混凝土保护层均匀锈胀内裂分析.pdf

2 0 1 4 年 第 9 期 (总 第 2 9 9 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 4 ( T o t a l N o 2 9 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RET I CAL RES E ARCH 混凝土保护层均匀锈胀内裂分析 姜慧 ，喻孟雄 z ，刘荣桂 z ( 1 徐州工程学院 土木工程学院 ，江苏 徐州 2 2 1 1 1 l ；2 江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 2 1 2 0 1 3 ) 摘要： 钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构使用寿命的重要因素， 混凝土保护层锈胀内裂加速整个混凝土保护层的开裂。 假定混凝 土满足最大伸长线应变破坏准则， 利用圆孔扩张理论对铁锈 自由膨胀充满混凝土与钢筋交界面空隙后混凝土保护层 内裂进行分析 ， 建立了锈胀内裂时刻的钢筋锈蚀深度计算式。针对计算式主要影响参数的分析表明： 钢筋锈蚀深度与水泥石中毛细孔体积、 钢筋直 径 、 混凝土极限拉应变成正相关 ， 与铁锈体积膨胀率成负相关。 关键词： 扩孑 L 理论 ；锈胀开裂；钢筋锈蚀深度 ；耐久性 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 0 1 0 4 An a l y s i s o n t he i n t e r n a l c r a c k i n g o f c o n c r e t e c o v e r d u e t o r e b a r u n i f o r m c o r r o s i o n J I ANGHu i ， YUM e n g xi o n g2 , LI URo n g gu i ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， X u z h o u I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， X u z h o u2 2 1 1 1 1 ， C h i n a ； 2 F a c u l t yo f Ci v i l E n g ine e r i n g a n dMe c h a n i c s ， J i ang s uUn i v e r s i ty， Z h e n j i a n g2 1 2 0 1 3 ， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Re b a r c o r r os i o n i S an i mp o r t a n t f a c t o r a f f e c t i n g t he s e r v i c e l i f e of r e i nf o r e e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s Co n c r e t e c o ve r i n t e r n a 1 c r a c k i n g i nd u c e d b y r e i n for c e me n t c o r r os i o n a c c e l e r a t e s c r a c k ing o fa l 1 c o v e r Ba s e d o n t h e a s s u mpt i o n o fc o n c r e t e me e t the ma x i mu m t e n s i o n a l s t r a i n f a i l u r e c r i t e rio n， o ne e q ua t i o n f or p r e di c t i ng the r e i n f o r c e me nt c o r r o s i o n d e p t h f r o m c o rro s i o n i n i t i a t i o n t o c o v e r i n t e r na l c r a c kin g wa s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t o t h e c y l i n d r i c a l c a v i ty e x p a n s i o n t h e o r y B y a n a l y z i n g ma i n p a r a me t e r s o f t h e e q u i o n， the r e s u l t s s ho we d tha t t h e r e i nf o r c e me n t c o r r o s i on d e p t h wa s po s i t i v e c o rre l a t i o n wi t h c e me n t s t o n e p o r e vo l u me， d i a me t e r o f r e b ar ， c o nc r e t e ul t i ma t e t e n s i l e s t r a i n， a n d ne g a t i ve c o rre l a t i o n wi th r us t r a t e o fv o l u me e x pa ns i o n Ke yw or ds： c y l i n d r i c a l c a vi t ye x p an s i o nt h e ory ； r e b a rc o rros i o n e x p a ns i o n c r a c k； r e b ar c orros i o n de p th ； d u r a b i l i t y 钢筋锈蚀引起的钢筋混凝土结构耐久性问题主要体 现在 以下几个方 面 ： ( 1 ) 钢筋截面面积损失 ； ( 2 ) 钢筋力学 性能劣化； ( 3 ) 钢筋与混凝土黏结性能退化 ； ( 4 ) 混凝土保 护层开裂 、 分层 、 脱 落 ； ( 5 ) 结构承载力下降、 破坏 由延性 向 脆性转变 1 。 因此， 钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构使用寿 命的重要 因素 。 混凝土保护层锈胀 内裂 ( 近钢筋处混凝土 开裂 ) ， 锈蚀产 物填入 内裂缝 ， 造成应力集中 ， 加速整个混 凝土保护层的开裂。 对于保护层很小的结构， 甚至有可能 产生开 裂即贯 通的恶劣现象 。 因此 ， 对钢筋锈蚀引起 的混 凝土保护层锈胀 内裂进行研究具有重要意义。 国内外学者 2 卅 一般 以混凝土环 向拉应力达到混凝土 的抗拉强度标准值作为混凝土开裂的判断标准 ， 即最大拉 应力理论 ( 第 一强度 理论 ) 。 然而 ， 混凝 土保 护层锈 胀 内裂 的实质是： 在径向锈胀力作用下， 近钢筋处混凝土环向拉 应变达 到混凝土 的极 限拉应变而 沿着径 向出现裂缝 。 因 此， 针对混凝土的脆性断裂分析， 最大伸长线应变理论( 第 二强度理论 ) 更加适应。 假定混凝土满足最大伸长线应变破坏准则 ， 利用 圆孔 扩张理论对铁锈自由膨胀充满混凝土与钢筋交界面空隙 后混凝土保护层内裂进行分析 ， 建立了混凝土保护层锈胀 内裂时刻 的钢筋锈蚀深度计算式 。 并分析 了计算式 的主要 影 响因素。 1 混凝土保护层锈胀 内裂分析模型 1 1 基本模 型 混凝土保护层锈胀内裂以钢筋脱钝开始为起点， 大致 经历两个阶段 ： ( 1 ) 铁锈 自由膨胀阶段 。 混凝土 因其固有 的 材料特性和制作工艺， 钢筋与混凝土交界面存在毛细孑 L 和 微小空隙。 钢筋脱钝锈蚀后 ， 锈蚀产物由于其体积膨胀特 性 ， 逐渐充满交界面空隙， 充满前无锈胀力产生。 ( 2 ) 混凝 收稿 日期 ：2 O l 4 - 0 3 _ J 0 6 基金项目：国家 自 然科学基金( 5 1 2 7 8 2 3 0 ) ； 徐州工程学院重点专项基金项 目( X K Y 2 0 1 2 1 0 2 ) ； 国家建筑材料行业科技创新计划面上研究项目 ( 2 0 1 3 - M3 1 0 ) - 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土保护层内裂阶段 。 锈蚀产物充满交界面空 隙后 ， 随着钢 筋继续锈蚀 ， 锈 胀力开始产生并逐渐增大 ， 近钢筋处混凝 土环向拉应变逐渐增加。 当环向拉应变达到混凝土最大伸 长线应变时 ， 混凝土保护层在近钢筋处开裂 。 根据上述分析， 混凝土保护层锈胀内裂时刻的钢筋锈 蚀深度包含两部分 ： ( 1 ) 锈蚀产物充满钢筋 与混凝 土交界 面空隙所需 的钢筋锈蚀深度 6 ，对应于铁锈 自由膨胀 阶 段 ； ( 2 ) 锈蚀产物产生的锈胀力导致混凝土保护层 内裂对应 的钢筋锈蚀深度 6 ， 对应于混凝土保护层 内裂阶段 。 混凝 土保护层锈胀 内裂时刻的钢筋锈蚀深度 6 为 ： 6 = 6 + ( 1 ) ( a ) 铁 锈 自由膨 胀阶 段 ( b ) 混凝 土 保护 层 内裂 阶 段 图 1 混凝土保护层锈胀内裂两阶段分析 1 2 铁锈 自由膨胀阶段的钢筋锈蚀深度 钢筋与混凝土交界面的毛细孔体 积是影 响钢筋锈蚀 深度 6 主要因素。 把充满毛细孔的铁锈体积 。 ( 即毛细孔 体积) 折算成钢筋外围均匀锈层厚度 。 假设水泥石中毛 细孔均匀分布 ： 一P , l r d d p p , ( 2 ) 7 r 玎。 0 式 中： 6 。 折算锈层厚度 ， Ix m； d 钢筋直径 ， m； 。 纵向单位长度内钢筋与混凝土交界面的毛细 孔体积 ； P 毛细孔体积 占水泥石总体积的百分 比； 毛细孔平均孔径尺寸 ， I x m。 根据图 2可知 ， 通过几何换算可得钢筋锈蚀深度 6 的 计算式为 ： 图 2 钢筋与混凝土交界面毛细孔铁锈的计算示意图 2 一 一 盟 ( 3 ) 2 V 4 n 一 1 式 中： n 铁锈体积膨胀率 ， 一般取 n = 2 4 ts 。 由式( 2 ) 可知 ： 毛 细孔体积 占水 泥石总体积 的百分 比 和毛细孔平均孔径尺寸 d 口 共 同决定锈层厚度 6 。 已有研 究表明网 ： 毛细孔体积占水泥石总体积的比例一般为0 4 0 ； 毛细孔的孔径尺寸介 于 1 5 0 m。 代入式( 2 ) 可得 ， 6 的取 值范 围约 为 1 2 0 m。 根据混凝土强度等级 、 施 工及 养护 条件不同 ， 取值也有所变化。 缺少相关参数 时 ， 计算可取 均值 1 0 ia ,m。 已知 6 p ， 利用式( 3 ) 可以得到钢筋锈蚀深度 6 。 文献 7 中建议 的取值为 1 2 5 m。 i 3 混凝土保护层 内裂阶段的钢筋锈蚀深度 1 3 1 基本假设 通常情况下 ， 由钢筋锈蚀引起 的混凝土保护层锈胀内 裂是一个随机过程 ， 受许 多因素影响。 本研究 在理论 分析 时 ， 采取如下基本假设 ： ( 1 ) 钢筋混凝土是各 向同性体 ， 混凝土为脆性材料 ， 满 足最大伸长线应变破坏准则。 ( 2 ) 需要分析的钢筋混凝土几何形状、 边界约束 、 锈胀 力均对称 于钢筋 中心轴线 ， 简化为平面应变轴对称问题 。 ( 3 ) 钢筋 的锈蚀产物体积呈匀速线 性膨胀 ， 锈胀力分 布均匀。 均匀分布锈胀力作用下 ， 混凝 土保护层在 近钢筋 处最先开裂 。 混凝土保 护层 锈胀 内裂模 型见 图 3 ， 其 中： r 为微分单元体 内半径 ； ( r r 为径 向正应力 ； 。 为环向正应力 ； 为径 向位移 ； p 为 最终 内压力 ； 。 为圆孔 的初 始半径 ， ( 由于交界面空隙相对于 R 。 很小， 近似取 R e = d 2 ) ； R 为扩 张后的终半径 。 ( a ) 整体 造 型 ( b ) 轴对 称 条件 下 单元应 力 状态 图 3 混凝土保护层锈胀内裂模型 ( 4 ) 钢筋均匀锈蚀 ， 根据钢筋变形模型 ， 有 8 1 ： lJ= 尺0 、 1 + ( n 一 1 ) p ( 4 ) 未锈蚀钢筋半径为 ： R 0 - 6 2 = Ro x 1 叩 ( 5 ) 式 中： p 钢筋锈蚀率 ； 6 钢筋锈蚀深度 。 1 3 2 理论推导 图 3 所示混凝土保护层锈胀 内裂模型 ， 属于平 面应变 轴对称 问题 ， 采用极 坐标 系进行分析 。 考虑单元力 系的平 衡 ， 可以得到平面应变轴对称问题的平衡微分方程为 ： 一dO r+ O r - O O 一：0 ( 6 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 采用最大伸长线应变准则为混凝土破坏准则 ： 占 8 ( 7 ) 由扩孔理论解得任意点处应力和径向位移解析式， 其 中应力为 ： o y - 一 ( 8 ) 一 J O 0：孥 一 o r ( 9 ) 一 一 r L 径向位移为 ： u w 一 ( 1 0 ) 一 ， 仃 【 l U J o r 0 一 o r 0 ， 且由平面应变轴对称问题 的弹性力学应力 分量可知 ： f 。 = r 。 r 0 ， 环向拉应变为： 0 = ( 1 - ) 日 - - t3 0 r = OO n m ( 1 1 ) 将式( 1 1 ) 代人式( 6 ) ， 得 ： 一d o - r+ 一堡 眦_ ： 0 ( 1 2 ) d r 1 一 r 1 一 r 上式是一 阶线性微分方程 。 对一 阶线性微分方程可先 求得相应 的齐次方程 的通解 ， 然后再 求特解 。 利用边界条 件 r = R 时 ， 叩 ， 式( 1 2 ) 的解为 ： 一 (p u+ ) ( ) ( 1 3 根据圆筒形孔扩张后 的径 向位移变化 ， 有 ： JR 0 + M ( 1 4 ) 利用径 向位移变化关系 可以进一 步确 定孔 内压力最 终值 P 和扩张后半径 R 。 当 r = R 时 ， 由径向位移表达式 ( 1 0 ) ， 得 ： u = = 一 风 ( s ) 在 r = R 处 ，应力 o r 和 d r 。 应满 足最大伸长线 应变式 ( 1 1 ) ， 又应满足式( 9 ) ， 结合式 ( 9 ) 和式( 1 1 ) ， 经化简得 ： O r ： = 一 嗍_ 一- p ( 1 6 ) u 一 ： 一u l O 将式( 1 6 ) 代入式 ( 1 5 ) ， 再代入式 ( 1 4 ) 经化简可得 ： R0 = ( 1 - s 一) ( 1 7 ) 结合式( 4 ) 和式 ( 1 7 ) 可得到混凝土保护层 内裂阶段 的 钢筋锈蚀率 ： p 叠 ( 18 丽 商 联立式( 5 ) 和式( 1 8 ) 可进一步得到混凝 土保 护层 内裂 阶段 的钢筋锈蚀深度 8 ： ( 1 9 ) 2 影响因素分析 2 1 水泥石 中毛 细孔体积 铁锈 自由膨胀 阶段 的钢筋锈蚀深度 8 主要 由钢筋与 混凝土交界面处水泥石中毛细孔体积决定， 也与铁锈体积 膨胀率有关 。 水泥石 中毛细孔体积取决 于混凝 土水灰 比， 也受施工质量及养护条件影响 。 因此 ， 水泥石 中毛细孔体 积 ( 主要是混凝土水灰 比) 是影响钢筋锈蚀深度 6 的主要 因素。 2 2 铁锈体积膨胀率 n 取钢筋直径 d 为 2 0 li l l n ， 混凝土极 限拉应变为 0 0 0 0 1 。 混凝 土保护层 内裂阶段的钢筋锈蚀深度 与铁锈体积膨 胀率 n的关系 ， 如 图 4 所示。 2 U 2 3 0 3 5 4 U 铁锈体积膨胀率n 图 4 钢筋锈蚀深度 与铁锈膨胀率的关系 由图 4曲线规律可 以看 出， 随着铁锈体积膨胀率 n 增 加， 钢筋锈蚀深度 快速下降。 这是由于铁锈体积膨胀率 增大 ， 达到相 同锈胀力所需 的钢筋锈蚀产物减少 ， 钢筋锈 蚀深度减小。 因此， 在实际工程中， 应控制高体积膨胀率锈 蚀产物 的生成 ( 尽量避免铁锈生成结晶物的环境 ， 减少氧 气和水分的供应等 ) ， 以增强钢筋混凝土结构的耐久性。 2 3 钢 筋直径 取混 凝 土极 限拉应 变为 0 0 0 0 1 ，铁 锈体 积膨 胀率 n = 2 ， 混凝土保护层 内裂阶段 的钢筋锈蚀深度 与钢筋直 径 的关系 ， 如 图 5 所示。 宴 i 西 器 l6 l ZU ZZ 2 4 26 2 jU 钢筋直 径d mm 图 5 钢筋锈蚀深度 与钢筋直径的关系 由图 5 可 以看 出， 钢筋锈蚀 深度 与钢筋直径成线性 增加关系 。 这是 因为直径较大的钢筋 ， 近钢筋处混凝 土环 向拉应变达到极 限拉应变需要的径向位移增大 ， 锈蚀产物 增多 ， 导致钢筋锈蚀深度增加 。 2 4混凝 土极 限拉 应 变 取钢筋直径 d 为 2 0 I n I T l ， 铁锈体积膨胀率 n = 2 ， 混凝土 保 护层 内裂 阶段 的钢筋锈蚀深度 6 与混凝土极 限拉应变 的关系， 如图6 所示。 由图 6可知 ： 随着 混凝土极 限拉应 变增 大 ， 钢筋锈蚀 深度 6 增加。 这是因为近钢筋处混凝土达到极 限拉应变所 需 的锈胀力增大 ， 以致锈蚀产物增加 。 因此 ， 增加混凝 土的 极 限拉应变( 如 ： 掺入纤维材料 、 铁 屑等 ) ， 可提高钢筋混凝 土结构的耐久性。 l 0 0 0 0 g 西 溢器 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m