氯盐侵蚀环境下横向裂缝开裂参数对钢筋锈蚀影响规律研究

本项目在作者已有相关研究成果的基础上，通过对一定保护层厚度的足尺混凝土构件进行受弯试验，获得不同受力阶段的裂缝开裂参数（包括裂缝宽度、间距及深度），以此探讨氯盐侵蚀环境下横向开裂对钢筋锈蚀及结构耐久行为的影响规律。主要研究内容包括：1）探讨构件受力开裂状态下，氯离子侵入混凝土的二维渗透机理及分析模型；2）探讨构件开裂状态下，受力钢筋非均匀锈蚀的开展机理；3）综合考虑环境、荷载以及裂缝的影响，建立锈蚀损伤构件的性能退化模型；4）分析钢筋锈蚀引起的构件纵向锈胀开裂的扩展过程，建立相应的裂缝宽度计算模型；5）提出氯盐侵蚀环境下，混凝土结构耐久性极限状态标准，建立便于工程应用的耐久寿命评估实用方法。通过以上研究，给出氯盐侵蚀环境下混凝土保护层厚度与裂缝宽度之间的优化关系，为合理设计保护层厚度、正确评价横向裂缝宽度对结构耐久性的影响提供依据，为相关规范体系的充实与完善做出贡献。

本项目在国家自然科学基金委的资助下，主要开展了氯盐环境作用下，横向受力开裂状态对混凝土构件内钢筋锈蚀以及结构耐久性行为影响的试验研究与理论分析工作。主要成果有：1）开展了42根钢筋混凝土（以下简称RC）梁构件以及12根后张预应力混凝土（以下简称PC）构件的受载试验（其中，6根PC构件通过施加预应力使混凝土处于受压状态，其余构件通过三点或四点受弯使混凝土呈现弯曲拉应力或横向开裂状态）；其中，对8根配置HRB 500级钢筋的足尺混凝土构件（150×300×2600mm）重点探讨了该类构件的受弯开裂性能（包括裂缝间距、短期最大裂缝宽度等），并对现有规范中裂缝宽度计算公式提出了适当的修正建议；以上全部加载构件可直接用于后期耐久性试验；2）分别进行了氯盐干湿循环以及盐雾侵蚀（分别模拟海洋浪溅/潮差区、大气盐雾区）加速试验，提出了受力开裂状态下，外界氯离子在饱和/非饱和混凝土内的传输机理及计算模型，重点分析了裂缝周围混凝土内的氯离子二维渗透机理，建立了考虑裂缝宽度及材料组成影响的开裂混凝土“等效氯离子扩散”模型；3）在考虑锈蚀产物进入锈胀裂缝的基础上，借助弹性力学和Faraday腐蚀定律，建立了保护层混凝土锈胀开裂时刻的钢筋锈蚀量以及对应的锈蚀时间计算模型，采用Monte Carlo模拟技术以及χ2检验方法，对锈胀开裂时间进行了概率分析；4）结合持续加载开裂RC构件的氯盐干湿循环试验（相关试验已进行2年多时间，重点考察钢筋的长期自然锈蚀），在综合考虑氯盐干湿循环环境、加载水平以及裂缝宽度的影响，探讨了锈蚀钢筋混凝土构件的性能退化机理以及裂缝宽度对构件受弯承载力的影响；5）采用结构可靠度理论，提出了氯盐侵蚀环境下RC/PC结构三级耐久性极限状态的设置条件，结合概率分析方法，建立了不同极限状态条件对应的结构耐久寿命预测模型；在综合考虑耐久性、抗裂性以及抗火性等要求的基础上，提出了结构混凝土保护层厚度的优化设计方法，相关内容可为工程结构耐久性设计和评估提供依据。通过此项目研究工作，课题组联合培养了2位博士，3位硕士；发表（含录用）学术论文20余篇，其中SCI收录4篇，EI收录14篇。在此项目研究成果的基础上，负责人先后成功申报中国博士后科学基金资助项目、高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金项目各1项；并入选2012年度江苏大学“青年骨干教师培养工程”青年学术带头头人培育人选。