黃志建

（莆田聯(lián)欣泰置業(yè)有限公司，福建莆田 351100）

0 引言

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，受碳化或氯鹽等因素的影響，其表層會(huì)因氧、水等物質(zhì)的擴(kuò)散而出現(xiàn)電化學(xué)銹蝕。 在腐蝕過程中，鋼筋的徑向腐蝕膨脹力會(huì)增加，從而導(dǎo)致周圍混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力也會(huì)隨之增加，一旦超出其容許應(yīng)力，在腐蝕界面上會(huì)產(chǎn)生一條沿著空穴的放射狀裂紋，從而引起防護(hù)層沿鋼筋的膨脹開裂，乃至整個(gè)剝離失效。 當(dāng)混凝土保護(hù)層膨脹開裂并失效的瞬間，相應(yīng)的鋼筋腐蝕速率就是鋼筋腐蝕速率。防護(hù)層混凝土裂縫會(huì)加速鋼筋腐蝕，降低其使用壽命。因此，確定在腐蝕環(huán)境下鋼筋腐蝕導(dǎo)致的防護(hù)層裂紋失效所導(dǎo)致的腐蝕速率，對(duì)于評(píng)價(jià)其耐久性能有著十分重要的意義。

1 有限元模型的建立

1.1 基本參數(shù)

分別針對(duì)處于邊中和角部條件下的單根銹蝕鋼筋導(dǎo)致的混凝土保護(hù)層脹裂破壞過程的模擬分析，以高度H 為225 mm，寬度B 為250 mm 的鋼筋混凝土構(gòu)件作為研究對(duì)象，所有模型軸向厚度取30 mm。

1.2 有限元分析模型

在建立的模型中，利用擴(kuò)散裂紋理論對(duì)腐蝕后的混凝土保護(hù)層進(jìn)行了擴(kuò)展和開裂的全過程的數(shù)值計(jì)算。其材料為彈性填量為2×104MPa，泊松系數(shù)為2.4 MPa，以SOLID65 為材料制備了一種新型的材料。 利用混凝土的應(yīng)力-變形曲線建立了混凝土的本構(gòu)方程， 對(duì)腐蝕后的混凝土進(jìn)行力學(xué)性能分析。由于在引起混凝土保護(hù)層產(chǎn)生脹裂破壞時(shí)的徑向內(nèi)壓力很小， 因此不會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生壓碎破壞，所以在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，為節(jié)約計(jì)算求解的時(shí)間，關(guān)閉壓碎選項(xiàng)。在計(jì)算混凝土的非線性荷載時(shí)，使用了5%的收斂率。

2 單根銹蝕鋼筋引起的混凝土保護(hù)層脹裂破壞過程

2.1 單根銹蝕鋼筋位于邊中

對(duì)處于邊中的單根銹蝕鋼筋，因?yàn)殇P蝕產(chǎn)生物體體積膨脹引起的混凝土保護(hù)層脹裂破壞過程展開了數(shù)字仿真，當(dāng)單根銹蝕鋼筋處于邊中時(shí)，其中所分析模型混凝土保護(hù)層厚度c=25 mm,d=20 mm，使用C30 混凝土。

在鋼筋生銹膨脹的初始階段， 在孔的半徑方向上，對(duì)混凝土施加的最大主應(yīng)力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：腐蝕后的鋼筋在孔的周圍是最大主應(yīng)力，并從孔的內(nèi)側(cè)開始，隨著時(shí)間的推移，最大主應(yīng)力會(huì)越來越小，直至趨于0。在此基礎(chǔ)上，提出了在最大主應(yīng)力范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力值在0 以上為拉伸，而在0 以下為壓縮。 在鋼筋生銹膨脹力的影響下，靠近空腔的混凝土?xí)a(chǎn)生環(huán)向拉力，且環(huán)向拉應(yīng)力比較均勻，而距離空腔較遠(yuǎn)的地方，則會(huì)產(chǎn)生近似于0 的應(yīng)力，也就是說，對(duì)于空腔內(nèi)的鋼筋生銹膨脹力影響不大。 因腐蝕后的鋼筋孔洞周圍混凝土對(duì)腐蝕產(chǎn)物的體積收縮限制作用差異， 使腐蝕后的鋼筋保護(hù)層區(qū)最大主應(yīng)力呈現(xiàn)增加的態(tài)勢(shì)， 而最大主應(yīng)力出現(xiàn)在腐蝕后的內(nèi)緣， 說明腐蝕后的鋼筋保護(hù)層區(qū)是腐蝕后裂紋發(fā)展的最弱環(huán)節(jié)。 隨著鋼筋銹脹力的增加，在混凝土最大主拉應(yīng)力達(dá)到其材料的抗拉強(qiáng)度后， 在孔洞正下方的內(nèi)邊緣位置的混凝土?xí)氏瘸霈F(xiàn)裂紋， 在混凝土出現(xiàn)裂紋后， 最大主拉應(yīng)力會(huì)在一瞬間降低到接近于0，這說明在該位置的混凝土已徹底喪失了抗拉能力。 然后，腐蝕后的鋼筋孔內(nèi)側(cè)的上端及左右兩邊的混凝土也相繼出現(xiàn)裂紋。 伴隨著銹脹力的增加，裂縫由孔洞內(nèi)邊緣向外持續(xù)擴(kuò)展， 與孔洞下部垂直裂縫向混凝土保護(hù)層外表面的擴(kuò)展速度相比較， 孔洞水平向和上部裂縫擴(kuò)展比較慢。

2.2 單根銹蝕鋼筋位于角部

對(duì)處于角部的單根銹蝕鋼筋，因?yàn)殇P蝕產(chǎn)物體積膨脹而引起的混凝土保護(hù)層脹裂破壞過程展開了數(shù)字仿真，為當(dāng)單根銹蝕鋼筋處于角部時(shí)，其中所分析模型混凝土保護(hù)層厚度c=25 mm,d=20 mm，使用C30 混凝土。

在鋼筋生銹膨脹的初始階段， 在空穴的半徑內(nèi)壓下，為混凝土施加的最大主應(yīng)力的分布圖，從圖可見，在腐蝕的鋼筋空穴周圍，最大主應(yīng)力是從空穴的內(nèi)側(cè)開始的，直至趨于0。 在腐蝕膨脹力的影響下，靠近空腔的混凝土?xí)a(chǎn)生環(huán)向拉力， 且環(huán)向拉應(yīng)力較均勻；而距離空腔較遠(yuǎn)的空腔內(nèi)，則會(huì)產(chǎn)生近似于0 的應(yīng)力，對(duì)空腔內(nèi)的鋼筋腐蝕膨脹力影響不大。 因腐蝕后的鋼筋孔洞周圍的混凝土對(duì)腐蝕產(chǎn)物的體積收縮的限制作用， 導(dǎo)致最大主應(yīng)力在孔洞左邊和下面的混凝土保護(hù)層中出現(xiàn)， 最大主應(yīng)力出現(xiàn)在腐蝕后的孔洞內(nèi)側(cè)，由此可得，腐蝕后鋼筋孔洞左邊的保護(hù)層是腐蝕后裂縫最薄弱的地方。 當(dāng)鋼筋銹脹力持續(xù)增加，當(dāng)混凝土最大主拉應(yīng)力達(dá)到其物質(zhì)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，銹蝕鋼筋孔洞內(nèi)邊緣位置的混凝土?xí)氏瘸霈F(xiàn)裂紋，裂紋的位置會(huì)在孔洞正下方、左側(cè)水平向和右上方的內(nèi)邊緣處出現(xiàn)裂紋，如在混凝土出現(xiàn)裂紋后，最大主拉應(yīng)力會(huì)在一瞬間降低為接近于0，這說明在該位置處的混凝土已喪失了抗拉能力，從而停止工作。 之后，裂紋從孔洞內(nèi)邊緣持續(xù)向外擴(kuò)展，因?yàn)殇P蝕的鋼筋孔洞左邊和底部的混凝土保護(hù)層對(duì)鋼筋銹脹作用的約束是一樣的，所以，在鋼筋孔洞下面的垂直裂縫和左邊的水平向裂縫向混凝土保護(hù)層外表面的擴(kuò)展速度幾乎是一樣。

3 單根銹蝕鋼筋引起的混凝土保護(hù)層脹裂影響因素分析

3.1 混凝土抗拉強(qiáng)度

為研究混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)混凝土保護(hù)層因鋼筋銹蝕而脹裂破壞時(shí)臨界銹脹力（q）大小的影響進(jìn)行，構(gòu)建了三組不同混凝土保護(hù)層厚度與銹蝕鋼筋直徑比值c/d 單根銹蝕鋼筋位于元件邊中情況下的混凝土模型，在每組模型中，混凝土保護(hù)層厚度c 和鋼筋直徑d 都保持不變，只對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度進(jìn)行變化，具體結(jié)果如表1 所示。在此基礎(chǔ)上，將受腐蝕的鋼筋直徑與其防護(hù)層比c/d 確定為相對(duì)防護(hù)層厚。

表1 不同混凝土抗拉強(qiáng)度（ft）下單根銹蝕鋼筋位于構(gòu)件邊中情況下的鋼筋臨界銹脹力（q）

圖1是在三套相應(yīng)的防護(hù)層的相對(duì)厚度c/d 下，當(dāng)混凝土防護(hù)層發(fā)生膨脹開裂時(shí)， 其臨界腐蝕膨脹能力與混凝土拉伸強(qiáng)度間的關(guān)系。

圖1 單根邊中銹蝕鋼筋臨界銹脹力（q）與混凝土抗拉強(qiáng)度（ft）關(guān)系

從圖1 可知，在銹蝕鋼筋直徑相同的條件下，鋼筋的臨界銹脹力會(huì)隨著混凝土抗拉強(qiáng)度的升高，呈現(xiàn)出正相關(guān)的增加。 這是由于當(dāng)銹蝕鋼筋的體積持續(xù)向外擴(kuò)張時(shí)，會(huì)擠壓鋼筋周邊的混凝土，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋周邊混凝土受到環(huán)向拉應(yīng)力的影響，因此，混凝土的抗拉強(qiáng)度越大， 就會(huì)更難使混凝土出現(xiàn)受拉裂紋。 結(jié)果表明，增加混凝土的拉伸強(qiáng)度可顯著增加其耐久性能。

3.2 混凝土相對(duì)保護(hù)層厚度

針對(duì)防護(hù)層脹裂失效時(shí)，混凝土防護(hù)層的相對(duì)厚度對(duì)其極限腐蝕能力的影響，本項(xiàng)目擬通過構(gòu)建一種具有不同防護(hù)層的單一腐蝕鋼筋布置在桿件邊緣處的計(jì)算方法， 在保證其抗張強(qiáng)度等的前提下，分析其腐蝕能力。

從實(shí)踐中可得， 當(dāng)腐蝕鋼筋的直徑相同時(shí)，隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加， 在腐蝕鋼筋的周圍，腐蝕鋼筋對(duì)腐蝕膨脹的約束就會(huì)變得更強(qiáng)， 同時(shí)，其環(huán)向剛度也會(huì)變得更高，這樣就會(huì)使得保護(hù)層的混凝土更難被拉伸而開裂。在具有同樣的混凝土保護(hù)層厚度的條件下，當(dāng)銹蝕鋼筋直徑較大時(shí)，在混凝土保護(hù)層脹裂破壞時(shí)的鋼筋臨界銹脹力就會(huì)較低，這是由于銹蝕鋼筋直徑較大，在混凝土保護(hù)層脹裂破壞時(shí)所需的鋼筋銹蝕產(chǎn)物的銹層厚度就會(huì)較小，而鋼筋銹蝕率就會(huì)較低。

圖2中顯示了在混凝土保護(hù)層膨脹開裂失效時(shí)，隨著混凝土保護(hù)層的相對(duì)厚度c/d，鋼筋的臨界腐蝕膨脹能力隨混凝土保護(hù)層的膨脹開裂而變化。結(jié)果表明：隨著防護(hù)層厚度的增加，混凝土的極限腐蝕膨脹力值幾乎是直線上升的。

圖2 鋼筋臨界銹脹力（q）與相對(duì)保護(hù)層厚度（c/d）關(guān)系

3.3 銹蝕鋼筋位置

在混凝土保護(hù)層厚度c、銹蝕鋼筋直徑d 和混凝土抗拉強(qiáng)度相同時(shí)，與位于構(gòu)件邊中的單根銹蝕鋼筋所造成的混凝土保護(hù)層脹裂所需的臨界銹脹力較低，并且二者比值接近0.9。這是由于在結(jié)構(gòu)的拐角位置，單個(gè)腐蝕鋼筋周圍的混凝土對(duì)腐蝕膨脹的限制作用很小，從而導(dǎo)致產(chǎn)生保護(hù)層的裂縫。

4 結(jié)論

（1）腐蝕鋼筋的方位對(duì)防護(hù)層的膨脹開裂損傷有一定的影響：在同樣情況下，腐蝕鋼筋處于構(gòu)件的側(cè)面中時(shí)易出現(xiàn)沿腐蝕鋼筋的膨脹開裂，腐蝕鋼筋處于構(gòu)件的拐角部位時(shí)則易出現(xiàn)開裂；當(dāng)銹蝕鋼筋處于構(gòu)件拐角位置時(shí)，其周圍的混凝土對(duì)其受腐蝕膨脹的限制相對(duì)較弱，因此，保護(hù)層會(huì)更易產(chǎn)生膨脹開裂。

（2）當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度較高時(shí)，防護(hù)層的相對(duì)厚度較大時(shí)， 鋼筋的極限銹蝕膨脹系數(shù)較高，防護(hù)層的膨脹開裂可能性越小。 所以，增加防護(hù)層厚度，提高混凝土的抗拉力，及使用更細(xì)的鋼筋對(duì)提高混凝土的耐久性都是有益的。

（3）通過與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)所建立的關(guān)于單一腐蝕鋼筋造成防護(hù)層膨脹開裂時(shí)的臨界腐蝕膨脹力的計(jì)算模型是正確的，從而證實(shí)了所建立的計(jì)算方法是合理和可靠的。