混凝土保护层不均匀锈胀开裂研究

林1

安徽黄山245041；（1.黄山学院建筑工程学院，2.西南交通大学利兹学院，安徽池州247100）

摘要院随着国内外众多基础设施的建成袁由于缺乏认识导致大量既有结构存在严重钢筋腐蚀问题袁并

已成为混凝土结构耐久性失效的最主要因素之一遥文章在既有研究基础上袁结合不均匀锈蚀特点袁将保护层锈蚀损伤分为4个阶段袁得到保护层开裂的锈蚀率与径向位移的关系袁并对不同模型锈胀位移曲线展开分析遥研究表明采用高斯分布和椭圆形分布曲线研究混凝土锈胀开裂是合理有效的遥

关键词院锈胀位移曰开裂曰不均匀锈蚀曰锈蚀率中图分类号院TV331

文献标识码院A

文章编号院1672-447X渊2019冤05-0081-004

1引言

混凝土保护层锈胀开裂是结构耐久性失效的一个主要特征。基于目前混凝土结构破坏的失效机理，相关分析主要集中在二维均匀锈蚀条件下，通过锈胀位移、钢筋锈蚀率及开裂时间等指标进行判断。然而较多的资料表明，我国实际环境中的钢筋锈蚀并非是沿钢筋表面均匀分布的理想状裂缝态，在钢筋-混凝土界面处会存在一些骨料、

2]

等缺陷[1，，这些缺陷的存在对保护层开裂指标产

（a）钢筋脱钝（b）自由膨胀阶段

生很大影响。因此本文结合混凝土特点，在张伟平[3]等研究基础上，将混凝土锈蚀破坏分成4个阶段，如图1，钢筋的锈蚀产物主要由2-4阶段产生，并对不同锈蚀形态的锈胀位移和锈蚀率展开分析。

（c）应力产生阶段

图1

（d）保护层破坏阶段

保护层锈蚀破坏4阶段

收稿日期院2019-05-21基金项目：安徽省教育厅自然科学研究项目渊KJHS2018B03冤曰国家级大学生创新创业训练计划项目渊201810375028冤曰黄山学院徽文化研究重点

项目渊2018xhwh002冤曰安徽省卓越人才教育培养计划渊2015zjjh029冤

作者简介院王小平(1987-)袁安徽黄山人袁硕士袁黄山学院建筑工程学院袁讲师袁研究方向为建筑材料尧建筑结构曰

肖官衍渊1999-冤袁安徽池州人袁西南交通大学利兹学院袁本科生袁研究方向为土木工程遥

窑82窑黄山学院学报2019年2不同锈蚀形态的锈胀位移曲线研究2.1

根据弧形夏地宁基反[4]等力人研究，模型

考虑混凝土的锈胀位移

与相对保护层厚度（c/d）的关系，采用弧形地基反力曲线表示混凝土锈胀轮廓，具体如下：

（1）当-仔2燮琢燮仔时，

u1=a+mac23sin（琢[cos2兹-cos（琢2）+sin（3琢2）2）]cos兹-3（琢2）cos(琢2)（2）当仔2燮琢燮32仔时，

u1=a+mac23sin（琢[cos兹-cos（琢）式中：

2）+sin（3琢2）-32]2

（琢2）cos(琢2)m-锈层厚度系数；a-钢筋半径；

兹-钢筋锈蚀对应的转角；2.2

琢椭-锈圆蚀形范[5]锈围根据胀对位应试验移的模圆结型心角。

袁迎曙果总结锈层的发展和锈蚀

产物量有关，得到钢筋的锈蚀轮廓曲线近似呈椭圆形，采用如下关系式表示。

（1）保护层近侧：（a+x2u2）2+（a+y2

u1）

2=1（2）保x2+y2=（护a+层u远侧：2）

2式中：

u1-椭圆轮廓线最大锈层位移；

2.3

u2-椭圆轮廓线最赵羽高斯习函[6]数等分人通布模小过型

锈层位移。人工气候模拟试验得到钢筋

的锈层厚度近似服从高斯函数曲线分布，可采用下式表示：

ur=aa1e

-（姨兹-2仔琢）222+u0

其中：

姨2仔ur-对应兹的锈层厚度；

u兹-0-极最坐标小锈下层厚的角度；度；2.4

a不同1、a2-锈对蚀应形的态曲锈蚀线参研究

数。

通过上述研究发现，不同锈蚀形态相关参数设置各不相同，高斯分布曲线主要侧重于不均匀锈蚀的锈层厚度，而弧形地基反力和椭圆形锈蚀曲线主要侧重于锈蚀产物外轮廓形状。本文结合不均匀锈蚀特点，对后两者锈蚀形态的轮廓线进行修正，得到2.4.1

相应的锈层厚度表达弧弧形形地地基基反反力力分分式。布布曲模线型

，考虑混凝土开裂前钢

筋锈蚀主要发生在靠近保护层侧，开裂后沿钢筋整个表面锈蚀，锈蚀情况如图2，锈蚀曲线方程可表示如下。

（1）当-仔2燮琢燮仔2时，

u1，3=

籽籽-1mac2仔3sin（琢[cos兹-cos（琢）]cos2）+sin（3琢2）2兹

-3（琢2）cos(琢2)（2）当2燮琢燮32仔时，

u2，4=籽籽-1mac3sin（琢[cos兹-cos（琢）]2

22）+sin（3琢2）-32（琢2）cos(琢2)图2

弧形地基反力分布模型

2.4.2

椭椭圆圆形形锈锈胀胀位位移移曲模线型

考虑钢筋锈层在保护层

开裂前主要发生在靠近保护层一侧，锈蚀的轮廓曲线近似呈半椭圆形，当保护层开裂后，侵蚀介质进入混凝土内部导致钢筋发生均匀锈蚀，锈蚀情况如图

第5期王小平袁等院混凝土保护层不均匀锈胀开裂研究窑83窑3，根据坐标转换可得极坐标下锈蚀轮廓曲线为：（1）当-仔u2燮兹燮仔2时，

兹=籽-1籽（（a+u姨（a+u1）（a+u1）2sin2兹+（a+2u）2

）2cos2兹-a）

（2）当仔燮u2兹燮32仔时，

兹=籽-1籽u2图3椭圆形锈胀位移模型

3不同锈蚀形态模型验证

考虑钢筋实际锈蚀情况，结合不均匀锈蚀特点

以及锈胀位移、锈蚀率等指标，选择赵羽习[7]等人工模拟气候环境试验数据，对于准确测定锈层厚度，以及预测和评价结构耐久性寿命均至关重要。具体指数如表1所示。

表1

人工模拟气候环境试验参数

抗压

水灰比

矿渣抗压

水灰比钢筋保护层粗骨料

fc强渊MPa度

冤W/B

fc强渊MPa度冤

W/Bd直径渊mm冤c厚度渊mm冤最渊大mm粒径

细骨料

冤

渊mm冤

50

0.44

56

0.345

56

0.345

20

5

根据王林科[8]等研究成果，假设钢筋的锈蚀膨胀率均为2.28，分别对高斯分布、弧形地基反力以及椭圆型分布模型的锈层厚度进行分析，

结果如图4。从图4可以看出，对于不同模型的锈层厚度，通过计算得到的锈层值与试验值基本一致。图中高斯分布和椭圆形分布的锈层计算值与试验值较接近，而弧形地基反力分布曲线的计算结果与实测值误差稍大。其次对于不同的锈蚀率，

锈蚀率越小，计算值与试验值离散性较小，如图4（a，c），锈蚀率大，

（a）掺矿渣粉煤灰骨料锈层厚度

（浊=6.65%）（b）掺矿渣粉煤灰骨料锈层厚度

（浊=8.99%）（c）普通混凝土锈层厚度（浊=4.61%）

（d）普通混凝土锈层厚度（浊=8.47%）图4不同模型锈层厚度计算值与试验值对比情况

离散性较大，如图4（b，d）。对不同模型的计算值与试验结果进行相关性分析，结果如图5。

从图5可以看出，不同锈蚀形态模型得到的相关性系数各不相同，其中采用高斯分布模型和椭圆形分0.862布关性稍和曲差0.833线的计算，为0.753，而弧值。与形与实地图基测4反值相关性较好，分别为情力况曲吻线合，计算结因此可果的相以认为采用高斯分布和椭圆形分布曲线模型研究混凝

土保护层不均匀锈胀开裂更为有效。

窑84窑黄山学院学报参考文献：2019年[1]ZhaoY，RenH，DaiH，etal.Compositionandex原

pansioncoefficientofrustbasedonX-raydiffractionand1658.

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图5

不同模型锈层计算值与试验值的相关性情况

[5]袁迎曙，姬永生，牟艳君.混凝土内钢筋锈蚀层发展和锈蚀量分布模型研究[J].土木工程学报，2007，40（7）：5-10.[6]ZhaoY，HuB，YuJ，etal.Non-uniformdistributionof[7]ZhaoY，KarimiAR，WongHS，etal.Comparisonof

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4小结

本文根据钢筋锈蚀特点，对不均匀锈蚀情况展开分析，将保护层的锈蚀损伤分为4个阶段，并对比不同的锈胀位移曲线。研究表明高斯分布和椭圆形分布的计算结果与试验值较接近，而弧形地基反力分布曲线的误差稍大。其次对于不同的锈蚀率，锈蚀率越小，所得的锈层厚度计算值与试验值离散性较小，锈蚀率大，离散型较大。通过相关性分析，结果表明采用高斯分布和椭圆形分布模型得到的计算值与试验值相关性较好，对于研究混凝土保护层不均匀锈胀开裂更为有效。

系数[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版，1997，29（4）:

StudyonNon-uniformExpansionCrackingoftheConcreteCover(1.SchoolofArchitecturalEngineering,HuangshanUniversity,Huangshan245041,China;

sionproblemsintheirstructureduetoinadequateunderstanding,andhavebecomeoneofthemostimpor原tantfactorstocauseconcretestructuredurabilityfailure.Thispaper,basedonthepreviousstudiesandac原cordingtothecharacteristicsofunevencorrosion,proposestodividethecorrosiondamageinto4stages,thatthestudyoftheexpansionandcrackingofconcretecoverisreasonableandeffectivebyadoptingGaussiandistributionandellipticdistributionmodel.

Keywords:Expansiondisplacement;cracking;unevencorrosion;corrosionrate

collectstherelationshipbetweenthecorrosionrateofthecrackingoftheconcretecoverandtheradialdisplacement,andanalyzestheexpansiondisplacementcurveswithdifferentmodels.Theresearchshows

Abstract:Alargenumberofmanyconstructedinfrastructuresathomeandabroadhaveseriouscorro原

2.LeedsCollege,SouthwestJiaotongUniversity,Chizhou247100,China)

WangXiaoping1,XiaoGuanyan2,XingKaifeng1,DengLin1