砂浆内钢筋锈胀应力监测与数值模拟研究

钢筋锈蚀是导致海洋混凝土结构失效破坏的最主要原因,探明钢筋锈胀应力发展及其诱导混凝土开裂的过程对于钢筋混凝土服役寿命预测有重要意义。采用内掺盐与恒电位加速砂浆内钢筋锈蚀,通过砂浆外不锈钢圆环环贴应变片实现钢筋锈蚀过程的应变监测,并计算锈胀应力,利用COMSOL软件分析混凝土中钢筋锈胀应力发展及混凝土锈胀开裂历程。结果表明:利用有限元与钢筋锈胀时变径向位移加载,实现钢筋混凝土锈胀开裂过程的模拟,模拟结果与试验结果基本一致;不考虑砂浆、钢筋的非均匀性及锈蚀产物对开裂砂浆的充填效应,模拟结果不能真实反映锈胀应力的波动性及锈胀应力释放与缓慢增加的过程;提高砂浆强度、减小钢筋直径可以有效延缓钢筋锈胀导致混凝土开裂的时间。

钢筋非均匀锈蚀与混凝土开裂试验及数值模拟

采用恒电位驱动氯离子渗透并加速钢筋锈蚀来模拟海洋钢筋混凝土锈蚀,研究了水胶比、保护层厚度和钢筋直径对试件锈胀开裂的影响;利用COMSOL Multiphysics软件建立了真实骨料混凝土模型并进行数值模拟.结果表明:本试验制备的混凝土试件在恒电位加速锈蚀下钢筋发生非均匀锈蚀并导致混凝土产生3条主裂缝,钢筋临界锈胀应力为2.85~3.51 MPa,开裂时间为190~311 h,降低水胶比及增大保护层厚度均可延缓锈胀开裂时间;数值模拟可以很好地再现钢筋混凝土非均匀锈蚀过程,其获得的锈胀应力演变及混凝土开裂模式与试验结果吻合.

钢筋混凝土结构保护层非均匀锈胀压力模型

结合椭圆形非均匀锈蚀轮廓曲线,建立腐蚀环境下钢筋混凝土结构保护层胀裂时的非均匀锈胀压力预测模型,分析了保护层锈胀开裂时的临界锈胀压力的影响因素,得到钢筋直径、钢筋锈蚀率及体积膨胀率对临界锈胀压力的影响程度及影响规律.研究表明,该模型的绝大部分预测精度控制在15%以内.研究结果可为腐蚀环境下钢筋混凝土结构的使用寿命评价及其维修加固设计提供支持.

钢筋锈胀作用下混凝土的抗压强度退化模型

在杂散电流作用下,混凝土内钢筋发生电化学锈蚀,产生锈胀应力。为了研究在混凝土尚未出现裂缝阶段钢筋锈蚀对混凝土抗压强度的影响,以钢筋均匀锈蚀为前提,将混凝土内钢筋锈蚀分为有和无锈胀应力2个阶段,给出锈胀应力的产生时间。利用Faraday电解定律、弹性力学厚壁筒应力理论以及混凝土二轴强度破坏准则研究杂散电流腐蚀钢筋对混凝土抗压强度的影响,得到了混凝土抗压强度理论退化模型。对模型进行分析表明:杂散电流作用下,钢筋锈蚀产生的锈胀应力会对混凝土抗压强度产生不利影响。最后将理论模型与试验进行对比分析,证明该模型在分析杂散电流腐蚀钢筋对混凝土抗压强度的影响上具有一定可行性。

荷载与锈胀双重力学作用下海底盾构隧道管片开裂机理研究

海洋腐蚀性环境下盾构隧道管片的锈胀开裂问题是影响隧道安全服役的主要威胁,需关注水土压力引起的衬砌应力与钢筋锈蚀引起的附加应力的共同作用。基于扩展有限元方法(XFEM)建立能够反映这种双重应力作用的海底盾构隧道锈胀开裂分析模型,研究服役期隧道衬砌环锈胀开裂行为及力学机制。结果表明,衬砌环不同位置的锈胀开裂行为受管片原有衬砌应力的影响显著;外圈两拱腰和内圈拱顶与拱底位于衬砌环的拉应力集中区,水土压力引起的拉应力是影响衬砌开裂的主导因素,而锈胀作用的影响较小,此处裂纹表现出起裂早、扩展快、垂直保护层开裂的特征;内圈两拱腰和外圈拱顶与拱底为衬砌环的压应力集中区,混凝土较大的抗压强度使其开裂主要依赖于钢筋锈胀引起的拉应力,钢筋需锈蚀足够的时间使周围混凝土由受压转为受拉并开裂,此处裂纹表现出起裂晚、扩展慢、平行于保护层开裂的特征;拱肩和拱脚处于应力过渡状态,裂纹和保护层倾斜相交。