混凝土结构锈裂、剥落机理及预测模型研究

The degradation process of concrete cracking and spalling induced by steel corrosion is very important for the prediction of the serviceability and durability of reinforced concrete structures. However, the mechanical of this process has not been clearly revealed, the time of concrete cover cracking cannot be predicted accurately, and there is no prediction model for concrete spalling yet. Therefore, this project focuses on the whole degradation process of cracking and spalling. The theoretical analysis, numerical modeling and experimental work will be conducted to study this process. The non-uniformly corroded concrete members under sustained service loads will be considered in this study to reflect the real situation of concrete structures. The final targets of this project is to establish several prediction models for concrete structures subject to steel corrosion and external loads: a model to proposal the corrosion-induced concrete cover cracking, a model to describe the development of the width of corrosion-induced cracks on the concrete surface, and a model to predict the concrete cover spalling due to steel corrosion. The output of this project will not only contribute to the theory system of durability of concrete structures, but also practically foresee the behavior of cracking and spalling of concrete cover due to steel corrosion and external loads for real concrete structures.

混凝土结构保护层的锈胀开裂、发展直至剥落的损伤全过程对混凝土结构的服役性能和使用寿命均有着重要的影响。但就目前已取得的研究成果，尚无法准确预测混凝土表面锈裂时刻；而混凝土保护层剥落机理和预测方面工作鲜见文献报道。因此，本项目拟考虑混凝土结构受外部荷载和非均匀钢筋锈蚀作用等实际情况，从结构工程、材料学和力学原理等学科的交叉领域，研究非均匀锈蚀受荷混凝土构件的锈裂、剥落行为，建立与实际工程情况相符合的混凝土结构构件表面锈裂预测模型；基于锈裂形态模型，研究锈胀裂缝在混凝土表面处裂宽的发展规律，建立与荷载、环境和时间相关的混凝土表面锈裂宽度预测模型；研究荷载作用下锈蚀混凝土构件保护层剥落机理，建立混凝土保护层剥落极限状态方程和预测模型。本项目的研究工作对于完善混凝土结构耐久性分析理论体系具有重要的作用，对实际混凝土工程锈裂、剥落状态的预测与控制也具有重要的应用价值。

本项目对混凝土结构保护层的锈胀开裂、发展直至剥落的损伤全过程进行研究。利用扫描电镜观测干湿循环环境中劣化多年的锈蚀钢筋混凝土试件，研究钢筋/混凝土界面锈层填充周边混凝土的动态发展行为，首次定量测试填入界面混凝土孔隙的钢筋锈蚀产物。运用损伤力学对混凝土构件进行锈胀开裂全过程分析，重新构建混凝土表面锈裂预测模型，可更准确地预测混凝土表面锈裂时刻。研究干湿循环环境中劣化多年的锈蚀钢筋混凝土试块，分析锈蚀钢筋与混凝土界面处的非均匀锈层分布规律，建立了基于高斯函数的混凝土内钢筋锈层非均匀几何分布模型，模型参数均具有明确的物理意义，模型参数均具有明确的物理意义并得到了数学验证；提出了多重高斯模型，以表征多条锈胀裂缝所对应的多个锈峰。研究混凝土锈胀裂缝发展过程，建立了考虑箍筋约束作用的表面裂缝宽度预测模型以及表征锈胀裂缝从钢筋表面到保护层表面各点宽度的裂缝形态模型；提出表面开裂时裂缝宽度不为0，建议取值0.1 mm，该成果被编入浙江省规范《混凝土结构耐久性技术规程》；提出了以裂缝面积作为损伤参数来表征混凝土构件的损伤情况。研究表明环境与荷载耦合作用对混凝土构件造成的裂缝损伤大于单一环境和单一荷载所造成的损伤之和；箍筋的锈蚀会对纵筋的锈蚀及纵向裂缝的发展造成影响。通过有限元建模，考虑保护层厚度、钢筋直径和间距等构件几何尺寸因素，分析混凝土内的锈胀裂缝分布形态，进行混凝土保护层锈裂剥落的破坏类型分析；结合试验研究，判断混凝土剥落的临界状态，并结合损伤力学建立混凝土保护层剥落的预测模型。.本项目的研究对于完善混凝土结构耐久性分析理论体系具有重要的作用，对实际混凝土工程锈裂、剥落状态的预测与控制也具有重要的应用价值。基于上述研究成果，发表13篇标注本项目资助学术论文，其中SCI收录论文7篇（其中5篇在影响因子为5.154的高水平国际期刊上发表）。获批1项发明专利，完成1部英文专著Steel corrosion-induced concrete cracking。