鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹脹開裂試驗(yàn)及仿真研究

趙丹會，張淑華，蘭 讓，周靜姝

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹脹開裂試驗(yàn)及仿真研究

趙丹會，張淑華，蘭 讓，周靜姝

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

以高樁碼頭中腐蝕開裂最具代表性的縱梁作為試驗(yàn)對象，采用加速腐蝕設(shè)備對試驗(yàn)梁進(jìn)行加速腐蝕，應(yīng)用CT掃描檢測技術(shù)對切割后的腐蝕開裂梁進(jìn)行斷層掃描，得出銹蝕深度及銹蝕率與裂縫寬度之間的關(guān)系。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于擴(kuò)展有限元法，分別改變保護(hù)層厚度和鋼筋直徑，對銹蝕深度與裂縫寬度的關(guān)系進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，從而推導(dǎo)出銹蝕率與裂縫寬度之間的經(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)果表明：保護(hù)層厚度越大，抗開裂能力越大；不同鋼筋直徑對應(yīng)的銹蝕深度與裂縫寬度間均存在線性關(guān)系，但直線斜率并無明顯變化；當(dāng)裂縫寬度小于0.4 mm時，基于仿真研究得到的經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

鋼筋銹蝕；裂縫寬度；加速腐蝕試驗(yàn)；擴(kuò)展有限元

鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素之一，工程中由于鋼筋銹蝕引起結(jié)構(gòu)整體破壞的實(shí)例不勝枚舉。國內(nèi)外學(xué)者對銹脹開裂問題開展了大量的研究［1-7］，但很少直接給出裂縫寬度與銹蝕率之間的關(guān)系式。本文基于前人的研究經(jīng)驗(yàn)，首先通過加速腐蝕試驗(yàn)和CT掃描檢測技術(shù)，得出銹蝕深度及銹蝕率與裂縫寬度間的關(guān)系，然后在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于擴(kuò)展有限元法［8-11］和混凝土粘聚力本構(gòu)模型，利用ABAQUS建立相關(guān)的模型研究不同參數(shù)對銹脹裂縫寬度和銹蝕深度間關(guān)系的影響，最后依據(jù)參數(shù)敏感性分析結(jié)果推導(dǎo)出銹蝕率與裂縫寬度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究提供一定的理論參考。

1 混凝土保護(hù)層銹脹開裂試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)如下：試驗(yàn)材料選擇—試驗(yàn)梁的制備—進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)—截取部分腐蝕構(gòu)件—CT掃描—試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集—分析試驗(yàn)結(jié)果。

本文以實(shí)際高樁碼頭中腐蝕開裂最具代表性的縱梁作為試驗(yàn)對象，考慮到實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件，試件按相似理論進(jìn)行縮小。試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)尺寸為：長1 500 mm×寬150 mm×高250 mm，按適筋原則進(jìn)行配筋，主筋采用Φ12Ⅱ級光圓鋼筋，架立筋和箍筋為φ10鋼筋，試件數(shù)量為30個，試驗(yàn)梁構(gòu)造如圖1所示。

1.1 試驗(yàn)梁的制備

試驗(yàn)梁的制備主要包括綁扎鋼筋籠、立模、澆注、脫模、養(yǎng)護(hù)5個過程。本試驗(yàn)試件梁均采用C30混凝土澆筑成型，混凝土澆筑過程中采用振搗棒振搗密實(shí)，試件梁澆筑完成20 h進(jìn)行脫摸，脫模后的試件放入養(yǎng)護(hù)池中覆蓋養(yǎng)護(hù)，每天澆水兩次，持續(xù)30 d。

圖1 試驗(yàn)梁構(gòu)造圖Fig.1 Structure diagram of test beam

1.2 加速腐蝕試驗(yàn)

加速腐蝕試驗(yàn)的目的是在規(guī)定的時間內(nèi)制作達(dá)到腐蝕等級要求的鋼筋混凝土構(gòu)件。待試件梁浸水養(yǎng)護(hù)30 d后，將試件放入腐蝕池中，如圖2所示連接導(dǎo)線，形成加速腐蝕電路。

本試驗(yàn)采用加速腐蝕設(shè)備，可同時對多根試件進(jìn)行獨(dú)立的電化學(xué)通電，通過調(diào)節(jié)腐蝕池中的水位，實(shí)現(xiàn)試件的干濕循環(huán)，干濕循環(huán)頻率為濕一天、干兩天，以使試件接觸足夠的氧氣和水，進(jìn)一步加速腐蝕過程。試驗(yàn)加速腐蝕過程中，主筋電流強(qiáng)度為600 mA，并且在腐蝕池中加入了適量的工業(yè)海鹽，以提高導(dǎo)電效率，試件梁加速腐蝕試驗(yàn)裝置如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

為了獲得試件的腐蝕結(jié)果，對腐蝕等級達(dá)到要求的試驗(yàn)梁進(jìn)行切割，剝開混凝土保護(hù)層，鋼筋的銹蝕程度如圖4所示。

通過CT掃描技術(shù)［12］，在電壓120 kV，電流440 mA條件下，獲取各試驗(yàn)梁段的CT圖像，為了能夠掌握每個試件各個部位的損傷發(fā)展情況，將試件均勻設(shè)置6個掃描層，每個試件掃描6次，結(jié)果取其平均值，試件斷面掃描圖像如圖5所示。

通過對CT技術(shù)掃描得到的試件梁的斷層圖像研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋的銹蝕基本為均勻性銹蝕，試驗(yàn)結(jié)果為后文的研究提供了依據(jù)。

圖2 試件梁加速腐蝕電路Fig.2 Specimen beams accelerated corrosion circuit

圖3 試件梁加速腐蝕試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Specimen beams accelerated corrosion test device schematic diagram

1.4 結(jié)果分析

1.4.1 銹蝕深度與裂縫寬度的關(guān)系

通過分析試驗(yàn)結(jié)果，得到混凝土保護(hù)層厚度分別為25 mm和30 mm，鋼筋直徑為12 mm的試件的銹蝕深度與對應(yīng)混凝土表面裂縫寬度的關(guān)系曲線，如圖6所示。

由圖6分析可得，隨著銹蝕深度的增加，保護(hù)層厚度為25 mm的試件首先出現(xiàn)裂縫，這是由于混凝土抵抗鋼筋膨脹的能力與保護(hù)層厚度有關(guān)，保護(hù)層厚度越大，提供的抗裂能力越大?；炷灵_裂后，保護(hù)層厚度為30 mm的試件開始裂縫擴(kuò)展速率較慢，但當(dāng)銹蝕深度大于0.84 mm時，由于鋼筋與外界環(huán)境的接觸面積突然增大，導(dǎo)致鋼筋的銹蝕速度急劇加快，從而使銹蝕膨脹力不斷增大，導(dǎo)致裂縫寬度不斷增加。而保護(hù)層厚度為25 mm的試件，雖然保護(hù)層厚度較小，抗裂能力較小，但鋼筋銹蝕的速度小于鋼筋銹蝕附著物沿著裂縫流失的速度，導(dǎo)致銹脹力變化較小，因此，裂縫寬度增長較慢。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在一定范圍內(nèi)，保護(hù)層厚度越大，提供的抗裂能力越大。因此，增加混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度能夠提高其抵抗外界不良因素的侵蝕，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

1.4.2 銹蝕率與裂縫寬度的關(guān)系

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到數(shù)據(jù)如表1所示。

分析表1中的數(shù)據(jù)可以得到銹蝕率與裂縫寬度的擬合關(guān)系曲線，如圖7所示。

由圖7可知，銹蝕率與混凝土表面裂縫寬度之間存在著明顯的線性關(guān)系。為了更加直觀的描述銹蝕率與表面裂縫寬度的相關(guān)性，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到表面裂縫寬度與銹蝕率的關(guān)系為

圖4 鋼筋銹蝕程度Fig.4 Degree of reinforcement corrosion

圖5 試件斷面掃描圖Fig.5 Specimen section scan

圖6 銹蝕深度與裂縫寬度的關(guān)系Fig.6 Relationship between radial expansion displacement and crack width

圖7 銹蝕率與裂縫寬度的關(guān)系Fig.7 Relationship between reinforcement corrosion rate and crack

式中：β′為銹蝕率，w為裂縫寬度。

公式（1）為研究銹蝕率與裂縫寬度的關(guān)系提供了一種有效方法。

銹蝕率與裂縫寬度的關(guān)系受到多種因素的影響，由于試驗(yàn)條件的限制，公式（1）是在保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度和鋼筋直徑一定的條件下得到的，因此適用范圍較小，為了得到更加普遍的關(guān)系，下文進(jìn)行參數(shù)敏感性分析的仿真研究。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The test and calculation results

2 仿真研究

本節(jié)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于擴(kuò)展有限元法，利用ABAQUS建立相關(guān)的模型，研究不同參數(shù)對銹脹裂縫寬度和銹蝕深度間關(guān)系的影響，從而推導(dǎo)出裂縫寬度與銹蝕率之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究提供一定的理論參考。

2.1 模型建立

由1.3節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼筋沿軸向銹蝕均勻，可將銹脹開裂簡化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行處理。本文混凝土單元采用CPE4單元分析，材料屬性如表2所示。鋼筋銹脹作用力等效為位移載荷。施加載荷的方式為沿鋼筋周圍混凝土單元均勻施加位移荷載，仿真模型如圖8所示。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)建立的數(shù)值模型得到不同銹蝕深度下裂縫寬度的值，結(jié)果如表3所示。

本節(jié)主要研究保護(hù)層厚度和鋼筋直徑對銹蝕深度和裂縫寬度關(guān)系的影響。為了驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性，將上述銹脹開裂過程的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，兩者之間的關(guān)系如圖9所示。

由圖9可知，通過擴(kuò)展有限元法模擬銹蝕深度和裂縫寬度的關(guān)系與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果基本一致。因此，應(yīng)用擴(kuò)展有限元的方法模擬鋼筋銹脹開裂過程是合理可行的。

表2 混凝土單元材料屬性Tab.2 Material properties of concrete unit

圖8 仿真模型Fig.8 The simulation model

表3 仿真模擬結(jié)果Tab.3 The result of simulation

2.3 參數(shù)敏感性分析

采用上述仿真方法研究混凝土結(jié)構(gòu)銹脹開裂的過程，結(jié)果表明：鋼筋膨脹首先使得周圍混凝土開始屈服，然后在混凝土的表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋，隨著鋼筋銹蝕量的不斷增加，表面裂縫不斷向里擴(kuò)展，裂縫寬度不斷增大。由于混凝土結(jié)構(gòu)在鋼筋銹蝕膨脹開裂的全過程受到多種因素的共同作用，為了研究不同因素對銹蝕深度和裂縫寬度之間關(guān)系的影響，分別改變保護(hù)層厚度和鋼筋直徑，對銹蝕深度與裂縫寬度的關(guān)系進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，具體參數(shù)設(shè)置見表4～表5。

2.3.1 保護(hù)層厚度的影響

不同保護(hù)層厚度下銹蝕深度與混凝土裂縫寬度的關(guān)系如圖10所示。

通過分析圖10中銹蝕深度與裂縫寬度的關(guān)系得出：當(dāng)裂縫寬度較小時，銹蝕深度與裂縫寬度之間存在著線性關(guān)系，并且隨著保護(hù)層厚度的增加，銹蝕深度與裂縫寬度的比值逐漸減小，即一定條件下，保護(hù)層厚度越大，提供的抗裂能力越大，鋼筋膨脹速率越小，仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，結(jié)果均表明：在一定范圍內(nèi)，增加混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度能夠提高其抵抗外界不良因素的侵蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.3.2 鋼筋直徑的影響

在仿真模擬中，針對試驗(yàn)梁尺寸，保證混凝土強(qiáng)度和保護(hù)層厚度不變，得到不同鋼筋直徑下銹蝕深度與裂縫寬度的關(guān)系，如圖11所示。

圖9 仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比Fig.9 Comparison of simulation and experimental results

表4 不同保護(hù)層厚度下參數(shù)設(shè)置Tab.4 Parameter settings of different thickness of concrete cover

表5 不同鋼筋直徑下參數(shù)設(shè)置Tab.5 Parameter settings of different bar diameter

上述結(jié)果表明：保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度一定的條件下，不同鋼筋直徑對應(yīng)的銹蝕深度與裂縫寬度間均存在線性關(guān)系，但直線斜率并無明顯變化，說明鋼筋直徑對銹蝕深度與裂縫寬度的關(guān)系影響不大。因此，當(dāng)保護(hù)層厚度和混凝土強(qiáng)度一定時，銹蝕深度與裂縫寬度關(guān)系可表示為

式中：δc為銹蝕深度，mm；w為裂縫寬度，mm，線性系數(shù)k約為0.65。

2.4 銹蝕率與裂縫寬度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)

由2.3節(jié)試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼筋銹蝕基本為均勻銹蝕，從而對鋼筋均勻銹脹模型的受力分析進(jìn)行簡化，簡化模型如圖12所示。圖中，R0為鋼筋初始半徑，R1為剩余鋼筋截面的半徑，R2為銹脹產(chǎn)物的外徑。

假設(shè)鋼筋銹脹產(chǎn)物的體積為原鋼筋銹蝕體積的倍，則

而鋼筋銹蝕率為

將公式（4）代入公式（3）得

令δ=R2-R0，則δ為鋼筋銹蝕產(chǎn)生的銹蝕深度，式（5）轉(zhuǎn)化為

則鋼筋銹蝕產(chǎn)生的銹蝕深度與銹蝕率的關(guān)系為

通常鋼筋的銹脹率較小，公式（6）簡化為

圖10 不同保護(hù)層厚度下銹蝕深度與裂縫寬度的關(guān)系Fig.10 Relationship between radial expansion displacement and crack width of different thickness of concrete cover

圖11 不同鋼筋直徑下銹蝕深度與裂縫寬度的關(guān)系Fig.11 Relationship between radial expansion displacement and crack width of different bar diameter

圖12 鋼筋銹脹變形模型Fig.12 Steel rust expansion deformation model

令初始鋼筋與混凝土間的間隙為δ0（取值范圍通常在0.015～0.02 mm），鋼筋的銹蝕產(chǎn)物首先填滿這一區(qū)域，隨后膨脹對混凝土產(chǎn)生擠壓作用，因此，鋼筋銹蝕產(chǎn)生的總銹蝕深度為

將公式（9）代入式（8）可得銹蝕深度與銹蝕率的關(guān)系

將式（2）代入式（10），則裂縫寬度與銹蝕率的關(guān)系可表示為

式中：k=0.65，δ0=0.018 mm，國內(nèi)外學(xué)者研究表明混凝土中鋼筋銹蝕后，其銹脹產(chǎn)物約為被銹蝕原鋼材銹蝕體積的2～4倍［13］，基于試驗(yàn)結(jié)果本文α取3，則

式中：D為鋼筋直徑，mm；w為裂縫寬度，mm。

以上在仿真模擬的基礎(chǔ)上建立的經(jīng)驗(yàn)公式是在保護(hù)層厚度一定、鋼筋銹蝕不是特別嚴(yán)重的情況下的裂縫寬度與鋼筋銹蝕率之間的關(guān)系。

2.5 經(jīng)驗(yàn)公式的驗(yàn)證

將D=12 mm代入公式（12），計(jì)算得到的銹蝕率與銹脹開裂試驗(yàn)結(jié)果對比，如圖13所示。

從圖13可以得出，當(dāng)裂縫寬度大于0.4 mm時，基于仿真研究得到的銹蝕率與裂縫寬度的關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果偏差較大，但當(dāng)裂縫寬度較小時，公式（12）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。因此，當(dāng)裂縫寬度較小時，公式（12）適用。

圖13 理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比關(guān)系Fig.13 Relationship between the results of theoretical calculation and test

3 結(jié)論

本文通過加速腐蝕試驗(yàn)和數(shù)值仿真對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的銹脹開裂過程進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：（1）通過分析CT掃描的試件梁的斷層圖像可知，鋼筋的銹蝕基本為均勻性銹蝕。（2）對比分析仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了擴(kuò)展有限單元法模擬鋼筋銹脹開裂的過程是合理可行的。（3）當(dāng)裂縫寬度較小時，不同鋼筋直徑對應(yīng)的銹蝕深度與裂縫寬度間均存在線性關(guān)系，但直線斜率并無明顯變化；在混凝土強(qiáng)度一定條件下，保護(hù)層厚度越大，混凝土銹蝕深度與表面裂縫寬度的比值越小，提供的抗裂能力越大，與試驗(yàn)結(jié)果一致。因此，在一定范圍內(nèi)，增加混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度能夠提高其抗裂能力，從而抵抗外界不良因素的侵蝕，提高結(jié)構(gòu)耐久性。（4）基于仿真研究得到的銹蝕率與裂縫寬度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式適用于裂縫寬度小于0.4 mm的情況。

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Corrosive cracking test and simulation study of reinforced concrete structures

ZHAO Dan-hui，ZHANG Shu-hua，LAN Rang，ZHOU Jing-shu
（College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China）

The longitudinal beam in high pile wharf was chosen to perform the test for its high representative in corrosion cracking.An accelerated corrosion equipment was used to conduct the accelerated corrosion test,when the beam has cracked,it was cut to be scanned by the CT scanning detection technology and the relationship between the corrosion depth or reinforcement corrosion rate and crack width was obtained.On the basis of the experiment,parameters sensitivity analysis between the corrosion depth and crack width was studied by changing the diameter of rebar and thickness of concrete cover respectively with the extended finite element method，and an empirical formula between corrosion rate and crack width was derived.The results show that：the resistance to cracking grows when the thickness of the protective layer gets larger,for different bar diameters,the corrosion depth and crack width keep a linear relationship with no obvious change in the straight line slope and when the crack width is less than 0.4 mm,the empirical formula obtained from the simulation agrees well with the test results.

reinforcement corrosion；crack width；accelerated corrosion test；extended finite element

TV 332.12

A

1005-8443（2017）01-0066-06

2016-08-29；

2016-10-18

趙丹會（1990-），女，河南周口人，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海工程專業(yè)研究。

Biography：ZHAO Dan-hui（1990-），female，master student.