王明年，楊恒洪，張藝騰，劉軻瑞，于 麗，*

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，隨著經濟的發(fā)展與水下隧道建設技術的不斷進步，多條跨越海灣的交通隧道已于近期完成規(guī)劃或建設。相比于一般隧道，海域環(huán)境中服役的隧道將長期暴露于氯離子等侵蝕環(huán)境中，環(huán)境中的氯離子通過對流彌散作用穿過管片保護層并到達鋼拱架表面。一旦鋼拱架表面氯離子濃度達到鋼拱架銹蝕的臨界濃度，且有足夠的水分和氧氣存在，鋼拱架表面鈍化膜將受到破壞，鋼拱架產生銹蝕[1]。

大量試驗表明，埋在混凝土中的鋼拱架發(fā)生銹蝕以后，其產生的鐵銹的體積是原來體積的2～4倍，因而會向周圍膨脹，鋼拱架四周的混凝土則限制其膨脹，產生交界面上的壓力，這種壓力被稱為銹脹力。鋼拱架銹脹力會影響鋼拱架與混凝土的黏結性能，且將導致混凝土保護層受拉而開裂。型鋼混凝土構件受銹脹力縱裂后，鋼拱架銹蝕速度加快，這對型鋼混凝土構件(初期支護)的耐久性十分不利。因而，研究銹脹力對結構構件耐久性分析具有十分重要的意義，許多學者對此進行了研究。例如：丁萬濤等[2]采用FLAC3D數值分析軟件及有限元強度折減思想，探討加筋銹蝕對錨固支護結構體系承載作用的劣化影響；曲立清等[3]建立了海底隧道混凝土在雙重破壞因素作用下的壽命預測模型；王明年等[4]建立了銹蝕工字鋼與噴射混凝土的黏結滑移本構關系數學模型；王學斌[5]采用相關技術標準、規(guī)范和室內加速腐蝕試驗進行綜合分析，評價了海底隧道支護結構環(huán)境腐蝕性等級并分析了二次襯砌混凝土抗腐蝕性能；童建軍等[6]利用有限元軟件，考慮初期支護與二次襯砌荷載分配比例，研究了鋼拱架銹蝕率對其自身承載力的影響規(guī)律；王永東等[7]基于氯鹽侵蝕將海底隧道的壽命周期分為3個階段，并對鋼筋銹蝕階段進行了量化細分，從氯鹽腐蝕的3個階段分析了海底隧道的耐久性。

目前，關于銹蝕鋼筋與混凝土之間銹脹力的研究成果很多[8-14]，但工字鋼(鋼拱架)銹脹力與鋼筋銹脹力可能有較大的不同，因為工字鋼與鋼筋具有不同的特性: 1)工字鋼與混凝土的接觸面積遠大于鋼筋、錨桿；2)工字鋼的空間形態(tài)與錨桿、鋼筋的空間形態(tài)不同，導致其力學性能存在差異。因此，研究工字鋼與混凝土之間的銹脹力具有一定意義。

本文首先通過室內試驗研究了工字鋼在不同混凝土保護層厚度下的銹脹力及銹脹力與銹蝕率之間的關系，然后通過數值模擬方法研究了銹脹力作用下混凝土裂縫、混凝土應力、應變分布規(guī)律以及混凝土脹裂應力變化情況。

1 試驗概述

1.1 試驗目的

已有的研究結果顯示，鋼筋混凝土的保護層厚度對銹脹力的影響很大。一方面，保護層厚度大的構件能更好地阻止地下水與鋼筋接觸，從而使鋼筋銹蝕的初始時間要晚；另一方面，保護層厚度越大，混凝土抵抗鋼筋銹脹力的能力就越強，從而使構件不容易開裂，能更好地保護鋼筋。本次銹脹力試驗的目的是研究保護層厚度對工字鋼銹脹力的影響以及保護層厚度對銹脹承載力(脹裂時的銹脹力)的影響，并觀察混凝土裂縫的分布和發(fā)展，從而能清楚地了解海底隧道初期支護工字鋼與混凝土之間的相互作用，為海底隧道初期支護的病害研究提供依據。

1.2 試驗原理及步驟

銹脹力試驗難點有：1)通電快速銹蝕時銹蝕率不好控制；2)對用于測銹脹力的試驗儀器既有強度要求(不能被壓壞)，又有防銹蝕要求，且儀器體積不能太大以防改變鋼筋混凝土內部黏結的真實情況。

針對第1個難點，本試驗預先澆筑同等大小、規(guī)格的工字鋼混凝土構件，然后采用電解液快速腐蝕法加速鋼拱架的腐蝕。具體做法是：1)把試件放在質量分數為5%的NaCl溶液中浸泡7 d，然后將試件橫放入電解槽中并加入相同質量分數的NaCl溶液；2)將試件中的工字鋼用導線與可調式穩(wěn)壓電源的陽極相接,電源陰極與溶液中的銅板連接，通過NaCl溶液形成回路,使陽極的鋼拱架發(fā)生腐蝕。通電完成銹蝕后采用酸洗實測[15]的方法測定銹蝕率，具體做法如下：1)將混凝土試件鑿開，取出銹蝕工字鋼；2)切割未包裹在混凝土中的銹蝕工字鋼；3)用質量分數為12%的鹽酸溶液去除包裹在混凝土中的銹蝕工字鋼的銹蝕產物，然后用質量分數為3%的碳酸鈉溶液中和，最后用水洗滌，放入烘箱烘干；4)將除銹后的工字鋼稱重，可得到除銹后的工字鋼質量，進一步得到實際的銹蝕損失質量。

經快速電解銹蝕后的工字鋼如圖1所示。由圖可以看出，工字鋼表面銹蝕較為均勻。銹蝕質量與通電時間的關系如圖2所示?？焖黉P蝕試驗完成后以相同的快速銹蝕條件和環(huán)境進行銹脹力試驗，得到具體時間相應銹蝕率所對應的銹脹力。

圖1 快速電解銹蝕后的工字鋼

圖2 銹蝕質量與通電時間的關系

對于銹脹力試驗的第2個難點，本文采用的方法是：將土壓力盒(其外面用薄絕緣膜包裹)固定在工字鋼上，翼緣中部和腹板中部各布置1個，然后澆筑混凝土并通電銹蝕，用靜態(tài)應變儀測得頻率，并將其轉換成銹脹力。土壓力盒的安置、保護和固定分別如圖3和圖4所示。應變讀數儀如圖5所示。

圖3 土壓力盒安置示意圖

圖4 土壓力盒的保護與固定

圖5 應變讀數儀

土壓力盒能夠滿足強度要求，不會被壓壞。絕緣膜要薄，并且防水，其沒有壓縮性，能很好地傳遞銹脹力，絕緣膜的選用是本試驗成敗的關鍵。

對于銹脹力試驗，本文采用如下方案：1)按不同的混凝土保護層厚度澆筑構件，研究內容包括早期銹脹力、開裂銹脹力和后期銹脹力的對比。本試驗設置4種不同的保護層厚度，分別為22、24、26、28 mm。2)不同的通電銹蝕時間得到不同銹蝕率下的銹脹力。

本次試驗步驟如下：1)將土壓力盒安裝到工字鋼上,要求絕緣保護膜與工字鋼之間無雜質，貼緊效果好，然后記錄土壓力盒編號和對應的位置；2)澆筑混凝土構件并養(yǎng)護，混凝土質量配合比m水∶m碎石∶m砂∶m水泥=1∶3.5∶2.7∶1.8；3)通電銹蝕，記錄銹蝕時間(見表1)，銹蝕的同時將土壓力盒數據線連接到應變儀上，記錄頻率數據；4)將頻率數據換算成銹脹力；5)對數據進行分析。

表1 銹脹力試驗記錄

2 試驗結果分析

2.1 銹脹力

通過應變儀記錄的數據是頻率值，需要轉換為銹脹力。轉換公式見式(1)。

p=a×10-4×(L+b)。

(1)

式中：p為銹脹力，MPa；L為記錄頻率值；a、b為壓力盒標定系數。

銹脹力試驗的通電電流和快速銹蝕試驗電流相同，都控制在5 A，這樣可以根據圖2的曲線得出銹脹力與銹蝕率的關系圖。銹蝕率ρ為銹蝕質量mt與原質量m之比，即

ρ=mt/m。

(2)

如此可以得到翼板和肋板處銹脹力與銹蝕率的關系曲線，分別如圖6和圖7所示。

根據圖6和圖7可知：1)銹脹力隨著銹蝕率的增加而增大；2)相同銹蝕率情況下，銹脹力隨著保護層厚度的增加而增大。這是因為混凝土的保護層厚度越大，外圍混凝土的約束剛性就越大，鐵銹膨脹受到的阻力就越大，因此銹脹力就越大。

圖6 翼板處銹脹力與銹蝕率關系曲線

圖7 肋板處銹脹力與銹蝕率關系曲線

2.2 銹脹發(fā)展過程

在通電銹蝕過程中，銹脹的形成、發(fā)展一般分為3個階段：自由銹蝕階段、銹脹力明顯增加階段和脹裂。

1)自由銹蝕階段。當工字鋼表面的鈍化膜遭到破壞時，鋼材處于活化狀態(tài)，陽極區(qū)的鐵原子轉化為亞鐵離子Fe2+，其與OH-反應生成Fe(OH)2，再與水和氧氣反應生成Fe(OH)3。這種反應模式得以實現(xiàn)的前提是混凝土是一種多孔材料，且工字鋼與混凝土的界面存在空隙，否則陰、陽離子很難遷移，很難產生反應。所以，銹蝕初期生成的鐵銹將首先填充工字鋼與混凝土界面間的空隙，部分還會滲入界面周圍混凝土的孔隙中，但對周圍混凝土產生的壓力很小。顯然，孔隙或空隙的總體積越大，產生銹脹力的時間就越晚。孔隙或空隙的體積與工字鋼的表面積、混凝土的水灰比、水化程度及固結程度有關?；炷猎讲幻軐?，工字鋼銹蝕產物越容易向混凝土中擴散和外逸，銹蝕產物在鋼筋周圍的堆積量越少，鐵銹所引起的膨脹壓力越小。

2)銹脹力明顯增加階段。當銹蝕產物的總量超過工字鋼與混凝土界面附近的孔隙或空隙可容納的銹蝕產物總量時，銹脹力開始明顯增加。

3)脹裂。當銹蝕產物的總量達到混凝土保護層脹裂時所能承受的最大銹蝕物量時，構件便出現(xiàn)裂縫。在通電銹蝕過程中，發(fā)現(xiàn)當通電時間達到90 h左右時，構件表面會出現(xiàn)明顯的縱向裂縫，如圖8所示。

圖8 構件銹蝕脹裂

3 銹脹力作用影響

通過土壓力盒測量工字鋼銹蝕時的銹脹力，只能看到試驗構件表面的裂縫，而對于混凝土內部的銹脹問題、混凝土不同部位受到銹脹力的應力、應變問題以及內部裂縫的分布均不清楚。為了解工字鋼銹脹力作用下混凝土的內部情況，本文采用有限元軟件ANSYS三維實體模型進行模擬分析。

3.1 銹脹模型的建立

根據銹脹力試驗所得，按照實測翼板部位與肋板部位銹脹力的比例來設置數值模擬面荷載，研究混凝土開裂區(qū)的裂縫、應力、應變及脹裂應力。

混凝土的單軸受壓應力-應變關系采用Kent-Park模型，具體參數見表2。破壞準則采用Willam & Warnke 5參數破壞準則，裂縫為彌散固定裂縫模式。

表2 噴射混凝土材料參數

混凝土采用solid65單元模擬，模型采用三維實體分析。由于試驗構件是對稱的，模型建立時只取構件一半的尺寸。銹脹力采用面荷載模擬(見圖9)，網格劃分為六面體單元(見圖10)。模型底面用LINK單元連接，只受拉。每1種保護層厚度建立1種模型，所加的面荷載從小逐步增大，直到混凝土出現(xiàn)裂縫為止。

圖9 面荷載示意圖

圖10 單元網格模型

3.2 銹脹力數值結果分析

3.2.1 裂縫

數值計算得到的混凝土銹脹裂縫如圖11所示。由圖可以看出，混凝土在銹脹力作用下的開裂情況及裂縫的分布規(guī)律如下：

圖11 混凝土銹脹裂縫

1)工字鋼混凝土構件銹脹開裂，裂縫集中于混凝土與工字鋼翼緣接觸的位置，即翼緣中部和2個角點。腹板位置的混凝土不出現(xiàn)裂縫，原因在于腹板處混凝土的保護層很厚，遠遠大于翼緣位置處混凝土的保護層厚度，所以裂縫集中在翼緣位置。

2)翼緣中部的裂縫由外向內發(fā)展，所以這個區(qū)域的裂縫首先出現(xiàn)在混凝土構件的外表面，然后隨著銹脹力的增大逐漸向混凝土內部發(fā)展。

3)2角點區(qū)域的混凝土裂縫由內向外發(fā)展。裂縫產生于與工字鋼接觸的混凝土表面，然后逐步向外發(fā)展。原因是角點部位受到2個垂直方向(1個向上，另1個向兩側)的銹脹力作用，導致角點部位混凝土內部受拉而開裂。角點裂縫在開裂后不會馬上被觀察到。

3.2.2 混凝土應力、應變

混凝土開裂區(qū)應力如圖12所示。由圖12可知：1)在3個裂縫區(qū)，混凝土受到的應力均為拉應力，這也是裂縫發(fā)生的原因。2)翼緣中間部分拉應力由外向內依次減小，而2角點的拉應力由內向外依次減小。混凝土開裂區(qū)應變如圖13所示。由圖13可知：1)3個裂縫區(qū)均為拉應變區(qū)。2)翼緣中部外側拉應變大于內側拉應變，而角點內側拉應變大于角點外側拉應變。混凝土拉應力和拉應變的發(fā)展方向代表著混凝土裂縫的發(fā)展趨勢。

圖12 混凝土開裂區(qū)應力(單位：kPa)

圖13 混凝土開裂區(qū)應變

3.2.3 脹裂應力

混凝土脹裂應力數值計算結果與試驗結果對比如圖14所示。由圖可以看出，數值計算得到的混凝土脹裂應力隨保護層厚度的變化規(guī)律與試驗得到的規(guī)律是一樣的；但數值計算得出的混凝土脹裂應力要大于試驗得到的混凝土脹裂應力，兩者比值約為1.25。其主要原因為試驗中工字鋼銹蝕時，混凝土與工字鋼接觸面存在空隙，銹蝕產物要先填滿這些空隙才能產生銹脹力；而數值計算時，混凝土單元是絕對密實的，只要存在面荷載作用，銹脹力就會充分體現(xiàn)。

圖14 混凝土脹裂應力數值計算結果與試驗結果對比

4 結論與建議

本文采用室內試驗、數值模擬方法對工字鋼銹脹的發(fā)展過程進行了研究，得出以下結論與建議：

1)相同保護層厚度下，銹脹力隨著銹蝕率的增加而增大；相同銹蝕率時，銹脹力隨著保護層厚度的增加而增大。根據銹脹力試驗可知，在保護層厚度為28 mm、銹蝕率為8%時，翼板處的最大銹脹力約為0.65 MPa，肋板處約為0.98 MPa。

2)工字鋼混凝土構件銹脹開裂，裂縫集中于翼緣中部和2個角點，翼緣中部的裂縫由外向內發(fā)展，2角點區(qū)域的裂縫由內向外發(fā)展。3個裂縫區(qū)的混凝土均受拉應力，翼緣中間部分拉應力由外向內依次減小，而2角點的拉應力由內向外依次減小。

3)數值計算得到的混凝土脹裂應力隨保護層厚度的變化規(guī)律與試驗得到的規(guī)律相同，但數值計算得出的混凝土脹裂應力大于試驗得到的混凝土脹裂應力，兩者比值約為1.25。

4)本文目前只考慮了氯鹽滲透下鋼拱架銹蝕與支護結構間的膨脹力，對于氯離子滲透規(guī)律目前尚未開展試驗研究。此外，采用的數值模擬方法主要獲得了不同保護層厚度下混凝土的脹裂應力，但不能反映出鋼拱架銹蝕過程及銹脹力發(fā)展趨勢，建議后續(xù)在本文的基礎上進一步研究。