钢筋锈蚀作用下混凝土保护层胀裂过程研究

黄志建

（莆田联欣泰置业有限公司，福建莆田 351100）

0 引言

在钢筋混凝土结构中，受碳化或氯盐等因素的影响，其表层会因氧、水等物质的扩散而出现电化学锈蚀。 在腐蚀过程中，钢筋的径向腐蚀膨胀力会增加，从而导致周围混凝土的环向拉应力也会随之增加，一旦超出其容许应力，在腐蚀界面上会产生一条沿着空穴的放射状裂纹，从而引起防护层沿钢筋的膨胀开裂，乃至整个剥离失效。 当混凝土保护层膨胀开裂并失效的瞬间，相应的钢筋腐蚀速率就是钢筋腐蚀速率。防护层混凝土裂缝会加速钢筋腐蚀，降低其使用寿命。因此，确定在腐蚀环境下钢筋腐蚀导致的防护层裂纹失效所导致的腐蚀速率，对于评价其耐久性能有着十分重要的意义。

1 有限元模型的建立

1.1 基本参数

分别针对处于边中和角部条件下的单根锈蚀钢筋导致的混凝土保护层胀裂破坏过程的模拟分析，以高度H 为225 mm，宽度B 为250 mm 的钢筋混凝土构件作为研究对象，所有模型轴向厚度取30 mm。

1.2 有限元分析模型

在建立的模型中，利用扩散裂纹理论对腐蚀后的混凝土保护层进行了扩展和开裂的全过程的数值计算。其材料为弹性填量为2×104MPa，泊松系数为2.4 MPa，以SOLID65 为材料制备了一种新型的材料。 利用混凝土的应力-变形曲线建立了混凝土的本构方程， 对腐蚀后的混凝土进行力学性能分析。由于在引起混凝土保护层产生胀裂破坏时的径向内压力很小， 因此不会导致混凝土产生压碎破坏，所以在进行数值模拟时，为节约计算求解的时间，关闭压碎选项。在计算混凝土的非线性荷载时，使用了5%的收敛率。

2 单根锈蚀钢筋引起的混凝土保护层胀裂破坏过程

2.1 单根锈蚀钢筋位于边中

对处于边中的单根锈蚀钢筋，因为锈蚀产生物体体积膨胀引起的混凝土保护层胀裂破坏过程展开了数字仿真，当单根锈蚀钢筋处于边中时，其中所分析模型混凝土保护层厚度c=25 mm,d=20 mm，使用C30 混凝土。

在钢筋生锈膨胀的初始阶段， 在孔的半径方向上，对混凝土施加的最大主应力进行了分析，结果表明：腐蚀后的钢筋在孔的周围是最大主应力，并从孔的内侧开始，随着时间的推移，最大主应力会越来越小，直至趋于0。在此基础上，提出了在最大主应力范围内，最大主应力值在0 以上为拉伸，而在0 以下为压缩。 在钢筋生锈膨胀力的影响下，靠近空腔的混凝土会产生环向拉力，且环向拉应力比较均匀，而距离空腔较远的地方，则会产生近似于0 的应力，也就是说，对于空腔内的钢筋生锈膨胀力影响不大。 因腐蚀后的钢筋孔洞周围混凝土对腐蚀产物的体积收缩限制作用差异， 使腐蚀后的钢筋保护层区最大主应力呈现增加的态势， 而最大主应力出现在腐蚀后的内缘， 说明腐蚀后的钢筋保护层区是腐蚀后裂纹发展的最弱环节。 随着钢筋锈胀力的增加，在混凝土最大主拉应力达到其材料的抗拉强度后， 在孔洞正下方的内边缘位置的混凝土会率先出现裂纹， 在混凝土出现裂纹后， 最大主拉应力会在一瞬间降低到接近于0，这说明在该位置的混凝土已彻底丧失了抗拉能力。 然后，腐蚀后的钢筋孔内侧的上端及左右两边的混凝土也相继出现裂纹。 伴随着锈胀力的增加，裂缝由孔洞内边缘向外持续扩展， 与孔洞下部垂直裂缝向混凝土保护层外表面的扩展速度相比较， 孔洞水平向和上部裂缝扩展比较慢。

2.2 单根锈蚀钢筋位于角部

对处于角部的单根锈蚀钢筋，因为锈蚀产物体积膨胀而引起的混凝土保护层胀裂破坏过程展开了数字仿真，为当单根锈蚀钢筋处于角部时，其中所分析模型混凝土保护层厚度c=25 mm,d=20 mm，使用C30 混凝土。

在钢筋生锈膨胀的初始阶段， 在空穴的半径内压下，为混凝土施加的最大主应力的分布图，从图可见，在腐蚀的钢筋空穴周围，最大主应力是从空穴的内侧开始的，直至趋于0。 在腐蚀膨胀力的影响下，靠近空腔的混凝土会产生环向拉力， 且环向拉应力较均匀；而距离空腔较远的空腔内，则会产生近似于0 的应力，对空腔内的钢筋腐蚀膨胀力影响不大。 因腐蚀后的钢筋孔洞周围的混凝土对腐蚀产物的体积收缩的限制作用， 导致最大主应力在孔洞左边和下面的混凝土保护层中出现， 最大主应力出现在腐蚀后的孔洞内侧，由此可得，腐蚀后钢筋孔洞左边的保护层是腐蚀后裂缝最薄弱的地方。 当钢筋锈胀力持续增加，当混凝土最大主拉应力达到其物质的抗拉强度时，锈蚀钢筋孔洞内边缘位置的混凝土会率先出现裂纹，裂纹的位置会在孔洞正下方、左侧水平向和右上方的内边缘处出现裂纹，如在混凝土出现裂纹后，最大主拉应力会在一瞬间降低为接近于0，这说明在该位置处的混凝土已丧失了抗拉能力，从而停止工作。 之后，裂纹从孔洞内边缘持续向外扩展，因为锈蚀的钢筋孔洞左边和底部的混凝土保护层对钢筋锈胀作用的约束是一样的，所以，在钢筋孔洞下面的垂直裂缝和左边的水平向裂缝向混凝土保护层外表面的扩展速度几乎是一样。

3 单根锈蚀钢筋引起的混凝土保护层胀裂影响因素分析

3.1 混凝土抗拉强度

为研究混凝土抗拉强度对混凝土保护层因钢筋锈蚀而胀裂破坏时临界锈胀力（q）大小的影响进行，构建了三组不同混凝土保护层厚度与锈蚀钢筋直径比值c/d 单根锈蚀钢筋位于元件边中情况下的混凝土模型，在每组模型中，混凝土保护层厚度c 和钢筋直径d 都保持不变，只对混凝土抗拉强度进行变化，具体结果如表1 所示。在此基础上，将受腐蚀的钢筋直径与其防护层比c/d 确定为相对防护层厚。

表1 不同混凝土抗拉强度（ft）下单根锈蚀钢筋位于构件边中情况下的钢筋临界锈胀力（q）

图1是在三套相应的防护层的相对厚度c/d 下，当混凝土防护层发生膨胀开裂时， 其临界腐蚀膨胀能力与混凝土拉伸强度间的关系。

图1 单根边中锈蚀钢筋临界锈胀力（q）与混凝土抗拉强度（ft）关系

从图1 可知，在锈蚀钢筋直径相同的条件下，钢筋的临界锈胀力会随着混凝土抗拉强度的升高，呈现出正相关的增加。 这是由于当锈蚀钢筋的体积持续向外扩张时，会挤压钢筋周边的混凝土，进而导致钢筋周边混凝土受到环向拉应力的影响，因此，混凝土的抗拉强度越大， 就会更难使混凝土出现受拉裂纹。 结果表明，增加混凝土的拉伸强度可显著增加其耐久性能。

3.2 混凝土相对保护层厚度

针对防护层胀裂失效时，混凝土防护层的相对厚度对其极限腐蚀能力的影响，本项目拟通过构建一种具有不同防护层的单一腐蚀钢筋布置在杆件边缘处的计算方法， 在保证其抗张强度等的前提下，分析其腐蚀能力。

从实践中可得， 当腐蚀钢筋的直径相同时，随着混凝土保护层厚度的增加， 在腐蚀钢筋的周围，腐蚀钢筋对腐蚀膨胀的约束就会变得更强， 同时，其环向刚度也会变得更高，这样就会使得保护层的混凝土更难被拉伸而开裂。在具有同样的混凝土保护层厚度的条件下，当锈蚀钢筋直径较大时，在混凝土保护层胀裂破坏时的钢筋临界锈胀力就会较低，这是由于锈蚀钢筋直径较大，在混凝土保护层胀裂破坏时所需的钢筋锈蚀产物的锈层厚度就会较小，而钢筋锈蚀率就会较低。

图2中显示了在混凝土保护层膨胀开裂失效时，随着混凝土保护层的相对厚度c/d，钢筋的临界腐蚀膨胀能力随混凝土保护层的膨胀开裂而变化。结果表明：随着防护层厚度的增加，混凝土的极限腐蚀膨胀力值几乎是直线上升的。

图2 钢筋临界锈胀力（q）与相对保护层厚度（c/d）关系

3.3 锈蚀钢筋位置

在混凝土保护层厚度c、锈蚀钢筋直径d 和混凝土抗拉强度相同时，与位于构件边中的单根锈蚀钢筋所造成的混凝土保护层胀裂所需的临界锈胀力较低，并且二者比值接近0.9。这是由于在结构的拐角位置，单个腐蚀钢筋周围的混凝土对腐蚀膨胀的限制作用很小，从而导致产生保护层的裂缝。

4 结论

（1）腐蚀钢筋的方位对防护层的膨胀开裂损伤有一定的影响：在同样情况下，腐蚀钢筋处于构件的侧面中时易出现沿腐蚀钢筋的膨胀开裂，腐蚀钢筋处于构件的拐角部位时则易出现开裂；当锈蚀钢筋处于构件拐角位置时，其周围的混凝土对其受腐蚀膨胀的限制相对较弱，因此，保护层会更易产生膨胀开裂。

（2）当混凝土的抗拉强度较高时，防护层的相对厚度较大时， 钢筋的极限锈蚀膨胀系数较高，防护层的膨胀开裂可能性越小。 所以，增加防护层厚度，提高混凝土的抗拉力，及使用更细的钢筋对提高混凝土的耐久性都是有益的。

（3）通过与现有实验数据的比较，发现所建立的关于单一腐蚀钢筋造成防护层膨胀开裂时的临界腐蚀膨胀力的计算模型是正确的，从而证实了所建立的计算方法是合理和可靠的。