混凝土保护层初始开裂影响因素分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 2年第 4期 ( 总第 1 6 6期 ) 混凝土保护层初始开裂影响因素分析 林泳城 ， 杨杰 ， 王珐玮 ， 吴泽媚 ( 1 南京航空航天大学土木工程系 ， 江苏南京2 1 0 0 1 6； 2 吉林省交通科学研究所 。 长春1 3 0 0 1 2) 【 摘要】 通过建立混凝土保护层胀裂时刻的力学模型， 确定了混凝土保护层开裂时刻临界锈胀力的大小。 分析了混凝土强度等级 、 相对保护层厚度( C d ) 及钢筋间距 S 对混凝土保护层开裂的影响。研究表明： 单根钢筋 情况时， 钢筋混凝土保护层初始开裂时的锈胀力 Q 是关于混凝土抗拉强度和相对保护层厚度的函数， 初始锈胀 力随着混凝土抗拉强度和相对保护层厚度的增加而增加； 存在相邻钢筋时会使得钢筋锈蚀产生的膨胀作用相互 叠加 ， 混凝土初始开裂时的锈胀力减小 ， 咖速混凝土的开裂。 【 关键词】 钢筋锈蚀； 相对保护层厚度； 锈胀力 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 7 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 3 6 0 3 S T UDY oN THE I NF LUENCE F ACTORS oF CONCRETE CoVER CRACK G L I N Yo n g c h e n g ， YANG J i e ， WAN G F a we i ， WU Z e me i ( 1 C o l l e g e o f a e r o s p a c e e n g i n e e ri n g ，N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ； 2 J i l i n T r a f fi c S c i e n c e I n s t i t u t e ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 1 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B y e s t a b l i s h i n g me c h a n i c s mo d e l a t t h e mo me n t o f c o n c r e t e c o v e r e x p a n s i o n c r a c k i n g， t h e c rit i c a l c o r r o s i o n e x p a n s i o n f o r c e h a s b e e n c a l c u l a t e d a t t h e mo me n t o f c o n c r e t e c o v e r c r a c k i n g A n a l y z e s e v e r a l f a c t o r s wh i c h i mp a c t the c rit i c a l c o rro s i o n e x pa n s i o n f o r c e o f c o nc r e t e c o v e r c r a c k i n g，i n c l u d i n g t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e ， r e l a t i v e c o v e r t h i c k n e s s ( C d )a n d b a r s p a c i n g T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e c o r r o s i o n e x p a n s i o n f o r c e Q c i s a f u n c t i o n o f t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a n d r e l a t i v e c o v e r t h i c k n e s s w h i l e i n s i n g l e r e b a r Q c i n c r e a s e s w i t h t h e t e n s i l e s tr e n g th a n d r e l a t i v e c o v e r thi c k n e s s i n c r e a s e F o r t w o o r m o r e r e i n f o r c i n g r e b a r ， the c o r r o s i o n e x p a n s i o n o v e r l a i d ， j u s t ma k i fi g t h e c o rr o s i o n e x p a n s i o n f o r c e o f i n i t i a l c r a c k i n g d e c r e a s e ，wh i c h a c c e l e r a t i n g the c r a c k i n g o f c o n c r e t e Ke y wo r d s： r e i n f o r c e me n t c o rro s i o n；r e l a t i v e c o v e r t h i c k n e s s ；c o rro s i o n e x p a ns i o n f o r c e 混凝土 中钢筋锈蚀后产生的锈蚀产物由于体积 膨胀会 在混凝 土内壁产生挤 压 ， 当混凝 土中 的受拉 应 基金项 目】 西部交通 ( 2 0 0 9 C B 0 1 ) 力超过其极限抗拉强度时， 混凝土保护层就会径向或 者顺筋开裂。裂缝形成后会加速外界侵蚀物质( 主要 所提出的界面抗剪承载力的组成部分的正确性。对 于光滑界面， 由于先后浇筑混凝土界面缺乏足够的粗 糙度， 在这种情况下， 整体的抗力主要由销栓作用提 供。对于凿毛界面， 整体的抗力则由摩擦力、 锁键力、 销栓力共 同作用 的结果。实验测得的界面抗剪承载 力反应出了界面抗剪承载力计算公式是偏于保守的， 而且安全余量还很大。 对于采用植筋作为连接件 的新 旧混凝土界面抗 剪破坏 ， 是一种延性的破坏， 其延性主要是体现在连 接件( 植入的钢筋) 上 ， 而且在实验中没有钢筋被拔出 的 ， 说 明在新旧混凝土连接构件上 ， 连接件采用 1 0 d的 植入 深度是 足够的。 2 3 参考文献 李杰 混凝土结 构后锚 固群锚 抗剪 试验研究 D 上海 ：同济 大学 。 2 o 0 7 王少波 新老混凝土粘结面剪切性能实验研究 D 郑州： 郑 州工业大学 秦明强 新旧混凝土界面结合状态研究 D 武汉： 武汉理工 大学 ， 2 0 0 6 收稿日期 2 0 1 1 1 2 1 4 【 作者简介 房树田， ( 1 9 7 0一 ) ， 男， 内蒙古赤峰人 ， 副教授， 从事土木与建筑工程教学与科研： I = 作。 林泳城等 ： 混凝 土保护层初始开裂影响因素分析 3 7 是游离 c l 一 ) 的渗入， 致使钢筋加重锈蚀 ， 引起保护层 剥落， 降低钢筋与混凝土间的粘结性能和结构的承载 力 ， 并导致整体结构刚度的退化 ， 严重影响钢筋混凝 土结构的使用寿命。因此， 界定钢筋混凝土保护层初 始开裂时的最大锈胀力对研究混凝 土结构的耐久性 有重要意义。 文中采用分离法分析混凝土保护层的破坏情况， 通过采用有限元软件 A N S Y S模拟混凝土保护层开裂 过程， 得到保护层初始开裂时的锈胀力 Q 。 ， 并对 Q 。 的 影响因素进行分析。 1 理论分析 当混凝土中的钢筋腐蚀到一定程度， 混凝土保护 层将开裂， 此时的锈胀力即为导致保护层开裂的临界 值。一般而言， 混凝土中钢筋从开始锈蚀到混凝土保 护层开裂大致要经历三个 阶段： 铁锈 自由膨胀阶 段； 混凝土保护层受拉应力阶段 ； 混凝土保护层 开裂和裂缝扩展 阶段。 现 已有文献经实验研 究证 明心 】 ： 混 凝土开裂 时刻 的临界锈胀力与混凝土强度等级、 钢筋直径及保护层 厚度等因素有关。由于混凝土本身离散性较强， 目前 的实验条件很难模拟实际构件的锈蚀情况。文中采 用弹性理论分析方法得到混凝土开裂时刻锈胀力 的 表达式。 P e r f e r s 曾采用弹性力学 的方法给出了半径为 R的圆周上混凝 土未开裂部分的混凝 土环向应力 o r 。 和法相应力 的公式 ： 一 d O rt ,r 2 e 1 q( 1 ) 一 丽L J ( 式中的各个符号含义见图 1 。当R=e 时， 环向应 力最大 ： q ( 2 ) m x 。 ( 2 ) 当 一等于混凝土的抗拉强度丘时混凝土保护层 开裂， 令 = ， 即锈胀力 g： 2 _Ee d ( 3 )d 2 0 ： 一 t I 、 ( c + ) +e 山 J 对式( 3 ) 进行求导， 由 =0 ， 即可得到最大锈 胀力 ： q =( 0 3+ 0 6 c d ) 兀 ( 4 ) 2 混凝土保护层开裂影响因素分析 混凝土保护层开裂时的钢筋锈蚀率、 保护层的临 界锈胀力都受到混凝 土强度等级、 混凝土保护层厚 度、 钢筋直径和铁锈膨胀率等因素的影响。下面将通 过实验对计算模型进行验证 ， 并讨论各影响因素的敏 感性 。 图l 混凝土保护层开裂时的应力分布图 2 1 混凝土强度等级的影响 此处混凝土强度等级用抗拉强度标 准值表示。 以 C 3 0 、 C A 0 、 C 5 0为例 ， 其抗拉强度标 准值分 别 为 2 0 1 、 2 3 9 、 2 6 4 MP a 。采用有限元软件 A N S Y S 模拟单 根钢筋情况， 在保护层内壁施加均布力， 模拟钢筋均 匀锈蚀情况。文 中混凝土采用 S O L I D 6 5单元 ， 通过 程 序内置的 Wi l l a mWa r n k e五参数破坏准则模拟混凝 土开裂。图2示出了混凝土保护层初裂时所需的锈胀 力 Q 与混凝土标准抗拉强度 之间的关系。其中， c 表示保护层厚度( m m) ， d表示钢筋直径( m m) 。由图 2 可知， 当保护层厚度和钢筋直径一定时， 混凝土的标 准抗拉强度越高， 保护层内壁开裂所需的锈胀力也越 大， 两者成正比的关系。 混凝土标准抗拉强度 f MP a 图2 与Q 关系 4 5 4 o 蓦 1 5 O5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 相对保护层厚度C d 图3 q o -C l a tter 2 2 相对保护层厚度的影响 以强度为 C 3 0 、 C A 0和 C 5 0的混凝土为例 ， 参数定 义同上。文 中用混凝土保护层厚度和钢筋直径的比 值 C d定义相对保护层厚度。图3 显示出了锈胀力与 相对保护层厚度之间的关系。由图可知， 当混凝土标 准抗拉强度一定时， 混凝土保护层的临界锈胀力随着 3 8 低温建筑技术 2 0 1 2年第 4期( 总第 1 6 6期) 相对保护层厚度的变大而增大， 该结果与式( 4 ) 计算 模型较为吻合。 2 3 钢筋间距的影响 在两根钢筋及以上的情况下 ， 钢筋之间存在明显 的叠加作用， 使得钢筋之间的混凝土很快达到其破坏 程度( 钢筋之间的间距足以产生叠加作用的情况， 间 隔太远则不足以产生叠加) 。经有限元模拟结果也可 以明显观察到混凝土初始开裂产生裂缝从两钢筋之 间开始产生。正交法设计模型参数， 如表 1 所示， 共 9 种情况。 表 1 编号 MP a C mm d ram S mm 考虑钢筋间距情况的模型参数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 Ol 2 Ol 2 Ol 2 3 9 2 3 9 2 3 9 2 6 4 2 6 4 2 6 4 2 O 3 O 4 0 2 O 3 O 4 0 2 O 3 O 4 0 8 l 2 2 O 2 O 8 1 2 l 2 8 2 O 2 5 4 0 3 0 4 0 3 O 2 5 3 0 2 5 40 图 4为施加径 向均布力 1 3 3 7 MP a ( 未开裂) 和 1 4 3 2 M P a ( 开裂) 时两钢筋之间的 Mi s e s等效应力分 布。可以看出， 混凝土初始开裂时两钢筋之间存在应 力突变， 这是 因为混凝土开裂时发生剪应力传递 ， 文 中剪应力传递系数为0 3 5 。图 5说明了钢筋锈蚀时， 相邻钢筋达到开裂时所需的锈胀力 比单根钢筋小。 图 中为编号 3的情 况。 模型编号 一考虑钢筋间距 不考虑钢筋间距 图5 单根钢筋与两根钢筋初始开裂锈胀力对 比 4结 语 文 中在已有的计算模型 基础上 ， 通过有 限元软件 A N S Y S 对分析模型进行仿真计算， 分别考虑混凝土抗 拉强度 、 相对保护层厚度 C d及钢筋间距 s三个因 素的作用， 计算得出各模型初始开裂时的锈胀力， 并 对钢筋锈蚀引起 的混凝土保护层开裂影响因素进行 分析 ， 得出以下结论 ： 一 ( 1 ) 随混凝土抗拉强度的增加 ， 混凝土保护层 初始开裂时所需的锈胀力增大。 ( 2 ) 相对保护层厚度 c d值越大， 混凝土保护 层初始开裂时所需的锈胀力也越大 。 ( 3 ) 两根或以上钢筋， 锈蚀之后对周边混凝土 产生的应力存在明显的叠加作用 ， 其发生初始开裂时 所需 的锈胀力明显 比单根钢筋的情 况要小 。 参考文献 1 姬永生 氯盐外侵混凝土内钢筋的锈蚀特征及机理分析 J 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 8 ( 3 ) ： 3 0 93 1 5 2 刘海， 姚继涛， 牛荻涛 钢筋混凝土结构基于锈胀开裂寿命 准则的耐久性设计方法 J 西安建筑科技大学学报， 2 0 0 9 ， 4 1 ( 1 ) ： 2 53 1 3 J i n a n e E 1 H a s s a n ， P h i l i p p e B res sel e t t e ， A l a s C h a t e a u n e u f ， e t a 1 Re l i a b i l it yb a s e d a s s e s s me n t o f t h e e ff e c t of c l i ma t i c c o n d i t i o n s o n t h e c o r r o s i o n o f R C s t r u c t u r e s s u b j e c t t o c h l o ri d e i n g r e s s J En g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ，2 0 1 0， 3 2： 3 2 7 93 2 8 7 4 徐芝纶 弹性力学简 明教程 M 北京：高等教育出版 社，1 9 8 3 5 赵羽习， 金伟良钢筋锈蚀导致混凝土构件保护层胀裂的全 过程分析 J 水利学报， 2 0 0 5 ， 3 6 ( 8 ) ： 9 3 9 9 4 5 6 C o n g q i F a n g ， K a r i n L u n d g r e n， L i u g u o C h e n ， e t a 1 C o r r o s i o n i n fl u e n ee o n b o n d i n rei n f o r c e d c o n c ret e J C e me n t a n d C o n c ret e Re s e a r c h，2 0 0 4， 3 4：21 5 921 6 7 7 c A l o n s o ， C A n d r a d e ， J R o d ri g u e z ， e t a 1 F a c t o r s e o n t r o fi i n g c r a c k i n g o f c o n c ret e a ff ect e d b y rei n f o r c e me n t C O I T O s i o n J C o n c r e t e i n t e ma t i o n a l ， 1 9 9 7， 2 0 ( 7 ) ： 2 73 3 8 O m i n d a N a n a y a k k a r a ， Y o s h i t a k a K a t o M a c r o c e l l C o r r o s i o n i n Re i n f o r c e me n t o f Co n c ret e u n d e r No n - h o mo g e n e o us C h l o rid e En v i r o n m e n t J J o u m a l o f A d v anc e d C o n c r e t e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ： 7 ( 1 ) ： 3 1 4 O 收稿日期 2 0 1 1 1 1 1 1 作者简介 林泳城( 1 9 8 6一) ， 男， 福建漳州人， 硕士 研究方 向： 防护工程 。