發(fā)布時間：2020-09-09 21:32

　　 隨著我國興建的大量基礎(chǔ)設(shè)施長期服役,鋼筋銹蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)失效問題日益顯著,維護維修費用巨大。鋼筋銹蝕伴有體積膨脹,使混凝土出現(xiàn)銹脹裂縫。由于混凝土結(jié)構(gòu)特點,氯鹽從混凝土不同表面?zhèn)鬏斍治g鋼筋的路徑和侵蝕速率并不相同,銹蝕產(chǎn)物在鋼筋截面上的分布往往是非均勻的。因此,研究鋼筋非均勻銹蝕特征及其誘發(fā)混凝土開裂機理,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計與評估有著重要的科學(xué)價值和工程意義。本文針對氯鹽侵蝕下鋼筋截面銹蝕產(chǎn)物非均勻分布及其誘發(fā)混凝土開裂問題,采用理論推導(dǎo)、力學(xué)解析、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬等研究手段,基于鋼筋截面銹蝕產(chǎn)物半橢圓形態(tài)分布,考慮界面“空隙區(qū)”和時變銹蝕速率,推導(dǎo)了鋼筋半橢圓銹蝕時變模型,利用復(fù)變函數(shù),分析混凝土銹脹力分布,構(gòu)建實現(xiàn)“連續(xù)—離散”的粘聚裂紋數(shù)值模型,分析鋼筋非均勻銹蝕下混凝土銹脹開裂模式和裂縫寬度擴展過程,考慮更廣泛的非均勻銹蝕情形,提出了基于馮·米塞斯分布的鋼筋銹蝕模型,開展了 X射線CT掃描試驗,驗證該模型并使用該模型分析試驗鋼筋銹蝕參數(shù),研究馮·米塞斯銹蝕模型中鋼筋非均勻銹蝕系數(shù)對混凝土開裂的影響,最后,對海洋大氣區(qū)混凝土梁銹脹開裂破壞模式和裂縫寬度做出預(yù)測評估。取得的主要研究成果如下:(1)推導(dǎo)了鋼筋半橢圓銹蝕時變模型,采用復(fù)變函數(shù)方法,得到了單層混凝土圓筒下混凝土銹脹應(yīng)力分布,發(fā)現(xiàn)鋼筋半橢圓銹蝕下,隨著銹蝕產(chǎn)物增加,混凝土內(nèi)邊界最大切向應(yīng)力位置距最大銹蝕產(chǎn)物位置約為75°。(2)構(gòu)建了“連續(xù)—離散”粘聚裂紋數(shù)值模型,分析了混凝土開裂位置、開裂時間和裂縫寬度擴展過程,數(shù)值模擬與試驗結(jié)果有著較好的一致性,發(fā)現(xiàn)鋼筋半橢圓銹蝕下混凝土開裂時的臨界銹蝕量明顯小于均勻銹蝕下的臨界銹蝕量。(3)考慮更廣泛的非均勻銹蝕情形,提出了基于馮·米塞斯分布的鋼筋銹蝕模型,擬合驗證并分析參數(shù)物理意義,指出參數(shù)λ為鋼筋銹蝕程度系數(shù),μ為最大銹蝕位置,k為鋼筋非均勻銹蝕系數(shù),k值越大,鋼筋非均勻銹蝕程度越高,該模型具有參數(shù)少且物理意義明確的特點。(4)開展了鋼筋混凝土試件干濕循環(huán)加速銹蝕試驗和CT掃描,將結(jié)果與馮·米塞斯銹蝕模型進行擬合,指出該模型能夠很好地描述由氯離子和氧擴散引起的鋼筋非均勻全面銹蝕,使用該模型分析了試驗鋼筋銹蝕特征。(5)建立了包含骨料、水泥砂漿和界面過渡區(qū)的混凝土細觀粘聚裂紋數(shù)值模型,基于馮·米塞斯銹蝕模型,分析了鋼筋非均勻銹蝕系數(shù)k值對混凝土開裂的影響,發(fā)現(xiàn)對中部鋼筋,k值越大,混凝土越接近分層破壞,對角部鋼筋,k值越大,角區(qū)剝落角越小;相同銹蝕量下,k值越大,混凝土越容易開裂;k值越小,“空隙區(qū)”厚度對銹脹裂縫寬度影響越大。(6)應(yīng)用鋼筋非均勻銹蝕時變模型,結(jié)合構(gòu)件工程環(huán)境,分析了海洋大氣區(qū)多鋼筋混凝土梁銹脹開裂過程,得到了混凝土梁開裂破壞的兩種模式,即“整體分層”和“分層與角區(qū)剝落”破壞,發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部裂縫貫穿與角.區(qū)剝落破壞相互影響,鋼筋凈間距越大,混凝土斷裂能越大,內(nèi)部裂縫貫穿的時間越長,角區(qū)剝落破壞容易發(fā)生;給出了考慮鋼筋非均勻銹蝕的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估建議。本文的研究為鋼筋非均勻銹蝕誘發(fā)混凝土保護層開裂時間和裂縫寬度預(yù)測提供了方法,為鋼筋非均勻銹蝕特征分析提供了新的模型,所采用的CT試驗設(shè)計為無損地探究鋼筋非均勻銹蝕提供了參考,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計、評估和維護維修有一定的指導(dǎo)意義,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠度評價和服役壽命預(yù)測有廣泛的應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TU375
【部分圖文】：

構(gòu)件建設(shè)費用５倍［１】。進一步，由于混凝土保護層出現(xiàn)裂縫，氯離子和氧等逡逑直接通過裂縫侵蝕鋼筋，混凝土結(jié)構(gòu)加速失效。因此，鋼筋銹蝕誘發(fā)的混凝逡逑土保護層開裂問題是引起混凝土結(jié)構(gòu)失效的最主要原因之一。圖１－１為鋼筋逡逑銹蝕誘發(fā)混凝土保護層開裂的實例。其中，圖ｌ－ｌ（ａ）和圖ｌ－ｌ（ｂ）是建成于１９５１逡逑年的水利大壩，由于服役環(huán)境濕度較大，并受到海洋氣候的影響（據(jù)海岸線逡逑約５０邋ｋｍ），壩體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長期服役以來歷經(jīng)多次耐久性維修。圖丨－１（ｃ）逡逑為建于２０世紀９０年代末期的濱海城市建筑，建筑護欄保護層形成剝落裂縫。逡逑＿．仩逡逑（ａ）大壩護欄邐（ｂ）大壩墻體邐（ｃ）建筑護欄逡逑圖１－１鋼筋銹蝕誘發(fā)混凝土保護層開裂實例逡逑使用壽命是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的一個重要指標，預(yù)計混凝土結(jié)逡逑構(gòu)的使用壽命是結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計和既有結(jié)構(gòu)評估的重點任務(wù)。根據(jù)鋼筋混凝逡逑土結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境和退化失效過程，結(jié)構(gòu)使用壽命可以劃分為：混凝土碳化逡逑使用壽命、氯鹽侵蝕鋼筋脫鈍使用壽命、混凝土銹脹開裂使用壽命和混凝土逡逑－２邋－逡逑

構(gòu)件建設(shè)費用５倍［１】。進一步，由于混凝土保護層出現(xiàn)裂縫，氯離子和氧等逡逑直接通過裂縫侵蝕鋼筋，混凝土結(jié)構(gòu)加速失效。因此，鋼筋銹蝕誘發(fā)的混凝逡逑土保護層開裂問題是引起混凝土結(jié)構(gòu)失效的最主要原因之一。圖１－１為鋼筋逡逑銹蝕誘發(fā)混凝土保護層開裂的實例。其中，圖ｌ－ｌ（ａ）和圖ｌ－ｌ（ｂ）是建成于１９５１逡逑年的水利大壩，由于服役環(huán)境濕度較大，并受到海洋氣候的影響（據(jù)海岸線逡逑約５０邋ｋｍ），壩體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長期服役以來歷經(jīng)多次耐久性維修。圖丨－１（ｃ）逡逑為建于２０世紀９０年代末期的濱海城市建筑，建筑護欄保護層形成剝落裂縫。逡逑＿．仩逡逑（ａ）大壩護欄邐（ｂ）大壩墻體邐（ｃ）建筑護欄逡逑圖１－１鋼筋銹蝕誘發(fā)混凝土保護層開裂實例逡逑使用壽命是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的一個重要指標，預(yù)計混凝土結(jié)逡逑構(gòu)的使用壽命是結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計和既有結(jié)構(gòu)評估的重點任務(wù)。根據(jù)鋼筋混凝逡逑土結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境和退化失效過程，結(jié)構(gòu)使用壽命可以劃分為：混凝土碳化逡逑使用壽命、氯鹽侵蝕鋼筋脫鈍使用壽命、混凝土銹脹開裂使用壽命和混凝土逡逑－２邋－逡逑

１．２．２鋼筋銹蝕誘發(fā)混凝土開裂研究逡逑鋼筋銹蝕產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物成分是復(fù)雜的，其體積一般為腐蝕掉鋼筋體積逡逑的２？６倍［５２］。如圖１－３所示，膨脹的銹蝕產(chǎn)物不斷累積，對混凝土產(chǎn)生銹脹逡逑作用，當(dāng)銹脹力超過混凝土抗拉強度時，銹脹裂縫出現(xiàn)，隨著銹蝕產(chǎn)物的增逡逑力口，裂縫寬度增加，并可能產(chǎn)生多條裂縫導(dǎo)致混凝土保護層發(fā)生剝落、分層逡逑破壞。多年來，國內(nèi)外學(xué)者采用試驗和解析模型方法開展了大量研宄，分析逡逑混凝土開裂臨界特征（臨界銹蝕量、開裂時間、鋼筋銹蝕率等），建立了預(yù)測逡逑混凝土開裂的多種模型。逡逑圖１－３鋼筋銹蝕誘發(fā)混凝土保護層開裂過程逡逑混凝土表面一旦出現(xiàn)裂縫，外界氯鹽容易通過裂縫進入混凝土內(nèi)部，加逡逑速鋼筋腐蝕。因此，混凝土銹脹^u裂時間是結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的重要指標。需要逡逑說明的是，在試驗中觀測裂縫時，不同的觀測手段所能觀測到的初始寬度是逡逑不同的。為保持一致性

【參考文獻】

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本文編號：2815500