钢筋锈蚀膨胀对钢筋-混凝土抗拔性能的三维数值分析

徐 进 赵宴增 周逸枫

(南京工业大学， 江苏 南京 211816）

0 引言

地下结构物长期处于地下水环境，当其承受拉应力时，钢筋表面混凝土保护层容易开裂[1]，具有一定腐蚀性的地下水和空气能沿着混凝土裂缝侵入内部，导致钢筋发生锈蚀，其锈蚀产物体积膨胀而引起混凝土产生锈胀应力[2]。若锈胀应力超过混凝土材料强度，混凝土裂缝会进一步发展，钢筋与混凝土接触面积减小，钢筋-混凝土界面粘结强度、摩擦力和机械咬合力下降[3]，水、气更容易侵入地下结构物，导致地下结构物的承载力和耐久性同时下降[4-5]。不少学者通过数值软件模拟分析钢筋锈蚀引起的钢筋-混凝土界面粘结强度的变化规律，但此类研究往往通过修改钢筋-混凝土界面的弹簧刚度大小实现两者界面粘结强度的变化，较难反映锈胀引起的混凝土开裂现象。

针对钢筋锈蚀产物引起混凝土开裂的情况，本文将采用ABAQUS 数值软件，借助动力显式算法开展钢筋-混凝土拉拔试块的三维大变形建模，通过引入混凝土损伤模型，模拟混凝土锈胀效应和钢筋拉拔过程中混凝土损伤开裂和实体单元删除，得到了相应的混凝土应力云图和钢筋拉力-位移曲线，分析不同钢筋锈蚀膨胀情况下钢筋-混凝土抗拔性能。

1 钢筋-混凝土数值试验模型

本文开展钢筋-混凝土拉拔试验的C30 混凝土试块为150×150×150mm，选取直径为16mm 的Q235 钢筋，总长度为150mm，其粘结段的长度为80mm。混凝土模型考虑了损伤塑性，其弹性模量为34MPa，泊松比为0.2，密度为2420kg/m3，膨胀角为30°，摩擦系数为0.667；钢筋为弹塑性，其弹性模量为20.6GPa，泊松比为0.3，密度为7890kg/m3，为模拟钢筋锈蚀膨胀，设置了钢筋的膨胀系数。

进行网格划分，混凝土主体为六面体，而钢筋肋纹咬合的混凝土部分为四面体，钢筋为六面体，单元类型均设置为C3D8R。根据规定，钢筋肋纹间距应小于钢筋直径的0.7 倍，取钢筋肋纹之间的距离为10mm，钢筋肋纹高宽为1mm。选定动力显式求解并考虑单元删除，网格划分图1 所示。

图1 钢筋混凝土试块网格划分图

2 钢筋-混凝土拉拔数值模拟结果

图2 是钢筋未发生锈蚀时，钢筋拉拔量分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm时所对应的混凝土应力云图。混凝土应力沿着钢筋-混凝土粘结界面扩散，在拉拔量为0.1mm 时，钢筋与混凝土粘结界面的粘结应力主要集中于前半段而中后段粘结应力较小，随着钢筋拉拔的进行，前半段的粘结应力开始向中后段传递，混凝土沿着粘结界面的应力分布趋于平均。

图3 是钢筋锈蚀（初始膨胀率为0.6%）后，钢筋拉拔0.1mm、0.2mm、0.3mm 时的混凝土应力云图。由于钢筋锈蚀膨胀的存在，拉拔前期，混凝土中已产生一定的锈胀应力，在拉拔的过程中界面粘结应力能够较为均匀地在混凝土试块中扩散。这主要归因于钢筋锈蚀后，锈蚀产物对混凝土产生膨胀应力，当锈胀应力超过混凝土强度后，钢筋边缘砂浆受挤压破碎，锚固段钢筋与砂浆之间的界面粘结强度降低，当钢筋受拉时，沿钢筋长度方向的粘结界面较早进入屈服状态，粘结应力从开始就出现较为均匀分布现象。

图2 钢筋未锈蚀状态下进行拉拔引起混凝土应力云图

图3 钢筋膨胀率为0.6%时进行拉拔引起混凝土应力云图

另一方面，钢筋拉拔过程中会引起混凝土的材料损伤。图4 和图5 分别给出了钢筋未膨胀状态和膨胀率为0.6%时混凝土的应力损伤云。未拉拔之前，钢筋锈蚀会导致初始的混凝土应力损伤(图5a)。在钢筋拉拔过程中，在钢筋肋纹与混凝土接触的地方最先产生裂纹开裂，这主要是由于钢筋肋纹与混凝土的错动咬合会引起该区域显著的应力集中。而随着钢筋拉拔量的增加，钢筋肋纹与混凝土错动量增大引起裂纹扩展延伸至混凝土试块边缘，最后形成倒锥形的破坏区域(图4c，4d)。而钢筋存在初始锈蚀会引起钢筋周围混凝土的局部破碎，在拉拔之前钢筋肋纹与混凝土的机械咬合力有一定程度的降低，因此在钢筋拉拔过程中钢筋肋纹与混凝土的错动也较难引起裂纹的扩展延伸。

图4 钢筋未锈蚀状态下进行拉拔引起混凝土应力损伤云图

图5 钢筋膨胀率为0.6%时进行拉拔引起混凝土应力损伤云图

图6 进一步给出了钢筋锈蚀体积膨胀对沿钢筋长度方向钢筋-混凝土界面剪切应力的影响。未锈蚀的钢筋受拉后，钢筋与混凝土之间存在相对位移而引起剪应力，从加载端沿长度方向迅速增大至最值，然后逐渐降低至0。而钢筋锈蚀后，由于锈蚀产物的体积膨胀增大了钢筋与混凝土之间的握裹力；钢筋体积膨胀率为0.2%和0.4%时，剪应力均有所增大。若钢筋锈蚀加剧，锈蚀产物引起的膨胀应力超过混凝土材料强度，导致混凝土裂缝增多，钢筋与混凝土接触面积降低，钢筋拉拔过程中膨胀率为1.0%的界面剪切力较膨胀率为0.4%有较大幅度的降低，且剪应力分布较为均匀。

图6 不同钢筋锈蚀膨胀率情况下钢筋-混凝土界面剪切应力分布

3 结束语

针对钢筋锈蚀膨胀对钢筋-混凝土拉拔性能的影响，本文通过数值软件建立钢筋-混凝土试块三维模型，开展了钢筋-混凝土拉拔数值模拟，分析了不同钢筋锈蚀膨胀率情况下混凝土应力分布和材料损伤情况以及沿钢筋长度方向剪应力的变化规律。结果表明，在一定钢筋锈蚀膨胀率情况下，钢筋和混凝土的握裹力达到最大值，而随着钢筋锈蚀的进一步增加，钢筋与混凝土之间的粘结强度会有大幅度降低。