氯離子環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件多筋銹脹破壞模式

張 芹 郭 力 郭小明

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(東南大學(xué)江蘇省工程力學(xué)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

近年來(lái),隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進(jìn)一步完善,跨海大橋、海底隧道等依靠頂尖技術(shù)支撐的基礎(chǔ)設(shè)施已投入建設(shè)或使用,由于這類基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和施工難度大,經(jīng)濟(jì)投入高,因此對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)提出了更高的要求.常規(guī)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是在滿足基本構(gòu)造要求的基礎(chǔ)上按照承載能力極限狀態(tài)配置鋼筋,對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)要求甚少,但是調(diào)查表明,由于外界環(huán)境以及混凝土材料自身的缺陷,使得大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服役時(shí)間遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限,造成了資源的浪費(fèi),甚至威脅到生命財(cái)產(chǎn)安全.在歐洲,每年要花費(fèi)高達(dá)250億歐元來(lái)維護(hù)和修繕?shù)摻罨炷两Y(jié)構(gòu),其中90%結(jié)構(gòu)的劣化問(wèn)題是由于鋼筋銹蝕破壞引起的[1],而氯離子是造成鋼筋銹蝕的最主要原因.

氯離子環(huán)境下,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損壞的主要影響因素包括：鋼筋銹蝕導(dǎo)致其橫截面減小;鋼筋的材性發(fā)生轉(zhuǎn)變;鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力降低;鋼筋銹蝕膨脹量增加,最終導(dǎo)致鋼筋混凝土保護(hù)層開(kāi)裂、剝落等.這些因素的產(chǎn)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力及耐久性顯著降低,甚至引起結(jié)構(gòu)過(guò)早失效.針對(duì)氯離子環(huán)境中含多根鋼筋的混凝土構(gòu)件耐久性問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)給出了一些研究成果[2-5].Du等[6]采用商業(yè)軟件LUSAS模擬研究鋼筋均勻銹蝕膨脹引起混凝土保護(hù)層開(kāi)裂擴(kuò)展過(guò)程,分析了鋼筋間距對(duì)混凝土開(kāi)裂過(guò)程的影響.Dong等[7]通過(guò)加速試驗(yàn)研究了氯離子環(huán)境下含多根鋼筋的鋼筋混凝土構(gòu)件開(kāi)裂破壞形態(tài).O?bolt等[8]假設(shè)鋼筋表面分為陰極和陽(yáng)極區(qū)域,基于熱力學(xué)理論計(jì)算鋼筋表面的膨脹位移,并通過(guò)彌散裂紋方法研究鋼筋表面陰、陽(yáng)極分布對(duì)多筋混凝土構(gòu)件損傷開(kāi)裂的影響,其模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的加速試驗(yàn)現(xiàn)象吻合.以上研究為分析氯離子環(huán)境下多筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式及其耐久性奠定了重要基礎(chǔ).

氯離子侵入與鋼筋銹蝕膨脹引起混凝土損傷破壞是一個(gè)相互耦合漸進(jìn)加強(qiáng)的過(guò)程.將這一漸進(jìn)強(qiáng)化過(guò)程運(yùn)用于多筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷破壞模式及使用壽命的研究對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題具有深遠(yuǎn)意義.本文在文獻(xiàn)[9]研究成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮該耦合過(guò)程對(duì)多筋混凝土構(gòu)件損傷破壞模式的影響.利用建立的過(guò)程耦合分析方法,模擬了氯離子環(huán)境下多筋混凝土構(gòu)件的損傷演化過(guò)程,討論了外部氯離子環(huán)境、混凝土初期氯離子摻合量以及配筋率對(duì)多筋混凝土構(gòu)件的損傷破壞形態(tài)和使用壽命的影響.

1 多筋混凝土構(gòu)件過(guò)程耦合分析模型

飽和混凝土中氯離子通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)鋼筋周圍,當(dāng)鋼筋周圍氯離子濃度達(dá)到銹蝕臨界濃度值時(shí),鋼筋開(kāi)始銹蝕.鋼筋銹蝕膨脹導(dǎo)致其周圍混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土發(fā)生損傷開(kāi)裂,由此產(chǎn)生的微裂紋增加了氯離子到達(dá)鋼筋周圍的輸運(yùn)路徑,進(jìn)一步提高了鋼筋周圍氯離子的濃度,加劇了鋼筋的銹蝕程度.氯離子擴(kuò)散、鋼筋銹蝕膨脹以及混凝土損傷開(kāi)裂3部分相互影響,相互促進(jìn),對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件使用狀態(tài)及服役壽命造成重要影響.另外對(duì)于多筋混凝土構(gòu)件,鋼筋間的相互作用也會(huì)影響構(gòu)件破壞模式.因此,提出合理的氯離子擴(kuò)散和鋼筋銹脹致混凝土損傷破壞的過(guò)程耦合分析模型,對(duì)分析氯離子環(huán)境下多筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷破壞模式至關(guān)重要.

1.1 多筋混凝土損傷力學(xué)模型

1.1.1 多筋銹蝕膨脹模型

針對(duì)鋼筋銹蝕膨脹量,早期主要通過(guò)假設(shè)鋼筋周圍銹蝕產(chǎn)物的分布是均勻的,通過(guò)加載徑向分布力或者位移,研究鋼筋銹蝕膨脹對(duì)混凝土損傷開(kāi)裂的影響[10-12].但是,由于鋼筋表面各點(diǎn)到混凝土氯離子暴露面的距離不同,導(dǎo)致鋼筋周圍氯離子濃度的分布不均勻,因此,鋼筋銹蝕產(chǎn)物在空間上是非均勻分布的.近年來(lái),已有大量的研究成果表明鋼筋非均勻銹蝕膨脹對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命影響更為顯著[13-15].因此,根據(jù)Jung等[16]的研究成果,考慮鋼筋周圍氯離子濃度及銹蝕時(shí)間對(duì)鋼筋銹蝕膨脹量的影響.通過(guò)鋼筋銹蝕產(chǎn)物與原鋼筋消耗的體積比,采用等效體積的方法,將鋼筋銹蝕膨脹量等效為節(jié)點(diǎn)位移施加于鋼筋混凝土界面上[9].對(duì)于含多根鋼筋的混凝土構(gòu)件,根據(jù)鋼筋的位置定義局部坐標(biāo)系,將節(jié)點(diǎn)等效位移加載于對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系中,實(shí)現(xiàn)混凝土中含多根鋼筋的銹脹量加載.鋼筋銹蝕損耗量計(jì)算式為

δ=0.134 4exp(2.89C-0.012De+0.027H)t

(1)

式中,δ為鋼筋銹蝕耗損量,μm/a;C為鋼筋周圍氯離子濃度,%;De為混凝土保護(hù)層厚度,mm;H為相對(duì)濕度, %;t為鋼筋銹蝕時(shí)間,a.

1.1.2 混凝土損傷模型

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中混凝土的拉伸本構(gòu)關(guān)系(見(jiàn)圖1),采用混凝土彈性損傷模型模擬混凝土內(nèi)損傷演化.混凝土彈性損傷模型參數(shù)少,計(jì)算效率高,可較好地模擬混凝土內(nèi)部的損傷演化過(guò)程,實(shí)現(xiàn)氯離子擴(kuò)散與鋼筋銹蝕膨脹導(dǎo)致混凝土損傷開(kāi)裂的耦合全過(guò)程分析.圖1中,E*為損傷彈性模量;εt為極限拉伸應(yīng)變;ft為極限拉伸應(yīng)力;ε為混凝土拉伸應(yīng)變.

圖1 混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)于分析過(guò)程中考慮混凝土拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的下降段,通過(guò)拉伸主應(yīng)變控制計(jì)算混凝土拉伸損傷變量.本文研究對(duì)象為含多根鋼筋的鋼筋混凝土梁構(gòu)件,分析過(guò)程中將其簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題,故其材料點(diǎn)主應(yīng)變?yōu)?/p>

(2)

式中,ε1為材料點(diǎn)處拉伸主應(yīng)變;εx,εy分別為材料點(diǎn)在x,y方向的應(yīng)變;γxy為材料點(diǎn)上的剪應(yīng)力.

1.2 損傷混凝土中氯離子輸運(yùn)模型

混凝土是一種水硬性材料,由于水化作用,早期混凝土抵抗氯離子的能力會(huì)略有提高.Takewaka等[17]認(rèn)為完好鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)早期氯離子擴(kuò)散系數(shù)具有時(shí)間依賴性.同時(shí),根據(jù)已有研究[9,18],鋼筋混凝土使用壽命預(yù)測(cè)中考慮混凝土損傷對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響至關(guān)重要.因此,考慮氯離子擴(kuò)散與混凝土損傷耦合過(guò)程的氯離子的擴(kuò)散控制方程為

(3)

D(t,d)=D(t)K(d)=

(4)

式中,D(t,d)為混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù), m2/s;D0為氯離子初期擴(kuò)散系數(shù);α為相同環(huán)境下氯離子在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)與初始擴(kuò)散系數(shù)的比值;K(d)為損傷影響因子;d為混凝土損傷變量;dcr和n為模型參數(shù).

基于有限單元法,將求解域離散為有限個(gè)單元體,通過(guò)變分原理,得到如下氯離子擴(kuò)散問(wèn)題的有限元求解方程：

KC=0

(5)

式中,C為氯離子濃度矩陣;K為氯離子擴(kuò)散系數(shù)矩陣,由單元相應(yīng)的矩陣元素集成,即

(6)

1.3 多根鋼筋構(gòu)件的過(guò)程耦合分析方法

基于軟件ABAQUS平臺(tái),在原有含單根鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)擴(kuò)散-損傷耦合模型的基礎(chǔ)上[9],通過(guò)Python語(yǔ)言將鋼筋銹蝕膨脹增量施加到相應(yīng)局部坐標(biāo)系下的界面節(jié)點(diǎn)上,實(shí)現(xiàn)含多根鋼筋的鋼筋混凝土構(gòu)件中,氯離子擴(kuò)散與鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土損傷破壞的過(guò)程耦合分析,其具體流程如圖2所示.

圖2 氯離子擴(kuò)散與混凝土損傷過(guò)程耦合流程圖

2 過(guò)程耦合分析方法驗(yàn)證

近年來(lái),已有加速試驗(yàn)對(duì)氯離子環(huán)境下含多根鋼筋的鋼筋混凝土構(gòu)件的開(kāi)裂破壞過(guò)程進(jìn)行了研究分析,但是基于同一試驗(yàn)中沒(méi)有同時(shí)報(bào)道相關(guān)的氯離子的濃度分布和混凝土損傷破壞方面的全過(guò)程數(shù)據(jù),無(wú)法直接對(duì)提出的模型進(jìn)行完整的驗(yàn)證.Dong等[7]對(duì)暴露在氯離子環(huán)境下的鋼筋混凝土梁構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究,給出了氯離子環(huán)境下混凝土損傷開(kāi)裂情況.本文將數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[7]報(bào)道的混凝土破壞形態(tài)進(jìn)行對(duì)比,從一個(gè)側(cè)面驗(yàn)證所提模型的有效性.

根據(jù)已有加速試驗(yàn),將含有3根直徑為16 mm,體積為2 100 mm×240 mm×200 mm的鋼筋混凝土梁構(gòu)件置于5%NaCl溶液中,混凝土28 d的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30 MPa,構(gòu)件除上表面外其他各面均涂有環(huán)氧漆,混凝土內(nèi)摻入8.8 kg/m3的NaCl.數(shù)值模擬過(guò)程中,假設(shè)未損傷的混凝土材料是均勻的,將構(gòu)件簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題(見(jiàn)圖3).數(shù)值模擬的參數(shù)見(jiàn)表1,模擬過(guò)程中考慮混凝土損傷對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響,根據(jù)上述分析,其分析過(guò)程中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為

(7)

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

圖3鋼筋混凝土平面示意圖

Alonso等[19]通過(guò)試驗(yàn)得出混凝土保護(hù)層厚度與鋼筋直徑的比值為2～3,此時(shí)混凝土表面出現(xiàn)裂紋時(shí)鋼筋半徑損耗約為15～50 μm.采用提出的過(guò)程耦合分析方法模擬上述試驗(yàn),分析得出,混凝土表面出現(xiàn)損傷時(shí),其內(nèi)部鋼筋的最大耗損量約為15.4 μm,鋼筋耗損率β為0.29%,與Alonso等[19]得到的試驗(yàn)結(jié)果吻合.β=(ΔAs/As)×100%,其中，ΔAs為鋼筋截面銹蝕面積，As為原鋼筋橫截面面積.圖4給出了氯離子擴(kuò)散與混凝土損傷耦合作用下鋼筋銹脹引起的混凝土損傷情況,可以看出,損傷區(qū)出現(xiàn)在鋼筋之間及兩側(cè)鋼筋的上部.模擬得到的混凝土損傷區(qū)分布與Dong等[7]通過(guò)試驗(yàn)得到的混凝土損傷分布一致.從受力角度分析,當(dāng)混凝土中拉伸應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷,由于兩側(cè)鋼筋銹蝕膨脹對(duì)中間鋼筋周圍混凝土產(chǎn)生擠壓作用,部分抵消了中間鋼筋膨脹對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力,使得中間鋼筋保護(hù)層未出現(xiàn)損傷破壞.另外,混凝土初期氯離子摻入量大于鋼筋銹蝕臨界值,鋼筋上下表面銹脹量相反,使得鋼筋間產(chǎn)生損傷現(xiàn)象,并隨著銹脹量的增加,鋼筋之間的損傷帶逐步貫通.通過(guò)以上對(duì)比說(shuō)明,提出的過(guò)程耦合方法可以較好地模擬氯離子環(huán)境下含多根鋼筋的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的狀態(tài).

圖4 暴露42個(gè)月后混凝土中損傷分布

3 數(shù)值算例

載荷作用下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含選取材料、配置鋼筋以及合理的構(gòu)造要求.目前,設(shè)計(jì)規(guī)范中基本忽略了氯離子環(huán)境對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命影響的設(shè)計(jì)要求,因此,基于提出的過(guò)程耦合分析方法,探討外部氯離子含量和配筋率對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞模式及使用壽命的影響.

3.1 過(guò)程耦合對(duì)鋼筋混凝土梁使用壽命的影響

基于圖3算例模型,模擬了混凝土損傷與氯離子擴(kuò)散間相互耦合與非耦合2 種情況下多筋混凝土損傷破壞過(guò)程,模型參數(shù)見(jiàn)表2.同時(shí),為了對(duì)比單筋混凝土和多筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式和服役壽命,模擬分析了氯離子環(huán)境下單筋混凝土構(gòu)件(模型尺寸見(jiàn)圖3,僅保留中間鋼筋)的損傷破壞過(guò)程.

表2 數(shù)值模擬參數(shù)

對(duì)比單筋和多筋破壞模式發(fā)現(xiàn),2 種模型的損傷演化過(guò)程均為：混凝土表面出現(xiàn)可見(jiàn)損傷,而后保護(hù)層內(nèi)的損傷帶逐步貫通.針對(duì)2 種不同模型,表3給出了混凝土損傷達(dá)到不同階段所需的時(shí)間.通過(guò)對(duì)比可知,當(dāng)鋼筋間距為60 mm時(shí),相鄰鋼筋銹脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力將部分抵消單一鋼筋銹脹產(chǎn)生的拉應(yīng)力,故考慮過(guò)程耦合時(shí),氯離子環(huán)境中單筋混凝土構(gòu)件損傷開(kāi)裂的時(shí)間早于多筋混凝土構(gòu)件.

表3 混凝土構(gòu)件不同研究階段計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表3還可以看出,對(duì)于多筋混凝土構(gòu)件,考慮過(guò)程耦合作用時(shí)損傷各階段出現(xiàn)的時(shí)間均早于非耦合的分析結(jié)果.非耦合情況下混凝土表面出現(xiàn)損傷到損傷帶貫穿需要約5.4個(gè)月,但考慮過(guò)程耦合作用時(shí)僅需要2.4個(gè)月,考慮過(guò)程耦合明顯加速了鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞過(guò)程.另外,對(duì)比損傷帶形成時(shí)鋼筋銹蝕程度發(fā)現(xiàn),非耦合情況下鋼筋表面銹蝕率γ為46%,其中γ=(ΔS/S)×100%，ΔS為鋼筋銹蝕表面積，S為原鋼筋表面積，鋼筋耗損率β為0.23%;考慮過(guò)程耦合時(shí),鋼筋表面銹蝕率為88%,鋼筋耗損率是0.29%.由于鋼筋表面銹蝕減小了鋼筋與混凝土材料間的協(xié)同作用,從而影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命.鋼筋耗損量會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式及承載能力[20].因此,通過(guò)上述對(duì)比分析說(shuō)明,考慮氯離子擴(kuò)散與混凝土損傷的過(guò)程耦合作用可以更為合理解釋海洋和近海等高氯離子含量地區(qū),鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下過(guò)早出現(xiàn)開(kāi)裂、分層及剝落等現(xiàn)象.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮氯離子擴(kuò)散與混凝土損傷的相互影響,會(huì)使結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)更為安全.

圖5給出了考慮氯離子擴(kuò)散與混凝土損傷耦合和非耦合時(shí),混凝土損傷率隨氯離子環(huán)境中混凝土暴露時(shí)間的變化圖.混凝土損傷率η=(ΔAc/Ac)×100%,其中，ΔAc為混凝土損傷值達(dá)到可見(jiàn)裂紋時(shí)的區(qū)域面積,Ac為原混凝土面積.由混凝土單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可知,當(dāng)應(yīng)變大于2倍峰值應(yīng)變時(shí),混凝土由于受拉而出現(xiàn)可見(jiàn)裂紋[21],因此本算例中ΔAc取混凝土損傷值達(dá)0.8以上的面積.由圖5可以看出,考慮過(guò)程耦合分析得出的混凝土損傷率及其變化速率均高于不考慮過(guò)程耦合,說(shuō)明考慮過(guò)程耦合時(shí),混凝土的損傷演化速度更快.圖6給出了混凝土A點(diǎn)(見(jiàn)圖3)處氯離子含量隨暴露時(shí)間的變化.可以看出,當(dāng)混凝土暴露在氯離子環(huán)境中的時(shí)間小于43個(gè)月時(shí),混凝土上表面未出現(xiàn)可見(jiàn)損傷,而鋼筋周圍混凝土內(nèi)出現(xiàn)損傷,故不考慮過(guò)程耦合得到A點(diǎn)處的氯離子含量大于考慮過(guò)程耦合的氯離子含量.另外,不考慮過(guò)程耦合分析時(shí),A點(diǎn)處氯離子含量的變化速率基本保持穩(wěn)定;而考慮過(guò)程耦合分析得出的氯離子含量變化速率高于不考慮過(guò)程耦合,且混凝土表面出現(xiàn)可見(jiàn)損傷后,A點(diǎn)處氯離子含量的變化速率急劇增加.以上分析結(jié)果說(shuō)明,考慮過(guò)程耦合對(duì)分析氯離子環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的損傷演化及使用壽命是十分重要的.

圖5 混凝土損傷百分比隨暴露時(shí)間的變化圖

圖6 A點(diǎn)處混凝土中氯離子含量隨暴露時(shí)間的變化圖

3.2 氯離子含量對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限以及環(huán)境等級(jí)規(guī)定了混凝土中允許的最大氯離子含量.惡劣的外部環(huán)境以及制配混凝土過(guò)程中摻入的含氯鹽的外加劑(海砂或是含有氯鹽的水等),使得混凝土中氯離子的含量在整個(gè)結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)超過(guò)規(guī)范的設(shè)定值.因此,需要研究外部氯離子含量以及混凝土初期氯離子摻加量對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式及使用狀態(tài)的影響.

3.2.1 外部氯離子含量

計(jì)算模型見(jiàn)圖3,材料參數(shù)見(jiàn)表2,模擬外部氯離子含量對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)和使用壽命影響時(shí),僅需改變表2中外部氯離子含量Cs.

圖7給出鋼筋混凝土構(gòu)件達(dá)到同一損傷狀態(tài)時(shí),構(gòu)件使用時(shí)間隨外部氯離子含量的變化趨勢(shì).可以看出,隨著外部氯離子含量的增加,構(gòu)件達(dá)到同一損傷狀態(tài)的時(shí)間縮短.另外,由圖8可以看出,混凝土表面出現(xiàn)損傷到損傷帶形成的時(shí)間隨著外部氯離子濃度的增加而減小,說(shuō)明當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于高氯離子含量的環(huán)境時(shí),在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)應(yīng)盡量使混凝土表面不出現(xiàn)損傷破壞現(xiàn)象.

圖7 相同損傷狀態(tài)下使用時(shí)間隨外部氯離子含量變化圖

圖8 混凝土表面出現(xiàn)損傷至損傷帶形成的時(shí)間隨外部氯離子含量變化圖

3.2.2 混凝土中氯離子摻入量

改變表2中初期混凝土內(nèi)部氯離子摻入量C0,研究氯離子環(huán)境下,初期氯離子摻入量對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響.

圖9給出了初期氯離子摻入量對(duì)混凝土構(gòu)件服役時(shí)間的影響.可以看出,對(duì)處于同一環(huán)境中的混凝土構(gòu)件,隨氯離子摻入量的增加,損傷出現(xiàn)的時(shí)間降低.由于數(shù)值模擬中設(shè)鋼筋銹蝕臨界濃度值為0.4%,當(dāng)氯離子摻入含量為0.4%時(shí),混凝土使用時(shí)間上出現(xiàn)了明顯下降.經(jīng)分析,該時(shí)間下降幅度為鋼筋周圍氯離子含量達(dá)到鋼筋銹蝕臨界濃度值所需要的時(shí)間.

圖9 同一損傷程度出現(xiàn)時(shí)間隨氯離子摻入含量變化圖

表4給出混凝土不同損傷狀態(tài)下構(gòu)件耗損隨初期氯離子摻入量的變化情況.混凝土表面出現(xiàn)損傷時(shí),初期氯離子的摻入量低于鋼筋銹蝕臨界值(C0

表4 不同研究階段鋼筋損耗

模擬結(jié)果表明：同一外部環(huán)境下,混凝土內(nèi)初期氯離子摻入量的增加加速了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷演化的過(guò)程.混凝土表面出現(xiàn)損傷前,鋼筋表面銹蝕面積隨著氯離子摻入量的增加而增大,使得鋼筋混凝土材料間的協(xié)同作用隨之下降.另外,混凝土中初期氯離子摻入量越多,達(dá)到同一損傷狀態(tài)時(shí)鋼筋橫截面減小幅度越大(鋼筋耗損率β增加),從而影響到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力.因此,針對(duì)氯離子環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要根據(jù)其設(shè)計(jì)使用年限控制混凝土初期氯離子摻入量.

3.3 配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命的影響

對(duì)于鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu),縱向受力鋼筋的配筋率是設(shè)計(jì)梁受彎承載能力的主要參數(shù).因此基于提出的過(guò)程耦合分析方法,討論氯離子環(huán)境中配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命的影響.對(duì)于混凝土橫截面確定的混凝土構(gòu)件,配筋率由鋼筋直徑及根數(shù)確定,分析中固定鋼筋的根數(shù),選取了6種鋼筋直徑,得到的相應(yīng)配筋率分別為1.26%,1.59%,1.96%,2.38%,3.07%及3.85%.另外,數(shù)值模擬過(guò)程中鋼筋的保護(hù)層厚度、鋼筋間凈距以及混凝土尺寸均相同(見(jiàn)表2).

圖10給出了混凝土損傷達(dá)不同階段時(shí),耦合與非耦合情況下鋼筋混凝土梁使用時(shí)間.可以看出,對(duì)于同一種狀態(tài)的損傷,構(gòu)件的使用時(shí)間隨配筋率的增加均呈下降趨勢(shì).考慮耦合時(shí),混凝土表面出現(xiàn)損傷及混凝土內(nèi)損傷帶形成的時(shí)間均早于非耦合的情況.另外,通過(guò)分析得出：耦合與非耦合2種情況下,混凝土表面出現(xiàn)損傷到損傷帶形成的時(shí)間均不隨配筋率的變化而變化.不考慮過(guò)程耦合時(shí),混凝土表面出現(xiàn)損傷到損傷帶形成的時(shí)間約需7.2個(gè)月,而考慮過(guò)程耦合時(shí)約需要4.8個(gè)月.

圖10 不同階段服役時(shí)間隨配筋率變化圖

圖11給出了混凝土損傷達(dá)到不同階段,鋼筋銹蝕表面積隨配筋率的變化情況.可以看出,當(dāng)混凝土構(gòu)件達(dá)到相同損傷階段,隨著配筋率的提高,鋼筋銹蝕表面積增加.隨著配筋率的增加,達(dá)到同一損傷階段時(shí),鋼筋與混凝土材料間的協(xié)同作用將有所下降.

圖12給出了混凝土保護(hù)層內(nèi)損傷帶形成時(shí),配筋率對(duì)內(nèi)部鋼筋總耗損面積的影響.可見(jiàn),不考慮耦合時(shí)鋼筋總耗損面積隨著配筋率的增加而略有增長(zhǎng);考慮耦合作用時(shí)損傷帶形成時(shí)鋼筋總耗損面積隨配筋率的增加基本保持不變,其值約為1.9 mm2,考慮耦合時(shí)鋼筋總損耗面積大于不考慮耦合時(shí)的總耗損面積.故不考慮耦合作用會(huì)高估鋼筋混凝土的承載能力,從而影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及使用.

圖11 配筋率與鋼筋銹蝕表面積關(guān)系圖

圖12 損傷帶形成時(shí)鋼筋耗損面積隨配筋率變化圖

圖13給出了鋼筋混凝土梁服役42個(gè)月后,混凝土構(gòu)件各損傷指標(biāo)隨著配筋率的變化情況.可以看出,氯離子環(huán)境中鋼筋混凝土梁在服役相同時(shí)間后,內(nèi)部鋼筋耗損面積隨著配筋率的增加而增大.鋼筋混凝土梁服役42個(gè)月且配筋率高于2.5%時(shí),混凝土中損傷帶已經(jīng)形成,這為外部氯離子到達(dá)鋼筋表面提供了完整路徑,故鋼筋混凝土梁中的各損傷指標(biāo)劣化進(jìn)程隨著內(nèi)部配筋率的增加而加快.

以上分析結(jié)果說(shuō)明,對(duì)于高氯離子環(huán)境中靜置的混凝土結(jié)構(gòu),提高配筋率會(huì)導(dǎo)致其鋼筋耗損率增加、鋼筋混凝土間的黏結(jié)能力下降以及內(nèi)部混凝土損傷區(qū)域增大等問(wèn)題,因此,在高濃度氯離子環(huán)境中混凝土構(gòu)件配筋除需考慮鋼筋對(duì)構(gòu)件承載能力的提高外,還應(yīng)該考慮配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)造成的負(fù)面影響.

4 結(jié)論

1) 分別模擬了混凝土損傷與氯離子擴(kuò)散相互耦合與非耦合2種情況下多筋混凝土構(gòu)件的劣化過(guò)程.結(jié)果表明, 考慮過(guò)程耦合方法可以更合理地解釋現(xiàn)有含多根鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命低于設(shè)計(jì)使用壽命的現(xiàn)象.

(a) 鋼筋銹蝕總面積隨配筋率變化圖

(b) 混凝土損傷率隨配筋率變化圖圖13 構(gòu)件各損傷指標(biāo)隨配筋率的變化圖

2) 隨著外部氯離子含量的增加,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面損傷出現(xiàn)到混凝土損傷帶貫穿的時(shí)間縮短.處于高氯離子含量環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在結(jié)設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)應(yīng)盡量使混凝土表面不出現(xiàn)損傷.

3) 同一環(huán)境下,混凝土初期氯離子摻入量的增加一定程度上降低了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力.

4) 靜置于高濃度氯離子環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu),隨著配筋率的增加,鋼筋的總損耗量、鋼筋表面銹蝕程度及混凝土中損傷面積均增大,對(duì)鋼筋混凝土間的黏結(jié)能力及結(jié)構(gòu)的承載能力產(chǎn)生一定影響.

5) 在原有研究的基礎(chǔ)上,將耦合分析過(guò)程引入含多根鋼筋的混凝土構(gòu)件的破壞模式研究中,但在針對(duì)氯離子環(huán)境下配筋率對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)影響的分析中,僅單一地考慮氯離子對(duì)結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)的負(fù)面影響,沒(méi)有涉及配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的提高,因此后續(xù)工作將綜合考慮氯離子存在環(huán)境下配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)的影響.

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