带裂缝轨道交通地下钢筋混凝土的非均匀锈胀机理及理论模型

The durability of the underground structures of urban railway transit is of great importance for the safe operations of railway transit. Suffering the possible actions, such as loads, the underground structures are usually works in cracks, resulting in a non-uniform corrosion in rebars, which is a high risk against durability in the underground corrosive environment. This project will conduct both experimental investigation and theoretical study on the non-uniform corrosion mechanism and the whole fracture process due to corrosion splitting for the cracking materials of underground structure. The main contents includes: (1) the influences of the shape and the distribution of pre-made cracks on the diffusion and diffusive coefficient of chloride ions will be discussed, and a diffusion equation will be formulated for cracking underground structure materials. Then, through calculating the concentration distributions of chloride ions, the durability time when the corroding occurs can be predicted. (2) The influences of the crack width and the chloride concentration on the diffusion rate will be experimentally studied, and the time-variant model of corrosive current density will be formulated for cracking underground structure materials. The distributions of corrosive rust along the transverse cross-section and longitudinal direction will be discussed, and a distributional model of splitting stress due to corrosion will be determined based on the available physical and mechanical properties of corrosion rest. (3) According to the non-uniform distributed splitting stress, the analytical fracture model will be established for concrete cover due to corrosion splitting, and the whole propagation of cracks will be simulated. (4) The whole durability life for the cracking underground structure materials due to reinforcement corrosion can be predicted. The research of this project will set a guideline for the following study on the durability of underground structure materials for railway transit, and will be helpful to the practice of underground constructions.

城市轨道交通地下结构的耐久性对其安全运营具有重要意义。由于受荷载等作用，地下结构常带缝工作，在地下侵蚀环境下引起的非均匀锈蚀将对其耐久性造成了极大的挑战。本项目以带裂缝地下结构材料为研究对象，将对其非均匀锈蚀机理和锈胀破坏过程进行试验和理论研究。主要包括：（1）将研究裂缝形态和分布对氯离子扩散过程和扩散系数的影响，构建带裂缝地下结构混凝土的氯离子扩散方程，预测氯离子浓度分布和起锈时间；（2）将试验研究裂缝宽度、氯离子浓度等对钢筋锈蚀速率的影响，建立带裂缝地下结构混凝土锈蚀电流密度的时变模型，并研究钢筋锈蚀产物分布模式，根据锈蚀产物物理-力学特性建立锈胀应力分布规律；（3）将根据不均匀锈胀应力分布，建立钢筋锈胀破坏的断裂力学分析模型，分析混凝土中裂缝开展全过程；（4）预测带裂缝地下结构混凝土的锈胀过程全寿命。本项目工作将对轨道交通地下结构的锈蚀问题耐久性研究和工程实践具有指导意义。

地下结构材料的耐久性研究对地下结构的安全运行具有重要的科学意义。本研究项目对地下结构双掺粉煤灰和矿渣混凝土材料在氯离子环境中的耐久性能进行了试验和理论的研究。. 首先，本项目对地下结构混凝土材料氯离子的微观扩散机理和扩散过程进行了试验研究。通过压汞试验测试了混凝土微观结构和扩散性能的关系，试验表明双掺粉煤灰和矿渣改善了混凝土内部的微观孔隙结构，降低了混凝土的氯离子扩散系数，并分析了双掺掺量对扩散系数的影响。研究了混凝土中的初始裂缝宽度对混凝土氯离子扩散系数的影响，建立了考虑裂缝宽度影响的扩散系数计算模型。进而建立了带裂缝地下混凝土材料的氯离子扩散模型，并数值分析了其中氯离子扩散过程和浓度分布，为预测混凝土在钢筋起锈的时刻奠定了基础。其次，进行了氯离子溶液和氯离子溶液与二氧化碳交替环境下地下混凝土材料的浸泡试验，测试了中期内钢筋腐蚀过程中的钢筋的腐蚀电位和腐蚀电流密度，分析了氯离子浓度、裂缝宽度、碳化等影响参数对腐蚀机理和腐蚀电流密度的影响，回归了腐蚀电流密度模型。最后，考虑到钢筋腐蚀产生的膨胀内力对混凝土保护层的作用，研究提出了基于虚拟裂缝模型的混凝土保护层锈胀开裂理论分析模型。该模型较好的处理了开裂后混凝土的变形和内力分析，试验对比验证了该分析模型具有很高的计算精度。基于此模型，研究分析了保护层厚度、混凝土强度等参数对计算结果的影响。. 本研究将地下结构混凝土材料的锈蚀过程分为氯离子扩散、钢筋锈蚀和锈胀开裂破坏三个阶段，通过分别计算各阶段的腐蚀时间，再通过各阶段参数连续传递可分析地下钢筋混凝土结构锈蚀破坏全过程并预测其耐久性寿命。