钢筋混凝土中钢筋的锈胀效应与分析模型.pdf
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1、2 0 1 6 年第4 期 中州煤炭 总第2 4 4期 井巷- 3 -程 磊营富 钢筋混凝土中钢筋的锈胀效应与分析模型 黄 波 文 ( 河海大学 力学与材料 学院工程力 学系, 江苏 南京 2 1 1 1 0 0 ) 摘要 : 钢筋混凝土结构在工程建筑等领域具有广泛的应用 , 但 由于其材 料本 身 的特 点和服 役环境 的影响 , 其 耐久性 问题 日益突 出, 尤其是钢筋锈蚀造成 的构件破坏 问题不 容小觑。简述 了混凝 土耐久性 灾害在实 际工 程 中的影响 , 概述 了混凝土 中钢筋 的锈蚀机理和锈蚀效应 , 分别考 虑钢 筋均匀和非 均匀锈蚀 2种 情形 , 介 绍 了混凝土保护层胀
2、裂时钢筋锈胀 力的分析模 型, 阐述 了数值计算方法在混凝土 锈胀 开裂研 究中的进展情况 。 指 出当前混凝土锈胀开裂研 究中一些值得重视的问题, 并对进一步深入研究的方 向进行 了展望。 关 键 词 : 混凝 土 结构 ; 耐 久 性 ; 钢 筋 锈 蚀 ; 锈 胀 力 中图分类号 : T V 3 3 1 文献标志码 : A 文章编 号: 1 0 0 3 0 5 0 6 ( 2 0 1 6 ) 0 4 0 0 4 0 0 6 M o d e l o f Co r r o d e d Ex p a n s i o n Ef f e c t o f Re i n f o r c i n g B
3、a r a nd I t s An a l y s i s M o de l Hu a n g Bo we n ( D e p a r t m e n t o fE n g i n e e r i n g Me c h a n i c s , C o l l e g e of Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s , H o h a i U n i v e r s i t y , N a n j i a g 2 l 1 1 0 0, C h i n a ) Abs t r a c t : Co nc r e t e s t r u c t u r e
4、s h a v e b e e n wi de l y u s e d i n t h e fie l d o f e n g i n e e r i n g a n d c o ns t r uc t i o n, b u t i t s d u r a bi l i t y p r o b l e ms ha v e b e c o me i n c r e a s i ng l y p r o mi n e n t du e t o t he c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e ma t e r i a l i t s e l f a nd t
5、 he s e r v i c e e n v i r o nme n t Es p e c i a l l y, d a ma g e by c o r r o d e d e x p a ns i o n f o r c e o f r e i nf o r c i ng b a r The a r t i c l e h a s i n t r o du c e d t he i n flue nc e o f c o nc r e t e d u r a b i l i t y o n t he a c t u a l e ng i n e e r i ng b a s ed o n
6、u ni f o r m c o r r o s i o n a n d n o n u n i f o r m c o r r o s i o n, t h e a n a l ys i ng mo d e l o f c o r r o d e d e x pa n s i o n f o r c e i n r e b a r wh e n c o nc r e t e c o ve y i s c r a c k e d, d e v e l o pme n t o f t he a p p l i c a t i o n o f nu me r i c a l c o mpu t a
7、 t i o n me t h o d i n t h e s t u d y o n c o r r o s i o n o f c o n c r e t e we r e a l s o i n t r o du c e dS e v e r a l pr o b l e ms ne e d t o be a t t e n t i o n i n r e i n f o r c i n g s t e e l r e s e a r c h we r e a na l y s e d a nd i t s de v e l o p me n t a l s o wa s pu t f
8、o r wa r d Ke ywo r ds: s t u c t ur e o f c o n c r e t e; d u r a b i l i t y; c o r r o s i o n o f r e ba r; c o r r o de d e x p a n s i o n f o r c e 混凝土结构的耐久性问题越来越受到国内外学 术界和工程界的广泛关注和高度重视 , 国内外统计 资料 显示 , 由混凝 土 结 构 的耐 久 性 病 害所 造 成 的 经 济损 失是 巨大 的。 据美 国标 准 局 ( N B S ) 1 9 7 5年 的 调查 报告 , 美 国全年 各 种
9、 因混 凝 土 结 构 耐久 性 问题 造成 的损 失就 达到 7 0 0亿 美元 , 其 中 4 0 为混 凝 土 中钢 筋锈蚀 所 引 起 , 1 9 8 5年 数 据 更 是 增 长 到 1 6 8 0 亿美 元 。英 国英 格 兰 岛 中部 环形 快 车道 上 的 1 1 座混 凝 土高架 桥 , 初 始造价 为 2 8 0 0万 英镑 , 到 1 9 8 9 年 因维 修 所 耗 资金 为 4 5 0 0万 英 镑 , 为 初始 造 价 的 1 6倍 , 并 预计 在 后 1 5年还 需 耗 资 1 2亿 英 镑 , 累 计接 近初 始造 价 的 6倍 之 多 。 同样 , E t
10、本 、 北 欧 、 加拿 大 、 澳 大 利 亚 等 国家 都 存 在 氯 盐 为 主 的 盐 害 。 有 国外学 者 曾用 “ 五 倍 定 律 ” 形 象 地 阐述 了耐 久 性 因素对 混凝土 结构 设 计 的 重要 性 , 即在 设 计 阶段 钢 收 稿 日期 : 2 0 1 6 0 22 5 基金项 目:国家 自然科学基金( 1 1 3 7 2 0 9 9 , 1 1 1 3 2 0 0 3 , 5 1 1 7 9 0 6 4 ) 作者简介 :黄波文 ( 1 9 9 O ) , 男 , 江西鄱阳人 , 硕士研究生在读 , 主要 从 事 灾 变 破 坏 力 学研 究 工作 。 4 0 筋
11、防护每节省 1美元 , 就意味着在钢筋锈蚀时将追 加维 修费 5美元 ; 混 凝 土表 面顺 筋 开 裂 时将 追 加 维 修费 2 5美 元 ; 严重 破 坏时 将追 加维 修 费 1 2 5美 元 。在我 国 , 混凝 土 结 构耐 久 性 问题 同样 十 分 突 出。我 国现有 建筑 面积为 5 0亿 i n , 其 中约 1 3亿 m 需进 行鉴 定加 固 , 近 1 0亿 m 急需 维 修 加 固才 能 继 续 服役 。交通部 管制 的 3 2万 座桥 梁 中 , 有 5 0 0 0座 已被鉴定 为危 险桥梁 , 在华 南地 区 已服役 1 0 2 5年 的港 口、 码 头 中 ,
12、8 9 已 经 出 现 不 同 程 度 的 钢 筋 锈 蚀 , 急需修 补 。连 云港第一 、 第 二 号码 头 服役 不 到 3 年 , 湛江 一 区老 码 头 服役 不 到 4年 , 宁 波北 仑 港 l 0 万 t 级码 头服役 不 到 1 0年 , 均 出现 梁架 不 同程 度 的 顺 筋开裂 情 况 , 国内外 与 此类 似 的典 型工 程 实 例 不 胜枚举 。由此可 见 , 混 凝 土 结构 耐 久 性 问题 是 一 个 十分严 重 而迫切需 要加 以解 决 的问题 。 到 目前 为止 , 钢 筋混 凝 土结 构 耐 久性 极 限 状态 的界定还存在分歧 , 但将钢筋锈蚀 引起
13、的混凝 土保 护 层 的胀 裂 作 为 极 限状 态 有 利 于结 构 的 安 全 。 因 此 , 开 展钢筋 锈蚀 机 理 及其 分 布 特 征 的研 究 并 进 而 2 0 1 6年第 4期 黄波文 : 钢筋混凝土 中钢筋的锈胀效应与分析模型 总第 2 4 4期 建立 相 应 的锈 胀 力 力学模 型 就显 得 十分 必要 。 1 钢筋 的锈 蚀机理和锈 胀效应 混凝 土 内钢 筋 的锈蚀 是 一个 复杂 的 电化学 反 应 过 程 。混 凝 土结 构 本 身 含 有 大 量 孔 隙 , 且 其 孑 L 隙 中 充 满 了氢 氧 化钙 溶液 , 因而混 凝 土具 有很 高 的碱性 , 其
14、p H 值 为 1 2 51 3 5 。在 这 样 高 的碱 性 环 境 中 , 埋 置 的钢 筋很 容 易 发 生 钝 化反 应 , 在 钢 筋 表 面 生成 一 层致 密 的钝 化 膜 , 可 以有 效 地 阻 止 埋 置 昆凝 土 中 的钢筋 的锈蚀 。但 钢筋混凝 土结构在 服役过程 中遭受外部环境的侵蚀 , 例如外部环境 中的二氧化 碳 、 硫 酸 盐等 物质 的作 用 下 会 使 混 凝 土保 护 层 中性 化 , 氯 离 子作 为 一种 极强 的 去钝 化剂 , 其侵 入将 使 得 钢筋表面的钝化膜遭到破坏 。一旦钢筋表面的钝化 膜被破坏 , 在有水和氧气及其他条件充分的情况下
15、, 钢筋 会 发生 电化 学反 应 而逐 渐锈 蚀 。 钢 筋锈 蚀对 混凝 土 结构 破坏 的根 本 原 因就是 钢 筋锈蚀产物的体积大于原钢筋的体积而发生体积膨 胀 。锈 蚀反 应发 生 后 , 会 在 钢 筋 表 面 生 成 一 层 疏 松 的锈蚀产物 , 其体积较锈蚀前 的体积增大很 多。由 于锈 蚀 产物 的形 式 及 组 成 成 分 的 不 同 , 锈 蚀 产 物 体 积膨 胀 系数 也不 尽 相 同 , 一 般 多 为 24倍 , 最 大 可 到 7倍 。锈蚀 产 物会 逐渐 向周 围混 凝 土孔 隙 中扩 散 , 当锈 蚀 量超 过孔 隙体 积 时 , 锈 蚀物 的膨胀 就会
16、对 周 围 的混 凝 土 产 生 径 向 的 膨 胀 压 力 和 环 向 的 拉 应 力 , 应力 的大小 与 锈 蚀 程 度 呈 正 比关 系 。 由于 混 凝 土的抗拉强度较低 , 当锈蚀发展到一定程度时, 混凝 土 内 的拉应 力将 超 过其 所 能 承 受 的最 大 抗 拉 强 度 , 此 时混 凝 土就会 因受 拉 而 开 裂 , 而混 凝 土 的开 裂 又 进 一步 加剧 了钢筋 的锈 蚀 。其 过 程 大致 可 以分 为 3 个 阶段 。 ( 1 ) 锈 蚀产 物 自由膨 胀 阶段 。钢 筋脱 钝 开 始 锈 蚀 后 , 产生 的锈 蚀 物首 先填 人 毛细孔 和 空 隙 中 ,
17、 在锈 蚀 物未 填 满空 隙之 前 不会 对周 围混 凝 土产 生钢 筋锈 胀 力 。 ( 2 ) 混 凝 土保 护层 受 力 阶 段 。 当锈 蚀 产 物填 满 钢筋与混凝 土交界面毛细孔后 , 钢筋继续锈蚀产生 的锈蚀物将对外围混凝 土产生锈胀力 , 从 而使得混 凝 土保 护 层受 到环 向 拉应 力 , 且 该 拉 应力 的 大小 与 钢 筋锈 蚀 程度 呈 正 比关 系。 ( 3 ) 混凝土保护层 开裂 阶段。当钢筋锈蚀 达到 一 定 程度 时 , 混凝 土 保 护 层 在 钢 筋 表 面 附 近 首 先 出 现 裂缝 , 裂缝 随着 钢 筋 锈 蚀 的 发 展 逐 渐 延 伸 到
18、 混凝 土表 面 。并且 此阶 段所 产生 的锈蚀 物使 得混 凝 土保 护层 中的裂 缝不 断 展 开 , 同时 大 量 的锈 蚀 物 也 填 充 到裂缝 中去 , 加 剧 了破坏 的速 度 , 大大 缩短 了结 构 的 服役时 间 。 2 混凝土保护层胀裂时的钢筋锈胀 力模型 钢 筋 混凝 土 结 构 中 钢筋 发 生 锈蚀 后 , 产 生 的 锈 蚀 物会 向周 围膨 胀 , 由于 钢 筋外 围混 凝 土 的限 制 作 用 , 在钢 筋 与混凝 土 交界 面就会 产 生压力 , 称 为钢 筋 锈胀 力 。 当锈胀力 引起 的应 力 超过 混凝 土 的极 限强 度 后 , 钢 筋 混凝 土
19、与 钢筋界 面 首先产 生裂 缝 , 并 由里 至外发展至混凝土保护层表面 , 最终导致结构完全 破坏。因此 , 开展钢筋锈胀力的研究对 于保障钢筋 混凝 土结 构 的安 全 具有 重要 的作用 。 2 1 基 于钢 筋 均匀锈 蚀 的锈 胀力模 型 金 伟 良等 应 用 弹 性 力学 知 识 进 行 理 论 分 析 , 并 结合 已有 的研 究 成 果 , 导 出 了钢 筋 均匀 锈 蚀 情 况 下外围混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈胀力计算式 ( 1 ) 和 混凝 土 胀 裂 前 的钢 筋 锈 胀 力 式 ( 2 ) 。探 讨 了 与钢筋 锈 胀力 相关 的各个 影 响 因素 , 分 析认 为
20、 : 钢筋 锈 蚀率 对 钢筋锈 胀 力 的影 响最 大 ; 混凝 土 强 度 等 级 对 钢筋 锈 胀力 的影 响 甚 微 , 但 对 构 件外 围混 凝 土 保 护层胀裂时刻钢筋锈胀力终值的大小有一定影响 ; 钢筋锈 胀 力 随混 凝 土 保 护 层 厚 度 的增 加 而 略 有 增 加 , 但与钢筋直径的增加则相反 , 且钢筋直径对钢筋 锈胀 力 的影 响程 度 要 大 于 混 凝 土 保 护 层 厚 度 的 影 响 。 q = f 0 3 + 0 6 号 ( 1 ) 、 u q = 三匝互 = ! ! : : : : : : : : ( 1 +M t ) R e +( 1一M 1 )
21、n p R E1 ( c 一R ) 1 4 0 e ( 1 9 2 4 n p+22 p) 式中, c 为混凝土保护层厚度 ; R( d 2 ) 为钢筋半径 ; 为混 凝 土抗 拉 强 度标 准 值 ; n为 钢 筋锈 后膨 胀 率 , 2 4 ; 为 混 凝 土 泊 松 比 ( 按 平 面 应 变 考 虑 时 为 0 2 5 ) ; E 为混 凝 土弹 性 模 量 ; p为 钢 筋锈 蚀 率 ( 按 钢筋 截 面损 失率计 算 , 即 P: 二 1 0 0 ) 。 0 王军 强 等 考 虑 了 实 际 钢 筋 混 凝 土 结 构 中钢 筋 分布位 置 的不 同 , 应 用 弹 性力 学 的理
22、 论 建 立 了 一 般 开裂 破坏 、 层 裂破 坏 和 角 区破 坏 3种 情 况 下 的 锈 胀 力计 算公 式 : 41 2 0 1 6年第4期 中州煤炭 总第 2 4 4期 筋半 径 ; f的取 值 与 a R有 关 ; c为 保 护 层 厚 度 ; ( 3 ) 2 a为裂缝 端点 处的距 离 。 式 中 , 为混凝 土保 护层 厚度 ; D为 钢筋 直径 为混 凝 土 的抗 拉 强度 ; S为钢筋 间距 。 卢鹏 程 认 为混 凝 土 材 料 的开 裂 与 裂 纹 的 扩 展有关 , 其建立的计算模型将虚拟裂缝模型与弹性 理论相结合, 得到了式 ( 4 ) 的混凝土保 护层开裂时
23、的最 大膨 胀力 预测模 型 。 g ( 精 + ) 对式 ( 4 ) 的 r 求导 , 并令 之 为 0 , 代 人 式 中 即可 得 钢筋混 凝土 锈胀 开裂 的最大膨 胀力 。其 中, ( ) 为 混凝 土黏 聚应力 ; b为外 半径 ( 钢 筋半 径 与混凝 土 保 护层 厚度 之和 ) ; r 为 内半 径 ( 钢筋 截 面 圆心 到混 凝土保护层内围的距离) ; 为混凝土抗拉强度。 王 显利 等 。 。 应 用混凝 土的断 裂理 论 , 考虑 混凝 土 中初 始裂缝 和微 缺 陷 的 特征 , 假 定 混 凝 土 内部 钢 筋 表 面位置 沿径 向存 在 2条初 始 裂 缝 , 得
24、 出 了应 力 强 度 因子 的近似解 析 解 , 再 通 过 应力 强 度 因 子 与锈 胀力 的关 系建 立 了基 于 双 K 断 裂参 数 的保 护层 初 始 开裂 和完 全开裂 时刻 的 临界 锈胀 力 计 算式 ( 5 ) 和 式 ( 6 ) 。 ( R ; 一 R ) 盯 。 。 2 R ( a 一 R ) K ( R R ) 盯 。 q m a x ) 式 中, 为混凝 土的起始断裂韧度 ; K 7 为混凝 土 等效断裂韧度( 作为混凝土的性能参数可由三点弯 曲梁试 件 , 通过实 验 测 得 的最 大 荷 载 和 临界 裂 缝尖 端张 开位移 , 按 照吴智 敏等 的理 论方
25、法 计算 ) ; a 和a 分 别 为 初 始 裂 缝 长 度 和 临 界 裂 缝 长 度 , a = a 。 +A a , A a 为裂 缝亚 临界扩 展量 。 李清富等 分别 以弹塑性力学和断裂 力学理 论 为基础 , 推导 了钢 筋 混 凝 土 临界 锈 胀力 的计 算 公 式 , 通过 比较后 得 出结果表 明 : 以断裂 力学 为依据 推 导 的临界 锈胀 力更 加 接 近真 实 情 况 , 而 以 弹塑 性 力 学 为依据 推导 的临界 锈胀力 较 真实情 况偏小 。由断 裂力 学推 导 的临界锈 胀力式 ( 7 ) : q ( R+C ) 。一R 0 +R R a +( R+C
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