鋼筋銹蝕作用下混凝土保護層脹裂過程研究

黃志建

（莆田聯(lián)欣泰置業(yè)有限公司，福建莆田 351100）

0 引言

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，受碳化或氯鹽等因素的影響，其表層會因氧、水等物質(zhì)的擴散而出現(xiàn)電化學銹蝕。 在腐蝕過程中，鋼筋的徑向腐蝕膨脹力會增加，從而導致周圍混凝土的環(huán)向拉應力也會隨之增加，一旦超出其容許應力，在腐蝕界面上會產(chǎn)生一條沿著空穴的放射狀裂紋，從而引起防護層沿鋼筋的膨脹開裂，乃至整個剝離失效。 當混凝土保護層膨脹開裂并失效的瞬間，相應的鋼筋腐蝕速率就是鋼筋腐蝕速率。防護層混凝土裂縫會加速鋼筋腐蝕，降低其使用壽命。因此，確定在腐蝕環(huán)境下鋼筋腐蝕導致的防護層裂紋失效所導致的腐蝕速率，對于評價其耐久性能有著十分重要的意義。

1 有限元模型的建立

1.1 基本參數(shù)

分別針對處于邊中和角部條件下的單根銹蝕鋼筋導致的混凝土保護層脹裂破壞過程的模擬分析，以高度H 為225 mm，寬度B 為250 mm 的鋼筋混凝土構(gòu)件作為研究對象，所有模型軸向厚度取30 mm。

1.2 有限元分析模型

在建立的模型中，利用擴散裂紋理論對腐蝕后的混凝土保護層進行了擴展和開裂的全過程的數(shù)值計算。其材料為彈性填量為2×104MPa，泊松系數(shù)為2.4 MPa，以SOLID65 為材料制備了一種新型的材料。 利用混凝土的應力-變形曲線建立了混凝土的本構(gòu)方程， 對腐蝕后的混凝土進行力學性能分析。由于在引起混凝土保護層產(chǎn)生脹裂破壞時的徑向內(nèi)壓力很小， 因此不會導致混凝土產(chǎn)生壓碎破壞，所以在進行數(shù)值模擬時，為節(jié)約計算求解的時間，關閉壓碎選項。在計算混凝土的非線性荷載時，使用了5%的收斂率。

2 單根銹蝕鋼筋引起的混凝土保護層脹裂破壞過程

2.1 單根銹蝕鋼筋位于邊中

對處于邊中的單根銹蝕鋼筋，因為銹蝕產(chǎn)生物體體積膨脹引起的混凝土保護層脹裂破壞過程展開了數(shù)字仿真，當單根銹蝕鋼筋處于邊中時，其中所分析模型混凝土保護層厚度c=25 mm,d=20 mm，使用C30 混凝土。

在鋼筋生銹膨脹的初始階段， 在孔的半徑方向上，對混凝土施加的最大主應力進行了分析，結(jié)果表明：腐蝕后的鋼筋在孔的周圍是最大主應力，并從孔的內(nèi)側(cè)開始，隨著時間的推移，最大主應力會越來越小，直至趨于0。在此基礎上，提出了在最大主應力范圍內(nèi)，最大主應力值在0 以上為拉伸，而在0 以下為壓縮。 在鋼筋生銹膨脹力的影響下，靠近空腔的混凝土會產(chǎn)生環(huán)向拉力，且環(huán)向拉應力比較均勻，而距離空腔較遠的地方，則會產(chǎn)生近似于0 的應力，也就是說，對于空腔內(nèi)的鋼筋生銹膨脹力影響不大。 因腐蝕后的鋼筋孔洞周圍混凝土對腐蝕產(chǎn)物的體積收縮限制作用差異， 使腐蝕后的鋼筋保護層區(qū)最大主應力呈現(xiàn)增加的態(tài)勢， 而最大主應力出現(xiàn)在腐蝕后的內(nèi)緣， 說明腐蝕后的鋼筋保護層區(qū)是腐蝕后裂紋發(fā)展的最弱環(huán)節(jié)。 隨著鋼筋銹脹力的增加，在混凝土最大主拉應力達到其材料的抗拉強度后， 在孔洞正下方的內(nèi)邊緣位置的混凝土會率先出現(xiàn)裂紋， 在混凝土出現(xiàn)裂紋后， 最大主拉應力會在一瞬間降低到接近于0，這說明在該位置的混凝土已徹底喪失了抗拉能力。 然后，腐蝕后的鋼筋孔內(nèi)側(cè)的上端及左右兩邊的混凝土也相繼出現(xiàn)裂紋。 伴隨著銹脹力的增加，裂縫由孔洞內(nèi)邊緣向外持續(xù)擴展， 與孔洞下部垂直裂縫向混凝土保護層外表面的擴展速度相比較， 孔洞水平向和上部裂縫擴展比較慢。

2.2 單根銹蝕鋼筋位于角部

對處于角部的單根銹蝕鋼筋，因為銹蝕產(chǎn)物體積膨脹而引起的混凝土保護層脹裂破壞過程展開了數(shù)字仿真，為當單根銹蝕鋼筋處于角部時，其中所分析模型混凝土保護層厚度c=25 mm,d=20 mm，使用C30 混凝土。

在鋼筋生銹膨脹的初始階段， 在空穴的半徑內(nèi)壓下，為混凝土施加的最大主應力的分布圖，從圖可見，在腐蝕的鋼筋空穴周圍，最大主應力是從空穴的內(nèi)側(cè)開始的，直至趨于0。 在腐蝕膨脹力的影響下，靠近空腔的混凝土會產(chǎn)生環(huán)向拉力， 且環(huán)向拉應力較均勻；而距離空腔較遠的空腔內(nèi)，則會產(chǎn)生近似于0 的應力，對空腔內(nèi)的鋼筋腐蝕膨脹力影響不大。 因腐蝕后的鋼筋孔洞周圍的混凝土對腐蝕產(chǎn)物的體積收縮的限制作用， 導致最大主應力在孔洞左邊和下面的混凝土保護層中出現(xiàn)， 最大主應力出現(xiàn)在腐蝕后的孔洞內(nèi)側(cè)，由此可得，腐蝕后鋼筋孔洞左邊的保護層是腐蝕后裂縫最薄弱的地方。 當鋼筋銹脹力持續(xù)增加，當混凝土最大主拉應力達到其物質(zhì)的抗拉強度時，銹蝕鋼筋孔洞內(nèi)邊緣位置的混凝土會率先出現(xiàn)裂紋，裂紋的位置會在孔洞正下方、左側(cè)水平向和右上方的內(nèi)邊緣處出現(xiàn)裂紋，如在混凝土出現(xiàn)裂紋后，最大主拉應力會在一瞬間降低為接近于0，這說明在該位置處的混凝土已喪失了抗拉能力，從而停止工作。 之后，裂紋從孔洞內(nèi)邊緣持續(xù)向外擴展，因為銹蝕的鋼筋孔洞左邊和底部的混凝土保護層對鋼筋銹脹作用的約束是一樣的，所以，在鋼筋孔洞下面的垂直裂縫和左邊的水平向裂縫向混凝土保護層外表面的擴展速度幾乎是一樣。

3 單根銹蝕鋼筋引起的混凝土保護層脹裂影響因素分析

3.1 混凝土抗拉強度

為研究混凝土抗拉強度對混凝土保護層因鋼筋銹蝕而脹裂破壞時臨界銹脹力（q）大小的影響進行，構(gòu)建了三組不同混凝土保護層厚度與銹蝕鋼筋直徑比值c/d 單根銹蝕鋼筋位于元件邊中情況下的混凝土模型，在每組模型中，混凝土保護層厚度c 和鋼筋直徑d 都保持不變，只對混凝土抗拉強度進行變化，具體結(jié)果如表1 所示。在此基礎上，將受腐蝕的鋼筋直徑與其防護層比c/d 確定為相對防護層厚。

表1 不同混凝土抗拉強度（ft）下單根銹蝕鋼筋位于構(gòu)件邊中情況下的鋼筋臨界銹脹力（q）

圖1是在三套相應的防護層的相對厚度c/d 下，當混凝土防護層發(fā)生膨脹開裂時， 其臨界腐蝕膨脹能力與混凝土拉伸強度間的關系。

圖1 單根邊中銹蝕鋼筋臨界銹脹力（q）與混凝土抗拉強度（ft）關系

從圖1 可知，在銹蝕鋼筋直徑相同的條件下，鋼筋的臨界銹脹力會隨著混凝土抗拉強度的升高，呈現(xiàn)出正相關的增加。 這是由于當銹蝕鋼筋的體積持續(xù)向外擴張時，會擠壓鋼筋周邊的混凝土，進而導致鋼筋周邊混凝土受到環(huán)向拉應力的影響，因此，混凝土的抗拉強度越大， 就會更難使混凝土出現(xiàn)受拉裂紋。 結(jié)果表明，增加混凝土的拉伸強度可顯著增加其耐久性能。

3.2 混凝土相對保護層厚度

針對防護層脹裂失效時，混凝土防護層的相對厚度對其極限腐蝕能力的影響，本項目擬通過構(gòu)建一種具有不同防護層的單一腐蝕鋼筋布置在桿件邊緣處的計算方法， 在保證其抗張強度等的前提下，分析其腐蝕能力。

從實踐中可得， 當腐蝕鋼筋的直徑相同時，隨著混凝土保護層厚度的增加， 在腐蝕鋼筋的周圍，腐蝕鋼筋對腐蝕膨脹的約束就會變得更強， 同時，其環(huán)向剛度也會變得更高，這樣就會使得保護層的混凝土更難被拉伸而開裂。在具有同樣的混凝土保護層厚度的條件下，當銹蝕鋼筋直徑較大時，在混凝土保護層脹裂破壞時的鋼筋臨界銹脹力就會較低，這是由于銹蝕鋼筋直徑較大，在混凝土保護層脹裂破壞時所需的鋼筋銹蝕產(chǎn)物的銹層厚度就會較小，而鋼筋銹蝕率就會較低。

圖2中顯示了在混凝土保護層膨脹開裂失效時，隨著混凝土保護層的相對厚度c/d，鋼筋的臨界腐蝕膨脹能力隨混凝土保護層的膨脹開裂而變化。結(jié)果表明：隨著防護層厚度的增加，混凝土的極限腐蝕膨脹力值幾乎是直線上升的。

圖2 鋼筋臨界銹脹力（q）與相對保護層厚度（c/d）關系

3.3 銹蝕鋼筋位置

在混凝土保護層厚度c、銹蝕鋼筋直徑d 和混凝土抗拉強度相同時，與位于構(gòu)件邊中的單根銹蝕鋼筋所造成的混凝土保護層脹裂所需的臨界銹脹力較低，并且二者比值接近0.9。這是由于在結(jié)構(gòu)的拐角位置，單個腐蝕鋼筋周圍的混凝土對腐蝕膨脹的限制作用很小，從而導致產(chǎn)生保護層的裂縫。

4 結(jié)論

（1）腐蝕鋼筋的方位對防護層的膨脹開裂損傷有一定的影響：在同樣情況下，腐蝕鋼筋處于構(gòu)件的側(cè)面中時易出現(xiàn)沿腐蝕鋼筋的膨脹開裂，腐蝕鋼筋處于構(gòu)件的拐角部位時則易出現(xiàn)開裂；當銹蝕鋼筋處于構(gòu)件拐角位置時，其周圍的混凝土對其受腐蝕膨脹的限制相對較弱，因此，保護層會更易產(chǎn)生膨脹開裂。

（2）當混凝土的抗拉強度較高時，防護層的相對厚度較大時， 鋼筋的極限銹蝕膨脹系數(shù)較高，防護層的膨脹開裂可能性越小。 所以，增加防護層厚度，提高混凝土的抗拉力，及使用更細的鋼筋對提高混凝土的耐久性都是有益的。

（3）通過與現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)所建立的關于單一腐蝕鋼筋造成防護層膨脹開裂時的臨界腐蝕膨脹力的計算模型是正確的，從而證實了所建立的計算方法是合理和可靠的。