鋼筋混凝土銹脹開裂研究現(xiàn)狀

李潤(rùn)宇

華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510641

引言

混凝土是目前應(yīng)用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)材料，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則是當(dāng)前土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最頻繁的結(jié)構(gòu)，不論是海底隧道、房屋住宅抑或是道路橋梁，都可以發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土的大量使用。同時(shí)，在海洋環(huán)境、鹽堿地帶等使用場(chǎng)景中鋼筋混凝土也常常充當(dāng)大規(guī)模開發(fā)的基礎(chǔ)材料。

在腐蝕環(huán)境下服役的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋銹蝕是造成結(jié)構(gòu)耐久性不足的主要外在因素。通常情況下，混凝土內(nèi)部的鋼筋會(huì)受到表面穩(wěn)定的惰性氧化膜的保護(hù)而不發(fā)生銹蝕。然而，鈍化膜可能會(huì)因?yàn)槁然锏那治g而受損。一旦鋼發(fā)生去鈍化反應(yīng)，在有足夠的水分和氧氣的情況下就會(huì)開始發(fā)生腐蝕反應(yīng)。隨著鋼的消耗，腐蝕產(chǎn)物逐漸形成并膨脹，使得鋼筋周圍的混凝土承受徑向壓力，并進(jìn)一步在混凝土保護(hù)層中產(chǎn)生拉應(yīng)力。一旦應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)就會(huì)形成裂縫，并最終導(dǎo)致保護(hù)層的分層或剝落。

1 理論研究

在鋼筋混凝土銹脹開裂的理論模型中，大多數(shù)都由彈性力學(xué)解下的厚壁圓筒模型推導(dǎo)得到。在厚壁圓筒模型中，鋼筋周圍的混凝土被簡(jiǎn)化為空心圓柱體結(jié)構(gòu)，其壁厚等于鋼筋周圍所有側(cè)面的最小保護(hù)層厚度。該模型假定鋼筋銹蝕均勻，通過將均勻的銹脹壓力或位移邊界作用在空心圓柱體的內(nèi)邊界，模擬銹蝕產(chǎn)物的膨脹和對(duì)混凝土的擠壓作用。1979年，Ba?ant[1]基于電化學(xué)原理，提出了海洋環(huán)境下服役的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕的平面應(yīng)力物理模型，并分析了保護(hù)層開裂的兩種破壞模式——順筋破壞和分層破壞。1998年，Liu等人[2]在沒有考慮開裂混凝土的剩余剛度的前提下，假設(shè)鋼筋周圍混凝土在保護(hù)層開裂破壞時(shí)，各點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力在同一時(shí)刻達(dá)到抗拉強(qiáng)度，由平衡條件計(jì)算得到破壞時(shí)刻下的銹脹力。2001年，Pantazopoulou等人[3]將混凝土假設(shè)為各向異性材料，通過對(duì)由鋼筋徑向位移表示的控制方程用有限差分法進(jìn)行離散，給出了保護(hù)層開裂的臨界銹蝕質(zhì)量估計(jì)式。2005年，Bhargava等人[4]將混凝土與銹蝕產(chǎn)物視為一個(gè)整體，具有相同的彈性模量與泊松比，求解了由徑向位移邊界表示的邊值問題，提出了預(yù)測(cè)保護(hù)層開裂時(shí)間的模型。2007年，Maaddawy等人[5]基于法拉第定律建立了鋼筋的質(zhì)量損失與界面銹脹壓力的關(guān)系，預(yù)測(cè)了銹脹開裂的時(shí)間。2010年，Chernin等[6]采用雙層厚壁圓筒模型，將混凝土劃分為已經(jīng)開裂和尚未開裂的兩部分，假設(shè)了沿半徑方向變化的環(huán)向彈性模量來考慮裂縫擴(kuò)展的情況。

盡管與相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，上述分析模型在開裂時(shí)間或開裂時(shí)的鋼材損失量上可以獲得相當(dāng)?shù)囊恢滦裕鲜瞿Ｐ途哂幸粋€(gè)共同特點(diǎn)，即將裂縫的影響彌散在整個(gè)圓周上，假設(shè)應(yīng)力和裂縫沿混凝土周向均勻分布，這顯然無法捕捉到裂縫的局部化機(jī)制，也就無法合理地描述裂縫的開展方式。同時(shí)，理論模型較為復(fù)雜且許多參數(shù)（如鋼筋-混凝土界面的空隙厚度與氧化產(chǎn)物的體積膨脹率等）尚未有明確取值，這也降低了理論公式的實(shí)用性。

2 試驗(yàn)研究

由于自然環(huán)境中的鋼筋混凝土銹脹開裂的發(fā)生通常需要較長(zhǎng)時(shí)間（幾年到幾十年不等），自然環(huán)境下的銹脹開裂試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力物力，因此學(xué)界常采用通電加速銹蝕方法、機(jī)械加壓擴(kuò)孔模擬膨脹及人工氣候加速試驗(yàn)方法來等效考慮自然環(huán)境下的鋼筋銹蝕膨脹作用，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)主要集中在研究銹脹開裂的裂縫開展方式、裂縫寬度及試件開裂時(shí)間的變化規(guī)律。

1993年，Andrade等[7]進(jìn)行了鋼筋通電加速銹蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)僅需要很小的銹蝕量便可以使混凝土保護(hù)層產(chǎn)生寬度約為0.1mm的微裂縫，并且基于法拉第定律給出了銹蝕深度與時(shí)間的計(jì)算公式。1998年，Alonso等[8]也通過通電加速銹蝕的方式討論了不同的保護(hù)層厚度與鋼筋直徑的比值c/d和鋼筋澆筑的位置對(duì)保護(hù)層開裂的影響。2000年，Williamson等[9]對(duì)混凝土試件進(jìn)行鉆孔，通過對(duì)孔邊進(jìn)行加壓模擬銹蝕產(chǎn)物膨脹，觀察了不同的保護(hù)層厚度與鋼筋直徑比值c/d下的構(gòu)件裂縫開展方式以及最大銹脹壓力的變化。2007年，袁迎曙等[10]基于人工氣候加速試驗(yàn)，對(duì)加速銹蝕的試件進(jìn)行了切面觀察，發(fā)現(xiàn)了銹蝕主要發(fā)生在鋼筋面臨保護(hù)層的一側(cè)半圓周上，且產(chǎn)物呈現(xiàn)半橢圓分布。2011年，Tran等[11]通過人工氣候加速試驗(yàn)，記錄了裂縫的開展方式和裂縫寬度的變化。2012年，姬永生等[12]進(jìn)行了通直流電加速試驗(yàn)方法與人工氣候加速試驗(yàn)方法的對(duì)比試驗(yàn)，提出通直流電模擬銹蝕狀態(tài)下的產(chǎn)物分布近似于均勻分布，而人工氣候加速試驗(yàn)方法下的產(chǎn)物分布為非均勻分布，與自然銹蝕狀態(tài)下的情況相近。2017年，Perdrosa等[13]進(jìn)行了恒電流加速腐蝕試驗(yàn)，考慮不同電流密度對(duì)腐蝕速率和裂縫開展的影響，給出了裂紋寬度隨腐蝕速率的關(guān)系式。

需要指出的是，由于通電銹蝕及人工環(huán)境加速銹蝕都涉及銹蝕產(chǎn)物的生成與膨脹，而銹蝕產(chǎn)物往往會(huì)填充到混凝土的微孔洞與裂縫中，這將對(duì)鋼筋混凝土銹脹開裂的試驗(yàn)分析及數(shù)值模擬造成較大影響，而這種影響又是較難量化與估計(jì)的。同時(shí)，鋼筋混凝土銹脹開裂試驗(yàn)涉及混凝土的材料摻和比、相對(duì)保護(hù)層厚度、鋼筋尺寸及位置、環(huán)境介質(zhì)濃度、電流大小等多種因素，這也導(dǎo)致了不同學(xué)者所得到的試驗(yàn)結(jié)果一致性較差[14]。

3 數(shù)值模擬

20世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，具有可重復(fù)性高、成本低、分析效率高、可排除偶然因素對(duì)結(jié)果的影響等諸多優(yōu)點(diǎn)的數(shù)值模擬正逐漸成為分析鋼筋混凝土銹脹開裂破壞的有力工具。

在考慮銹蝕產(chǎn)物的對(duì)混凝土的擠壓作用時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過在鋼筋-混凝土界面上施加徑向位移邊界、徑向壓力以及溫度膨脹等形式來等效氧化產(chǎn)物的膨脹效應(yīng)，從而得到混凝土的開裂發(fā)展規(guī)律及結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

1992年，Dagher[15]等采用彌散裂縫模型，通過施加節(jié)點(diǎn)位移來模擬銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹導(dǎo)致的混凝土破壞過程。1999年，張偉平[16]將銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹作用等效為溫度膨脹環(huán)，通過改變膨脹環(huán)的厚度來考慮不同程度的銹蝕，同時(shí)也討論了不同保護(hù)層厚度和鋼筋半徑及鋼筋位置對(duì)銹脹力的影響。2011年，Tran[17]等基于剛體彈簧法（RBSM），將鋼筋混凝土分為三相材料來模擬鋼筋腐蝕引起的裂縫開展。2012年，邱兆國(guó)[18]等基于塑性損傷理論，通過等效的位移邊界來考慮鋼筋的銹脹作用，分析了保護(hù)層厚度及鋼筋直徑對(duì)臨界銹蝕率的影響。2013年，朱杰[19]等基于非均勻銹脹理論，采用擴(kuò)展有限元方法（XFEM）建立了鋼筋混凝土銹脹開裂模型，發(fā)現(xiàn)預(yù)裂紋的產(chǎn)生抑制了混凝土的起裂。2017年，汪奔[20]等基于商用軟件Abaqus和等效銹脹位移邊界建立了鋼筋均勻銹蝕和非均勻銹蝕的混凝土開裂模型，并發(fā)現(xiàn)保護(hù)層發(fā)生內(nèi)裂時(shí)，非均勻銹蝕下的臨界銹蝕位移要遠(yuǎn)大于均勻銹蝕下的情況。2019年，王坤[21]等基于黏聚力單元建立了鋼筋混凝土銹脹開裂模型，討論了箍筋、保護(hù)層厚度等參數(shù)對(duì)裂縫開展的影響。2020年，胡志堅(jiān)[22]等基于塑性損傷理論，采用有限元軟件Abaqus模擬了銹脹產(chǎn)物的均勻膨脹，建立了最大銹脹力的計(jì)算公式。上述數(shù)值模擬中涉及的固體開裂模擬方法大多數(shù)都需要網(wǎng)格重劃分或預(yù)定義的裂紋擴(kuò)展路徑，這極大地限制了其在鋼筋銹脹等復(fù)雜作用下結(jié)構(gòu)開裂損傷問題中的應(yīng)用。

上述模型大多屬于在力場(chǎng)作用下的銹脹開裂模型，然而鋼筋混凝土銹脹開裂問題本身是一個(gè)涉及力場(chǎng)、化學(xué)擴(kuò)散及電化學(xué)過程的多場(chǎng)耦合問題。有害介質(zhì)的擴(kuò)散引起了腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而改變了混凝土力場(chǎng)的分布，并最終導(dǎo)致了裂縫的開展；裂縫的開展同時(shí)加速了有害介質(zhì)的化學(xué)擴(kuò)散作用，也降低了材料的力學(xué)性能。該耦合影響機(jī)制將加速結(jié)構(gòu)的開裂破壞，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。當(dāng)前，能夠合理考慮不同物理場(chǎng)之間的復(fù)雜耦合關(guān)系與影響機(jī)制的數(shù)值模型相對(duì)較少。

4 結(jié)束語

盡管相對(duì)于試驗(yàn)研究及理論研究，數(shù)值模擬能夠以低成本、分析效率高等優(yōu)點(diǎn)更好地分析鋼筋混凝土銹脹開裂問題，當(dāng)前的數(shù)值模型并不能合理考慮該問題涉及的多物理場(chǎng)耦合背景。因此，開展多物理場(chǎng)耦合作用下的鋼筋混凝土銹脹開裂數(shù)值模擬具有重要意義，亟須提出能夠合理考慮多物理場(chǎng)復(fù)雜相互作用的鋼筋混凝土銹脹開裂數(shù)值模型。