趙丹會，張淑華，蘭 讓，周靜姝

（河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

鋼筋混凝土結構銹脹開裂試驗及仿真研究

趙丹會，張淑華，蘭 讓，周靜姝

（河海大學港口海岸與近海工程學院，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對象，采用加速腐蝕設備對試驗梁進行加速腐蝕，應用CT掃描檢測技術對切割后的腐蝕開裂梁進行斷層掃描，得出銹蝕深度及銹蝕率與裂縫寬度之間的關系。在試驗的基礎上，基于擴展有限元法，分別改變保護層厚度和鋼筋直徑，對銹蝕深度與裂縫寬度的關系進行參數(shù)敏感性分析，從而推導出銹蝕率與裂縫寬度之間的經(jīng)驗公式。結果表明：保護層厚度越大，抗開裂能力越大；不同鋼筋直徑對應的銹蝕深度與裂縫寬度間均存在線性關系，但直線斜率并無明顯變化；當裂縫寬度小于0.4 mm時，基于仿真研究得到的經(jīng)驗公式與試驗結果吻合較好。

鋼筋銹蝕；裂縫寬度；加速腐蝕試驗；擴展有限元

鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性的主要因素之一，工程中由于鋼筋銹蝕引起結構整體破壞的實例不勝枚舉。國內(nèi)外學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系式。本文基于前人的研究經(jīng)驗，首先通過加速腐蝕試驗和CT掃描檢測技術，得出銹蝕深度及銹蝕率與裂縫寬度間的關系，然后在試驗的基礎上，基于擴展有限元法［8-11］和混凝土粘聚力本構模型，利用ABAQUS建立相關的模型研究不同參數(shù)對銹脹裂縫寬度和銹蝕深度間關系的影響，最后依據(jù)參數(shù)敏感性分析結果推導出銹蝕率與裂縫寬度之間的經(jīng)驗公式，為鋼筋混凝土結構的耐久性研究提供一定的理論參考。

1 混凝土保護層銹脹開裂試驗設計

試驗過程設計如下：試驗材料選擇—試驗梁的制備—進行加速腐蝕試驗—截取部分腐蝕構件—CT掃描—試驗數(shù)據(jù)采集—分析試驗結果。

本文以實際高樁碼頭中腐蝕開裂最具代表性的縱梁作為試驗對象，考慮到實驗室試驗條件，試件按相似理論進行縮小。試驗梁設計尺寸為：長1 500 mm×寬150 mm×高250 mm，按適筋原則進行配筋，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，試驗梁構造如圖1所示。

1.1 試驗梁的制備

試驗梁的制備主要包括綁扎鋼筋籠、立模、澆注、脫模、養(yǎng)護5個過程。本試驗試件梁均采用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，試件梁澆筑完成20 h進行脫摸，脫模后的試件放入養(yǎng)護池中覆蓋養(yǎng)護，每天澆水兩次，持續(xù)30 d。

圖1 試驗梁構造圖Fig.1 Structure diagram of test beam

1.2 加速腐蝕試驗

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

本試驗采用加速腐蝕設備，可同時對多根試件進行獨立的電化學通電，通過調(diào)節(jié)腐蝕池中的水位，實現(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，進一步加速腐蝕過程。試驗加速腐蝕過程中，主筋電流強度為600 mA，并且在腐蝕池中加入了適量的工業(yè)海鹽，以提高導電效率，試件梁加速腐蝕試驗裝置如圖3所示。

1.3 試驗結果

為了獲得試件的腐蝕結果，對腐蝕等級達到要求的試驗梁進行切割，剝開混凝土保護層，鋼筋的銹蝕程度如圖4所示。

通過CT掃描技術［12］，在電壓120 kV，電流440 mA條件下，獲取各試驗梁段的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，將試件均勻設置6個掃描層，每個試件掃描6次，結果取其平均值，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，試驗結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裝置示意圖Fig.3 Specimen beams accelerated corrosion test device schematic diagram

1.4 結果分析

1.4.1 銹蝕深度與裂縫寬度的關系

通過分析試驗結果，得到混凝土保護層厚度分別為25 mm和30 mm，鋼筋直徑為12 mm的試件的銹蝕深度與對應混凝土表面裂縫寬度的關系曲線，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層厚度有關，保護層厚度越大，提供的抗裂能力越大?；炷灵_裂后，保護層厚度為30 mm的試件開始裂縫擴展速率較慢，但當銹蝕深度大于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，導致裂縫寬度不斷增加。而保護層厚度為25 mm的試件，雖然保護層厚度較小，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，導致銹脹力變化較小，因此，裂縫寬度增長較慢。

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

1.4.2 銹蝕率與裂縫寬度的關系

對試驗結果進行統(tǒng)計分析得到數(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系。為了更加直觀的描述銹蝕率與表面裂縫寬度的相關性，對試驗結果進行回歸分析，得到表面裂縫寬度與銹蝕率的關系為

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系Fig.6 Relationship between radial expansion displacement and crack width

圖7 銹蝕率與裂縫寬度的關系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系提供了一種有效方法。

銹蝕率與裂縫寬度的關系受到多種因素的影響，由于試驗條件的限制，公式（1）是在保護層厚度、混凝土強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系，下文進行參數(shù)敏感性分析的仿真研究。

表1 試驗結果Tab.1 The test and calculation results

2 仿真研究

本節(jié)在試驗的基礎上，基于擴展有限元法，利用ABAQUS建立相關的模型，研究不同參數(shù)對銹脹裂縫寬度和銹蝕深度間關系的影響，從而推導出裂縫寬度與銹蝕率之間關系的經(jīng)驗公式，為鋼筋混凝土結構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)的試驗結果可知，鋼筋沿軸向銹蝕均勻，可將銹脹開裂簡化為平面應變問題進行處理。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，結果如表3所示。

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

由圖9可知，通過擴展有限元法模擬銹蝕深度和裂縫寬度的關系與實驗得到的結果基本一致。因此，應用擴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構銹脹開裂的過程，結果表明：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)細微裂紋，隨著鋼筋銹蝕量的不斷增加，表面裂縫不斷向里擴展，裂縫寬度不斷增大。由于混凝土結構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系的影響，分別改變保護層厚度和鋼筋直徑，對銹蝕深度與裂縫寬度的關系進行參數(shù)敏感性分析，具體參數(shù)設置見表4～表5。

2.3.1 保護層厚度的影響

不同保護層厚度下銹蝕深度與混凝土裂縫寬度的關系如圖10所示。

通過分析圖10中銹蝕深度與裂縫寬度的關系得出：當裂縫寬度較小時，銹蝕深度與裂縫寬度之間存在著線性關系，并且隨著保護層厚度的增加，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，仿真模擬結果與試驗結果一致，結果均表明：在一定范圍內(nèi)，增加混凝土結構保護層厚度能夠提高其抵抗外界不良因素的侵蝕，提高結構的耐久性。

2.3.2 鋼筋直徑的影響

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

圖9 仿真模擬結果與試驗結果的對比Fig.9 Comparison of simulation and experimental results

表4 不同保護層厚度下參數(shù)設置Tab.4 Parameter settings of different thickness of concrete cover

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

上述結果表明：保護層厚度、混凝土強度一定的條件下，不同鋼筋直徑對應的銹蝕深度與裂縫寬度間均存在線性關系，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系影響不大。因此，當保護層厚度和混凝土強度一定時，銹蝕深度與裂縫寬度關系可表示為

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系的經(jīng)驗公式的推導

由2.3節(jié)試驗結果可知，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）轉化為

則鋼筋銹蝕產(chǎn)生的銹蝕深度與銹蝕率的關系為

通常鋼筋的銹脹率較小，公式（6）簡化為

圖10 不同保護層厚度下銹蝕深度與裂縫寬度的關系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系

將式（2）代入式（10），則裂縫寬度與銹蝕率的關系可表示為

式中：k=0.65，δ0=0.018 mm，國內(nèi)外學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］，基于試驗結果本文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上建立的經(jīng)驗公式是在保護層厚度一定、鋼筋銹蝕不是特別嚴重的情況下的裂縫寬度與鋼筋銹蝕率之間的關系。

2.5 經(jīng)驗公式的驗證

將D=12 mm代入公式（12），計算得到的銹蝕率與銹脹開裂試驗結果對比，如圖13所示。

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

圖13 理論計算與試驗結果對比關系Fig.13 Relationship between the results of theoretical calculation and test

3 結論

本文通過加速腐蝕試驗和數(shù)值仿真對鋼筋混凝土結構的銹脹開裂過程進行了研究，得到以下結論：（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果與試驗結果，驗證了擴展有限單元法模擬鋼筋銹脹開裂的過程是合理可行的。（3）當裂縫寬度較小時，不同鋼筋直徑對應的銹蝕深度與裂縫寬度間均存在線性關系，但直線斜率并無明顯變化；在混凝土強度一定條件下，保護層厚度越大，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，與試驗結果一致。因此，在一定范圍內(nèi)，增加混凝土結構保護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，提高結構耐久性。（4）基于仿真研究得到的銹蝕率與裂縫寬度關系的經(jīng)驗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.