崔寶慧 徐 立

(1.淮安經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展總公司 江蘇 淮安)(2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司 四川 成都 610000)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)去鈍化過(guò)程的研究

崔寶慧1徐 立2

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以COMSOL Multiphysics大型多物理場(chǎng)耦合有限元軟件為媒介，將溫度傳遞和水分運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程進(jìn)行多場(chǎng)耦合，模擬了鋼筋去鈍化前的過(guò)程。

溫度傳遞;水分運(yùn)輸;多場(chǎng)耦合;去鈍化

一、研究背景

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕過(guò)程可分為介質(zhì)侵蝕、鋼筋腐蝕膨脹和保護(hù)層開(kāi)裂三個(gè)階段。鋼筋腐蝕膨脹過(guò)程研究集中于鋼筋腐蝕速率和腐蝕產(chǎn)物形狀分布等;保護(hù)層開(kāi)裂過(guò)程研究集中于鋼筋腐蝕開(kāi)裂的臨界腐蝕量和混凝土保護(hù)層的極限裂縫寬度等。

二、多場(chǎng)耦合模型

混凝土中的鋼筋表面覆有一層鈍化膜，其功能主要是抑制鋼筋的銹蝕。隨著腐蝕過(guò)程的進(jìn)行，在鋼筋周向?qū)⑿纬筛g產(chǎn)物，會(huì)對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹壓力，并造成混凝土保護(hù)層開(kāi)裂。

(一)侵蝕模型

本文考慮溫度傳遞和水分運(yùn)輸過(guò)程，建立相應(yīng)的偏微分方程，通過(guò)求解偏微分方程組實(shí)現(xiàn)不同過(guò)程的多場(chǎng)耦合。

1.熱傳遞方程

將質(zhì)量守恒定律與傅里葉傳熱定律結(jié)合，可描述混凝土結(jié)構(gòu)的溫度分布:

式中:ρco為混凝土密度，2450kg/m3;cq為混凝土比熱容，960J/(mol·K);λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，2.94W/(m·K);T為混凝土內(nèi)部溫度，K。

2.水分運(yùn)輸過(guò)程

將質(zhì)量守恒定律和廣義達(dá)西定律相結(jié)合，可描述混凝土結(jié)構(gòu)中的水分分布:

式中:itotal為總體腐蝕電流密度，A/m2;t1為鋼筋腐蝕開(kāi)始的時(shí)間，s;AFe為鐵原子量，55.85g/mol;ZFe為陽(yáng)極反應(yīng)化合價(jià)，2;ρs為鋼筋密度，7800kg/m3。

不同銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹率β取值各不相同，本文依據(jù)Kumiko Suda的試驗(yàn)研究［1］，取β=3。不計(jì)腐蝕產(chǎn)物和鋼筋之間的壓縮變形，腐蝕層厚度r2(m)表達(dá)式為:

三、求解

對(duì)于偏微分方程的耦合，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用有限元法和有限差分法，通過(guò)編寫程序完成。步驟復(fù)雜且可操作性差。本文基于COMSOL Multiphysics的數(shù)學(xué)模塊，通過(guò)直接自定義偏微分方程、初始條件和邊界條件來(lái)建立一個(gè)App應(yīng)用程序。在程序的建模、計(jì)算和可視化方面，可直接借助COMSOL軟件的前處理模塊、求解器模塊和后處理模塊，簡(jiǎn)單方便且保證精度。

基于COMSOL Multiphysics軟件，針對(duì)本文模型，將熱傳遞、水分運(yùn)輸偏微分方程進(jìn)行耦合求解，得到不同時(shí)刻不同位置的氯離子侵蝕濃度;將不同時(shí)刻的腐蝕產(chǎn)物分布作為位移載荷，模擬相應(yīng)時(shí)刻的開(kāi)裂情況，確定混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的時(shí)間。

四、建模

對(duì)于鋼筋/混凝土邊界的電化學(xué)邊界條件，采用通量形式定義［2］。

式中:Dh為水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s;θw為孔隙水體積分?jǐn)?shù);h為孔隙相對(duì)濕度。

(二)腐蝕開(kāi)裂模型

根據(jù)法拉第定律，沿鋼筋周向的鋼筋半徑減小值r1表達(dá)式為:本文添加兩個(gè)輔助函數(shù)u1(Cc)和u2(Cc)［2］，形式如下:

圖1 鋼筋腐蝕率時(shí)程曲線

圖2 面主應(yīng)力分布時(shí)程圖

鋼筋腐蝕率隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖1，其近似成線性分布，且后期腐蝕率逐漸趨于平穩(wěn)。從第5.1年的腐蝕開(kāi)始，到全截面腐蝕的第47.6年，腐蝕率增加到了5.047%，對(duì)結(jié)構(gòu)造成了顯著的影響。

圖2描述了面主應(yīng)力的分布情況，沿鋼筋環(huán)向的深紅色線條代表最大主應(yīng)力［3］，色澤越淺的線條其主應(yīng)力也越小。由于混凝土裂縫出現(xiàn)的隨機(jī)性和突發(fā)性，以主應(yīng)力大小來(lái)反映裂縫出現(xiàn)的概率更加符合工程實(shí)際。

五、結(jié)論

基于COMSOL軟件，考慮水分運(yùn)輸、溫度傳遞和氯離子運(yùn)輸?shù)亩鄨?chǎng)耦合，可較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出鋼筋去鈍化并開(kāi)始腐蝕的時(shí)間。對(duì)于電化學(xué)腐蝕，很多學(xué)者均假定活化區(qū)/鈍化區(qū)比為定值，本文考慮活化區(qū)/鈍化區(qū)比的連續(xù)變化過(guò)程，模擬得到的鋼筋腐蝕過(guò)程更符合實(shí)際情況。

［1］ Zhang R，Castel A，F(xiàn)ran?ois R.Concrete cover cracking with reinforcement corrosion of RC beam during chloride－induced corrosion process［J］.Cement and Concrete Research，2010，40(3):415 －425.

［2］ Crete D.General Guidelines for Durability Design and Redesign［S］ ［J］.The European Union － Brite Eu Ram III，Project No.BE95 －1347:Probabilistic Performance Based Durability Design of Concrete Structures，Document，2000，15.

［3］姬永生，袁迎曙.恒定氣候混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕速率的時(shí)變特征與機(jī)理［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36(2):153－158.

［4］袁迎曙，姬永生，牟艷君.混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕層發(fā)展和銹蝕量分布模型研究 ［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2007，40(7):5－10.

崔寶慧 (1988－)，女，漢，山東青島平度市，助理工程師，碩士研究生，淮安經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展總公司;徐立 (1991－)，男，漢族，山東青島，碩士，國(guó)網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司，結(jié)構(gòu)工程。