始于初始缺陷的混凝土真实锈胀起裂、开裂和缝宽动态发展及对腐蚀的时变影响

1）开展模拟我国具体环境特征的人工气候腐蚀试验，实时测试光圆带肋钢筋混凝土锈胀裂缝宽度、条数（是否连通）变化，同步测试对应氯离子浓度、腐蚀速度变化，分析裂缝动态发展对腐蚀进程的时变影响；2）从非线性断裂力学角度定量描述符合实际的真实锈胀发展行为：将钢筋与混凝土界面及混凝土内部实际初始缺陷当作细小微裂缝，利用相关边界应力强度因子和裂缝张开口位移理论，结合腐蚀速度等变量，建立初始缺陷起裂、保护层开裂（含不均匀锈蚀）和时变裂缝宽度模型及动态发展失效准则，并分别用人工气候与自然暴露试验验证和修正；3）基于上述开裂和缝宽模型，应用高阶矩理论解决部分变量分布未知难题，从概率角度分析我国具体环境特征下开裂时间和裂缝宽度随计算时刻前腐蚀速度、混凝土强度和铁锈产物密度等因素的随机变化。本项目不仅推动小尺寸条件下裂缝尺寸边界效应理论发展，更将系统深化动态锈胀破坏理论，属于裂缝、腐蚀交叉学科，具有重大研究意义。

目前全世界、尤其我国钢筋混凝土结构的锈胀破坏问题日益突出，造成的经济、社会损失十分巨大。尽管长期以来国内外对锈胀开裂模型开展了大量研究，但它们都基于混凝土均质弹性、钢筋与混凝土界面空隙均匀等基本假定，尚未深入考虑混凝土中天然微孔隙和随机微裂缝等实际初始缺陷；且一直以来众多学者将关注点放在了锈胀开裂模型上，较忽视开展锈胀裂缝宽度模型的相关研究，由于问题的复杂性及对其理论描述的困难性，这一模型的探索历来十分缺乏；针对我国具体环境特征，上述锈胀开裂和裂缝宽度模型的随机分析仍处于起步阶段。为此，本项目1）开展了混凝土裂缝扩展楔入劈拉实验和模拟我国具体环境特征的人工气候腐蚀试验，得到了部分试件保护层开裂时间、裂缝宽度数据，从试验角度和接下来的理论分析和随机分析角度探索了裂缝动态发展与腐蚀进程的时变交互影响规律，并结合本项目开展的自然暴露试验，统计了表面氯离子浓度、氯离子扩展系数和临界氯离子浓度在自然暴露条件下的概率分布函数；2）将钢筋与混凝土界面及混凝土内部实际初始缺陷当作细小微裂缝，建立了初始缺陷起裂、保护层开裂（含不均匀锈蚀）和时变裂缝宽度模型及动态发展失效准则，在利用上述试验和国外暴露试验数据验证和修正后，从非线性断裂力学角度定量描述了符合我国实际环境特征的真实锈胀发展行为。由于相关模型深入考虑了混凝土内部的实际初始缺陷，使得模型精度较以往得以大大提高，这一成果荣获了2010年度国际期刊JAABE最佳论文奖；3）应用高阶矩理论解决部分变量分布未知难题，从概率角度分析了我国具体环境特征下钢筋起绣、保护层开裂和裂缝宽度随计算时刻前腐蚀速度、初始缺陷尺寸、混凝土强度和铁锈产物密度等众多因素的随机变化规律。截止目前，本项目荣获国际学术奖励1项，在国际学术期刊、国家一级学报、中文核心期刊和国际学术会议上已发表学术论文合计12篇（SCI收录4篇、EI收录5篇、ISPT收录3篇），尚有2篇学术论文已投稿国际知名学术期刊“Cement and Concrete Research”，目前正在修改校稿中。本项目不仅推动了小尺寸条件下裂缝尺寸边界效应理论发展，更系统地深化了我国具体腐蚀环境下钢筋混凝土结构的动态锈胀破坏理论，属于裂缝、腐蚀交叉学科，其基础性研究成果具有较大学术意义，针对我国具体环境特征的随机分析更对指导相关工程实践具有较大参考价值。