鋼筋銹蝕膨脹對鋼筋-混凝土抗拔性能的三維數(shù)值分析

徐 進(jìn) 趙宴增 周逸楓

(南京工業(yè)大學(xué)， 江蘇 南京 211816）

0 引言

地下結(jié)構(gòu)物長期處于地下水環(huán)境，當(dāng)其承受拉應(yīng)力時，鋼筋表面混凝土保護(hù)層容易開裂[1]，具有一定腐蝕性的地下水和空氣能沿著混凝土裂縫侵入內(nèi)部，導(dǎo)致鋼筋發(fā)生銹蝕，其銹蝕產(chǎn)物體積膨脹而引起混凝土產(chǎn)生銹脹應(yīng)力[2]。若銹脹應(yīng)力超過混凝土材料強(qiáng)度，混凝土裂縫會進(jìn)一步發(fā)展，鋼筋與混凝土接觸面積減小，鋼筋-混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度、摩擦力和機(jī)械咬合力下降[3]，水、氣更容易侵入地下結(jié)構(gòu)物，導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)物的承載力和耐久性同時下降[4-5]。不少學(xué)者通過數(shù)值軟件模擬分析鋼筋銹蝕引起的鋼筋-混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律，但此類研究往往通過修改鋼筋-混凝土界面的彈簧剛度大小實現(xiàn)兩者界面粘結(jié)強(qiáng)度的變化，較難反映銹脹引起的混凝土開裂現(xiàn)象。

針對鋼筋銹蝕產(chǎn)物引起混凝土開裂的情況，本文將采用ABAQUS 數(shù)值軟件，借助動力顯式算法開展鋼筋-混凝土拉拔試塊的三維大變形建模，通過引入混凝土損傷模型，模擬混凝土銹脹效應(yīng)和鋼筋拉拔過程中混凝土損傷開裂和實體單元刪除，得到了相應(yīng)的混凝土應(yīng)力云圖和鋼筋拉力-位移曲線，分析不同鋼筋銹蝕膨脹情況下鋼筋-混凝土抗拔性能。

1 鋼筋-混凝土數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?/h2>

本文開展鋼筋-混凝土拉拔試驗的C30 混凝土試塊為150×150×150mm，選取直徑為16mm 的Q235 鋼筋，總長度為150mm，其粘結(jié)段的長度為80mm?；炷聊Ｐ涂紤]了損傷塑性，其彈性模量為34MPa，泊松比為0.2，密度為2420kg/m3，膨脹角為30°，摩擦系數(shù)為0.667；鋼筋為彈塑性，其彈性模量為20.6GPa，泊松比為0.3，密度為7890kg/m3，為模擬鋼筋銹蝕膨脹，設(shè)置了鋼筋的膨脹系數(shù)。

進(jìn)行網(wǎng)格劃分，混凝土主體為六面體，而鋼筋肋紋咬合的混凝土部分為四面體，鋼筋為六面體，單元類型均設(shè)置為C3D8R。根據(jù)規(guī)定，鋼筋肋紋間距應(yīng)小于鋼筋直徑的0.7 倍，取鋼筋肋紋之間的距離為10mm，鋼筋肋紋高寬為1mm。選定動力顯式求解并考慮單元刪除，網(wǎng)格劃分圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土試塊網(wǎng)格劃分圖

2 鋼筋-混凝土拉拔數(shù)值模擬結(jié)果

圖2 是鋼筋未發(fā)生銹蝕時，鋼筋拉拔量分別為0.1mm、0.2mm、0.3mm時所對應(yīng)的混凝土應(yīng)力云圖?；炷翍?yīng)力沿著鋼筋-混凝土粘結(jié)界面擴(kuò)散，在拉拔量為0.1mm 時，鋼筋與混凝土粘結(jié)界面的粘結(jié)應(yīng)力主要集中于前半段而中后段粘結(jié)應(yīng)力較小，隨著鋼筋拉拔的進(jìn)行，前半段的粘結(jié)應(yīng)力開始向中后段傳遞，混凝土沿著粘結(jié)界面的應(yīng)力分布趨于平均。

圖3 是鋼筋銹蝕（初始膨脹率為0.6%）后，鋼筋拉拔0.1mm、0.2mm、0.3mm 時的混凝土應(yīng)力云圖。由于鋼筋銹蝕膨脹的存在，拉拔前期，混凝土中已產(chǎn)生一定的銹脹應(yīng)力，在拉拔的過程中界面粘結(jié)應(yīng)力能夠較為均勻地在混凝土試塊中擴(kuò)散。這主要?dú)w因于鋼筋銹蝕后，銹蝕產(chǎn)物對混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)銹脹應(yīng)力超過混凝土強(qiáng)度后，鋼筋邊緣砂漿受擠壓破碎，錨固段鋼筋與砂漿之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度降低，當(dāng)鋼筋受拉時，沿鋼筋長度方向的粘結(jié)界面較早進(jìn)入屈服狀態(tài)，粘結(jié)應(yīng)力從開始就出現(xiàn)較為均勻分布現(xiàn)象。

圖2 鋼筋未銹蝕狀態(tài)下進(jìn)行拉拔引起混凝土應(yīng)力云圖

圖3 鋼筋膨脹率為0.6%時進(jìn)行拉拔引起混凝土應(yīng)力云圖

另一方面，鋼筋拉拔過程中會引起混凝土的材料損傷。圖4 和圖5 分別給出了鋼筋未膨脹狀態(tài)和膨脹率為0.6%時混凝土的應(yīng)力損傷云。未拉拔之前，鋼筋銹蝕會導(dǎo)致初始的混凝土應(yīng)力損傷(圖5a)。在鋼筋拉拔過程中，在鋼筋肋紋與混凝土接觸的地方最先產(chǎn)生裂紋開裂，這主要是由于鋼筋肋紋與混凝土的錯動咬合會引起該區(qū)域顯著的應(yīng)力集中。而隨著鋼筋拉拔量的增加，鋼筋肋紋與混凝土錯動量增大引起裂紋擴(kuò)展延伸至混凝土試塊邊緣，最后形成倒錐形的破壞區(qū)域(圖4c，4d)。而鋼筋存在初始銹蝕會引起鋼筋周圍混凝土的局部破碎，在拉拔之前鋼筋肋紋與混凝土的機(jī)械咬合力有一定程度的降低，因此在鋼筋拉拔過程中鋼筋肋紋與混凝土的錯動也較難引起裂紋的擴(kuò)展延伸。

圖4 鋼筋未銹蝕狀態(tài)下進(jìn)行拉拔引起混凝土應(yīng)力損傷云圖

圖5 鋼筋膨脹率為0.6%時進(jìn)行拉拔引起混凝土應(yīng)力損傷云圖

圖6 進(jìn)一步給出了鋼筋銹蝕體積膨脹對沿鋼筋長度方向鋼筋-混凝土界面剪切應(yīng)力的影響。未銹蝕的鋼筋受拉后，鋼筋與混凝土之間存在相對位移而引起剪應(yīng)力，從加載端沿長度方向迅速增大至最值，然后逐漸降低至0。而鋼筋銹蝕后，由于銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹增大了鋼筋與混凝土之間的握裹力；鋼筋體積膨脹率為0.2%和0.4%時，剪應(yīng)力均有所增大。若鋼筋銹蝕加劇，銹蝕產(chǎn)物引起的膨脹應(yīng)力超過混凝土材料強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土裂縫增多，鋼筋與混凝土接觸面積降低，鋼筋拉拔過程中膨脹率為1.0%的界面剪切力較膨脹率為0.4%有較大幅度的降低，且剪應(yīng)力分布較為均勻。

圖6 不同鋼筋銹蝕膨脹率情況下鋼筋-混凝土界面剪切應(yīng)力分布

3 結(jié)束語

針對鋼筋銹蝕膨脹對鋼筋-混凝土拉拔性能的影響，本文通過數(shù)值軟件建立鋼筋-混凝土試塊三維模型，開展了鋼筋-混凝土拉拔數(shù)值模擬，分析了不同鋼筋銹蝕膨脹率情況下混凝土應(yīng)力分布和材料損傷情況以及沿鋼筋長度方向剪應(yīng)力的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在一定鋼筋銹蝕膨脹率情況下，鋼筋和混凝土的握裹力達(dá)到最大值，而隨著鋼筋銹蝕的進(jìn)一步增加，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度會有大幅度降低。