 层 厚度 ( c ) 、 钢筋 直径 ( d ) 、 箍 筋 间 距 ( s ) 及 保
14、护 层 锈 胀 裂缝 宽度 ( ) 的经 验公 式 , 假 设 上 述 5个 因素 对 的作 用 是 相 互 独立 的 , 则 回归方 程 可 以写成 式 ( 2 ) 或 式 ( 3 ) 的 形式 : 一 C i L厂( A ) = l 一 C 。I I f( A ) ( 2 ) ( 3 ) 式 中: A 为独立变量 ; C 。 , C 为回归系数 常用 的拟 合 函数有 幂 函数与 指数 函数 , 即 : f ( A )一 a 5 ( 4 ) 或 f( A )一 Ai ( 5 ) 式 中: 口 为回归系数 分别采用式 ( 4 ) , ( 5 ) 这 2种函数形式, 考虑 以上 5 个 因素对
15、 的影 响, 另外还考虑到一 些文献 1 5 - 1 7 也常把混凝土相对保护层厚度 ( c d ) 作为独立的变 量 , 综合各种可能情况 , 经排列组合共得 到 5 O种方 程形式 进一步分析比较可得到其最优模型 , 即残差 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 徐港 , 等 : 混凝 土中钢筋锈蚀深度预测模 型 8 4 7 的平方 和最小 的 回归方 程式 : : 0 36 8 8 瑚 。 0 9 2 9 1 0 9 9 9 3 1 0 0 2 2 4 2 0 7 ” ( 6 ) 由式 ( 6 ) 可见 , 均 随 , c , d的增 大而减 小 ,
16、随 S 和 的增 大而增 大 , 这正 与许 多文献 6 。 。 。 9 表 述 的试 验现 象一 致 3 敏 感性分 析 为 了进一 步 确定 是哪 个 因素对 钢筋锈 蚀 深 度 的 影响最大, 可对式 ( 6 ) 进行敏感性分析 敏感性 系数 是 基本 参数 偏 移 引起 的纵 向钢 筋 锈 蚀 深 度 ( 下 文 以 函数 f ( D ) 来表 示 ) 的相 对变 化 , 其定 义 为 : 一 O f( D ) O x ( 7 ) 式 中 : a z 为 参 数 2 2 的相 对 偏 移 量 ;8 f ( D )为 由 z 引起 的纵 向钢筋锈蚀深度因子的相对变化 通过设定参数偏移值的
17、纵向钢筋锈蚀深度因子 计 算 , 可 以得到 它对 不 同参数 变化 的敏 感性 曲线 显 然 , 反 映了参 数 z 敏感 性 曲线 的 割线 斜 率 , 越 大 , 表示 构 件 的参 数 变 化 愈 容 易造 成 其 耐 久 性 的不 足 , 参数 的危险 性也 愈大 因此 , 在 实 际工程 中 , 可将 敏 感性 系数 较 大 的参 数 作为重 点 检测参 数 利 用灵 敏度 分析 方 法计算 诸 因子对 的影 响程 度 , 结果 表 明 : 试 件表 面 叫较 其 他几个 因素 而言 对 的影响最 大, 其余依 次是 c d 比较发现 厂 。 与 C 对 的影 响 相 差不 大 ;
18、 而 S 和 d对 的影 响 程度也相近 , 但前者略大于后者 , 这说明对 于配箍试 件 , 尤其是 对 于 箍筋 加 密 区构 件 的纵 筋 锈蚀 深 度 预 测 , 忽略 箍筋 影 响是不 合适 的 4模型适用性验证 为 了验证 本文 所 建 立 模 型 的适 用 性 , 分 别 将 试 验 数 据 、 式 ( 6 ) 以及 C E C S 2 2 0 : 2 0 0 7 ( ( 混 凝 土 结 构 耐 久性评定标准 推荐公式( 如式( 8 ) ) 的计算值绘于图 3 由图 3可见 , 本文模型与式 ( 8 ) 具有很好 的相关 性 , 两 者变 化趋 势几 乎 同步 , 但 式 ( 8
19、 ) 的预 测 值 普遍 高 于实 测值 , 这 可能 正是 由于忽 略箍筋 作用 所致 一 0 0 8 6 w+ 0 O 0 8 c d+0 0 0 0 5 5 f + 0 0 1 5 ( 训 0 1 mm) ( 8 ) 为 了充 分验证 式 ( 6 ) 的适用 性 , 尚需 借助 第 三方 的试 验数 据 但 是从 相 关学 者公 开发 表 的文献 来 看 , 无论 是基 于 实 验室 试 验 还 是 工 程调 查 分 析 的成 果 , 所提供的数据不是参数不详尽 , 就是采用的是典型 化试件 ( 钢筋位于试件中心 , 与实际构件配筋形式差 异 较 大 ) 且 多 采用 的是 通 电快速
20、锈蚀 法 , 很 难 找 到能 完全适用 于本 文模型 验证 的数据 ( 尤其 是配 筋试 图 3 锈蚀深度实测值与预测值的 比较 Fi g 3 Comp a r i s o n b e t we e n me a s u r e d a n d p r e d i c t e d c o r r o s i o n d e pt h 件) 考虑到文献 1 8 曾被多个研究者引用, 具有一 定 的代 表性 , 故 从该 文 中选 取 与 本 文试 件 特 征 最 为 接近的 3 O 组相关试验数据 ( 见表 3 ) 用 于模型验证 表 3中的试件编号 1 3 0在文献D8 中对应编号为 4 6
21、 7 5 表 3 文献D8 1 试验数据 T a b l e 3 E x p e r i me n t a l d a t a i n r e f e r e n c e l 8 N 。 厂 c MP a mm mm Th 。 。 。 “ 0 1 5 0 0 0 0 0 5 0 2 5 0 1 2 0 0 5 0 2 O 0 2 5 0 1 2 0 1 5 0 3 0 040 0 3 5 0 0 5 0 3 0 0 7 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 8 0 01 0 0 3 5 0 05 0 1 O 1 1 O 0 8 O 045 070 0 55 005 0 01 8 9 0
22、0 06 1 0 O 16 5 0 0 4 0 9 0 0 4 8 6 0 0 3 2 2 0 0 6 4 9 0 0 9 7 5 0 0 4 8 4 O O 5 9 3 0 0 0 5 3 0 1 3 9 O 0 1 3 3 7 0 0 5 9 7 0 0 4 8 6 0 2 00 4 0 0 6 4 6 0 0 5 3 7 0 1 07 3 0 2 1 0 4 0 07 5 9 0 0 8 91 0 0 3 31 0 0 6 5 4 0 2 4 8 5 0 2 0 9 4 0163 6 O 1 3 6 3 0 1 O 6 8 0 1 01 3 由于表 3数据 是基 于无 箍筋 通 电锈 蚀
23、试 件 得 到 的, 为此在利用式 ( 6 ) 进行锈蚀深度计算时 , 存在着 如 如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 8 建筑材料学报 第 1 4卷 箍筋 问距 的取值 问题 由文献 1 l 一 1 2 可知 , 随箍筋 间距 增 大 , 它对 保 护 层 锈 胀 开裂 及 锈 胀 裂 缝 宽 度 发 展 的影 响逐 渐减 小 , 再 考 虑 到本 文 模 型 的数 据 基 础 ( 最大箍筋间距 2 4 4 ram) , 故假设 当 s大于或 等于 3 0 0 mm时 , 其影响可以忽略不计 据此, s 取 3 0 0 H l m, 再分别将表 3数据
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