腐蚀环境下混凝土保护层表面及中部初始缺陷应力场诱导的不同锈胀破坏形态研究

In the project, an analytical solution of the stress distribution around the surface or center initial defects of concrete cover caused by the uniform or non-uniform steel corrosion-induced pressures is firstly derived using Westergaard and Muskhelishvili complex variable function method, in which the characteristics of concrete in corrosion process is considered. Secondly, according to the fictitious crack model of concrete and the Hamiltonian theory, a hyper-element at a corrosion-induced crack tip is constructed which then forms an innovated professional-finite element method for establishing the above stress distribution, exploring the development of the corrosion-induced cracking and determining the failure modes of concrete cover. Finally, the corrosion-induced crack development of concrete cover, together with its failure modes are investigated in term of the fracture mechanism of concrete, Formulas for predicting the time when concrete cover cracks under above-mentioned two failure modes are developed and verified by a series of artificial climate environmental test carried out in this project.

1）引入保护层表面及中部实际初始缺陷，基于Westergaard及Muskhelishvili复变函数法，在考虑混凝土材料自身特性后，求解均匀、非均匀锈胀压力作用下上述初始缺陷锈胀应力场解析解；2）利用混凝土虚拟裂缝模型和扇形域哈密顿体系理论，通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法，构建准确描述锈胀裂缝尖端奇异性的超级单元，将形成的专用有限元法有针对性地分析上述应力场、对应锈胀发展行为和失效力学模式；3）基于以上研究，结合腐蚀速度、裂缝扩展等变量，从混凝土断裂理论角度进一步探索起裂于保护层表面及中部初始缺陷的不同锈胀发展行为和失效力学模式，并从这一角度定量描述上述初始缺陷诱导的、相应锈胀破坏形态下的保护层开裂临界指标，最终用开展的人工气候环境试验验证。本项目属于裂缝、腐蚀交叉学科，不仅推动小尺寸条件下裂缝扩展理论及失效准则发展，更将系统深化基于初始缺陷锈胀应力场的保护层破坏形态理论。

本项目旨在探索腐蚀环境下钢筋混凝土保护层表面及中部初始缺陷诱导的锈胀破坏形态。基于项目计划书中具体研究内容的有效实施，截止目前，已圆满完成了本项目全部研究内容，即：1）基于Westergaard和Muskhelishvili复变函数法，成功推导了含保护层表面、中部初始缺陷的锈胀应力场解析解，并进一步分析了上述应力场的分布规律，结果表明，初始缺陷的大小、位置对锈胀应力场的分布具有重要影响，并由此带来对最终临界锈胀指标（临界锈胀压力、临界锈蚀量和保护层开裂时间）的一定影响；2）构造了保护层中锈胀微裂缝尖端奇异单元，从数值分析角度验证了上述初始缺陷的应力场理论解析解，并进行了相应的锈胀发展行为和失效力学模式有限元模拟；3）有效地引入了腐蚀速度和裂缝扩展等变量，在考虑锈胀过程中混凝土材料多相复合等性能后，求解了含初始缺陷的锈胀开裂临界指标函数表达式，并对比分析了不同大小、位置的初始缺陷和锈胀产物体积膨胀率等其他相关敏感性因素对临界指标的影响规律，结果表明，初始缺陷大小是影响临界开裂的最敏感因素，其次是保护层厚度，再次是初始缺陷位置等因素；相对于初始缺陷位于保护层中部，其位于保护层表面对临界开裂影响更甚。4）制作了保护层表面、中部不同大小初始缺陷腐蚀试件，开展了人工气候条件下的干湿交替试验及小电流密度条件下的通电加速试验，实现了对理论研究的试验验证：结果表明，本项目的理论模型与实验数据十分吻合，最大误差控制在10%以内；与此同时，本项目还开展了锈层分布、锈蚀产物成分及体积膨胀率等细观测试分析，为理论研究提供了可靠的锈胀细观参数。总之。本项目已取得了较好的相关研究成果，实现了所有研究目标。上述研究成果可为我国腐蚀环境下混凝土结构使用寿命评价及其维修加固提供基础性成果支持。