钢筋混凝土结构锈胀开裂试验及仿真研究

赵丹会，张淑华，兰 让，周静姝

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

钢筋混凝土结构锈胀开裂试验及仿真研究

赵丹会，张淑华，兰 让，周静姝

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

以高桩码头中腐蚀开裂最具代表性的纵梁作为试验对象，采用加速腐蚀设备对试验梁进行加速腐蚀，应用CT扫描检测技术对切割后的腐蚀开裂梁进行断层扫描，得出锈蚀深度及锈蚀率与裂缝宽度之间的关系。在试验的基础上，基于扩展有限元法，分别改变保护层厚度和钢筋直径，对锈蚀深度与裂缝宽度的关系进行参数敏感性分析，从而推导出锈蚀率与裂缝宽度之间的经验公式。结果表明：保护层厚度越大，抗开裂能力越大；不同钢筋直径对应的锈蚀深度与裂缝宽度间均存在线性关系，但直线斜率并无明显变化；当裂缝宽度小于0.4 mm时，基于仿真研究得到的经验公式与试验结果吻合较好。

钢筋锈蚀；裂缝宽度；加速腐蚀试验；扩展有限元

钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素之一，工程中由于钢筋锈蚀引起结构整体破坏的实例不胜枚举。国内外学者对锈胀开裂问题开展了大量的研究［1-7］，但很少直接给出裂缝宽度与锈蚀率之间的关系式。本文基于前人的研究经验，首先通过加速腐蚀试验和CT扫描检测技术，得出锈蚀深度及锈蚀率与裂缝宽度间的关系，然后在试验的基础上，基于扩展有限元法［8-11］和混凝土粘聚力本构模型，利用ABAQUS建立相关的模型研究不同参数对锈胀裂缝宽度和锈蚀深度间关系的影响，最后依据参数敏感性分析结果推导出锈蚀率与裂缝宽度之间的经验公式，为钢筋混凝土结构的耐久性研究提供一定的理论参考。

1 混凝土保护层锈胀开裂试验设计

试验过程设计如下：试验材料选择—试验梁的制备—进行加速腐蚀试验—截取部分腐蚀构件—CT扫描—试验数据采集—分析试验结果。

本文以实际高桩码头中腐蚀开裂最具代表性的纵梁作为试验对象，考虑到实验室试验条件，试件按相似理论进行缩小。试验梁设计尺寸为：长1 500 mm×宽150 mm×高250 mm，按适筋原则进行配筋，主筋采用Φ12Ⅱ级光圆钢筋，架立筋和箍筋为φ10钢筋，试件数量为30个，试验梁构造如图1所示。

1.1 试验梁的制备

试验梁的制备主要包括绑扎钢筋笼、立模、浇注、脱模、养护5个过程。本试验试件梁均采用C30混凝土浇筑成型，混凝土浇筑过程中采用振捣棒振捣密实，试件梁浇筑完成20 h进行脱摸，脱模后的试件放入养护池中覆盖养护，每天浇水两次，持续30 d。

图1 试验梁构造图Fig.1 Structure diagram of test beam

1.2 加速腐蚀试验

加速腐蚀试验的目的是在规定的时间内制作达到腐蚀等级要求的钢筋混凝土构件。待试件梁浸水养护30 d后，将试件放入腐蚀池中，如图2所示连接导线，形成加速腐蚀电路。

本试验采用加速腐蚀设备，可同时对多根试件进行独立的电化学通电，通过调节腐蚀池中的水位，实现试件的干湿循环，干湿循环频率为湿一天、干两天，以使试件接触足够的氧气和水，进一步加速腐蚀过程。试验加速腐蚀过程中，主筋电流强度为600 mA，并且在腐蚀池中加入了适量的工业海盐，以提高导电效率，试件梁加速腐蚀试验装置如图3所示。

1.3 试验结果

为了获得试件的腐蚀结果，对腐蚀等级达到要求的试验梁进行切割，剥开混凝土保护层，钢筋的锈蚀程度如图4所示。

通过CT扫描技术［12］，在电压120 kV，电流440 mA条件下，获取各试验梁段的CT图像，为了能够掌握每个试件各个部位的损伤发展情况，将试件均匀设置6个扫描层，每个试件扫描6次，结果取其平均值，试件断面扫描图像如图5所示。

通过对CT技术扫描得到的试件梁的断层图像研究发现，钢筋的锈蚀基本为均匀性锈蚀，试验结果为后文的研究提供了依据。

图2 试件梁加速腐蚀电路Fig.2 Specimen beams accelerated corrosion circuit

图3 试件梁加速腐蚀试验装置示意图Fig.3 Specimen beams accelerated corrosion test device schematic diagram

1.4 结果分析

1.4.1 锈蚀深度与裂缝宽度的关系

通过分析试验结果，得到混凝土保护层厚度分别为25 mm和30 mm，钢筋直径为12 mm的试件的锈蚀深度与对应混凝土表面裂缝宽度的关系曲线，如图6所示。

由图6分析可得，随着锈蚀深度的增加，保护层厚度为25 mm的试件首先出现裂缝，这是由于混凝土抵抗钢筋膨胀的能力与保护层厚度有关，保护层厚度越大，提供的抗裂能力越大。混凝土开裂后，保护层厚度为30 mm的试件开始裂缝扩展速率较慢，但当锈蚀深度大于0.84 mm时，由于钢筋与外界环境的接触面积突然增大，导致钢筋的锈蚀速度急剧加快，从而使锈蚀膨胀力不断增大，导致裂缝宽度不断增加。而保护层厚度为25 mm的试件，虽然保护层厚度较小，抗裂能力较小，但钢筋锈蚀的速度小于钢筋锈蚀附着物沿着裂缝流失的速度，导致锈胀力变化较小，因此，裂缝宽度增长较慢。

由上述试验结果可知，在一定范围内，保护层厚度越大，提供的抗裂能力越大。因此，增加混凝土结构保护层厚度能够提高其抵抗外界不良因素的侵蚀，提高结构耐久性。

1.4.2 锈蚀率与裂缝宽度的关系

对试验结果进行统计分析得到数据如表1所示。

分析表1中的数据可以得到锈蚀率与裂缝宽度的拟合关系曲线，如图7所示。

由图7可知，锈蚀率与混凝土表面裂缝宽度之间存在着明显的线性关系。为了更加直观的描述锈蚀率与表面裂缝宽度的相关性，对试验结果进行回归分析，得到表面裂缝宽度与锈蚀率的关系为

图4 钢筋锈蚀程度Fig.4 Degree of reinforcement corrosion

图5 试件断面扫描图Fig.5 Specimen section scan

图6 锈蚀深度与裂缝宽度的关系Fig.6 Relationship between radial expansion displacement and crack width

图7 锈蚀率与裂缝宽度的关系Fig.7 Relationship between reinforcement corrosion rate and crack

式中：β′为锈蚀率，w为裂缝宽度。

公式（1）为研究锈蚀率与裂缝宽度的关系提供了一种有效方法。

锈蚀率与裂缝宽度的关系受到多种因素的影响，由于试验条件的限制，公式（1）是在保护层厚度、混凝土强度和钢筋直径一定的条件下得到的，因此适用范围较小，为了得到更加普遍的关系，下文进行参数敏感性分析的仿真研究。

表1 试验结果Tab.1 The test and calculation results

2 仿真研究

本节在试验的基础上，基于扩展有限元法，利用ABAQUS建立相关的模型，研究不同参数对锈胀裂缝宽度和锈蚀深度间关系的影响，从而推导出裂缝宽度与锈蚀率之间关系的经验公式，为钢筋混凝土结构的耐久性研究提供一定的理论参考。

2.1 模型建立

由1.3节的试验结果可知，钢筋沿轴向锈蚀均匀，可将锈胀开裂简化为平面应变问题进行处理。本文混凝土单元采用CPE4单元分析，材料属性如表2所示。钢筋锈胀作用力等效为位移载荷。施加载荷的方式为沿钢筋周围混凝土单元均匀施加位移荷载，仿真模型如图8所示。

2.2 模型验证

根据建立的数值模型得到不同锈蚀深度下裂缝宽度的值，结果如表3所示。

本节主要研究保护层厚度和钢筋直径对锈蚀深度和裂缝宽度关系的影响。为了验证数值模型的合理性，将上述锈胀开裂过程的数值模拟结果与试验结果进行对比分析，两者之间的关系如图9所示。

由图9可知，通过扩展有限元法模拟锈蚀深度和裂缝宽度的关系与实验得到的结果基本一致。因此，应用扩展有限元的方法模拟钢筋锈胀开裂过程是合理可行的。

表2 混凝土单元材料属性Tab.2 Material properties of concrete unit

图8 仿真模型Fig.8 The simulation model

表3 仿真模拟结果Tab.3 The result of simulation

2.3 参数敏感性分析

采用上述仿真方法研究混凝土结构锈胀开裂的过程，结果表明：钢筋膨胀首先使得周围混凝土开始屈服，然后在混凝土的表面出现细微裂纹，随着钢筋锈蚀量的不断增加，表面裂缝不断向里扩展，裂缝宽度不断增大。由于混凝土结构在钢筋锈蚀膨胀开裂的全过程受到多种因素的共同作用，为了研究不同因素对锈蚀深度和裂缝宽度之间关系的影响，分别改变保护层厚度和钢筋直径，对锈蚀深度与裂缝宽度的关系进行参数敏感性分析，具体参数设置见表4～表5。

2.3.1 保护层厚度的影响

不同保护层厚度下锈蚀深度与混凝土裂缝宽度的关系如图10所示。

通过分析图10中锈蚀深度与裂缝宽度的关系得出：当裂缝宽度较小时，锈蚀深度与裂缝宽度之间存在着线性关系，并且随着保护层厚度的增加，锈蚀深度与裂缝宽度的比值逐渐减小，即一定条件下，保护层厚度越大，提供的抗裂能力越大，钢筋膨胀速率越小，仿真模拟结果与试验结果一致，结果均表明：在一定范围内，增加混凝土结构保护层厚度能够提高其抵抗外界不良因素的侵蚀，提高结构的耐久性。

2.3.2 钢筋直径的影响

在仿真模拟中，针对试验梁尺寸，保证混凝土强度和保护层厚度不变，得到不同钢筋直径下锈蚀深度与裂缝宽度的关系，如图11所示。

图9 仿真模拟结果与试验结果的对比Fig.9 Comparison of simulation and experimental results

表4 不同保护层厚度下参数设置Tab.4 Parameter settings of different thickness of concrete cover

表5 不同钢筋直径下参数设置Tab.5 Parameter settings of different bar diameter

上述结果表明：保护层厚度、混凝土强度一定的条件下，不同钢筋直径对应的锈蚀深度与裂缝宽度间均存在线性关系，但直线斜率并无明显变化，说明钢筋直径对锈蚀深度与裂缝宽度的关系影响不大。因此，当保护层厚度和混凝土强度一定时，锈蚀深度与裂缝宽度关系可表示为

式中：δc为锈蚀深度，mm；w为裂缝宽度，mm，线性系数k约为0.65。

2.4 锈蚀率与裂缝宽度关系的经验公式的推导

由2.3节试验结果可知，钢筋锈蚀基本为均匀锈蚀，从而对钢筋均匀锈胀模型的受力分析进行简化，简化模型如图12所示。图中，R0为钢筋初始半径，R1为剩余钢筋截面的半径，R2为锈胀产物的外径。

假设钢筋锈胀产物的体积为原钢筋锈蚀体积的倍，则

而钢筋锈蚀率为

将公式（4）代入公式（3）得

令δ=R2-R0，则δ为钢筋锈蚀产生的锈蚀深度，式（5）转化为

则钢筋锈蚀产生的锈蚀深度与锈蚀率的关系为

通常钢筋的锈胀率较小，公式（6）简化为

图10 不同保护层厚度下锈蚀深度与裂缝宽度的关系Fig.10 Relationship between radial expansion displacement and crack width of different thickness of concrete cover

图11 不同钢筋直径下锈蚀深度与裂缝宽度的关系Fig.11 Relationship between radial expansion displacement and crack width of different bar diameter

图12 钢筋锈胀变形模型Fig.12 Steel rust expansion deformation model

令初始钢筋与混凝土间的间隙为δ0（取值范围通常在0.015～0.02 mm），钢筋的锈蚀产物首先填满这一区域，随后膨胀对混凝土产生挤压作用，因此，钢筋锈蚀产生的总锈蚀深度为

将公式（9）代入式（8）可得锈蚀深度与锈蚀率的关系

将式（2）代入式（10），则裂缝宽度与锈蚀率的关系可表示为

式中：k=0.65，δ0=0.018 mm，国内外学者研究表明混凝土中钢筋锈蚀后，其锈胀产物约为被锈蚀原钢材锈蚀体积的2～4倍［13］，基于试验结果本文α取3，则

式中：D为钢筋直径，mm；w为裂缝宽度，mm。

以上在仿真模拟的基础上建立的经验公式是在保护层厚度一定、钢筋锈蚀不是特别严重的情况下的裂缝宽度与钢筋锈蚀率之间的关系。

2.5 经验公式的验证

将D=12 mm代入公式（12），计算得到的锈蚀率与锈胀开裂试验结果对比，如图13所示。

从图13可以得出，当裂缝宽度大于0.4 mm时，基于仿真研究得到的锈蚀率与裂缝宽度的关系与试验结果偏差较大，但当裂缝宽度较小时，公式（12）计算结果与试验结果吻合较好。因此，当裂缝宽度较小时，公式（12）适用。

图13 理论计算与试验结果对比关系Fig.13 Relationship between the results of theoretical calculation and test

3 结论

本文通过加速腐蚀试验和数值仿真对钢筋混凝土结构的锈胀开裂过程进行了研究，得到以下结论：（1）通过分析CT扫描的试件梁的断层图像可知，钢筋的锈蚀基本为均匀性锈蚀。（2）对比分析仿真模拟结果与试验结果，验证了扩展有限单元法模拟钢筋锈胀开裂的过程是合理可行的。（3）当裂缝宽度较小时，不同钢筋直径对应的锈蚀深度与裂缝宽度间均存在线性关系，但直线斜率并无明显变化；在混凝土强度一定条件下，保护层厚度越大，混凝土锈蚀深度与表面裂缝宽度的比值越小，提供的抗裂能力越大，与试验结果一致。因此，在一定范围内，增加混凝土结构保护层厚度能够提高其抗裂能力，从而抵抗外界不良因素的侵蚀，提高结构耐久性。（4）基于仿真研究得到的锈蚀率与裂缝宽度关系的经验公式适用于裂缝宽度小于0.4 mm的情况。

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Corrosive cracking test and simulation study of reinforced concrete structures

ZHAO Dan-hui，ZHANG Shu-hua，LAN Rang，ZHOU Jing-shu
（College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China）

The longitudinal beam in high pile wharf was chosen to perform the test for its high representative in corrosion cracking.An accelerated corrosion equipment was used to conduct the accelerated corrosion test,when the beam has cracked,it was cut to be scanned by the CT scanning detection technology and the relationship between the corrosion depth or reinforcement corrosion rate and crack width was obtained.On the basis of the experiment,parameters sensitivity analysis between the corrosion depth and crack width was studied by changing the diameter of rebar and thickness of concrete cover respectively with the extended finite element method，and an empirical formula between corrosion rate and crack width was derived.The results show that：the resistance to cracking grows when the thickness of the protective layer gets larger,for different bar diameters,the corrosion depth and crack width keep a linear relationship with no obvious change in the straight line slope and when the crack width is less than 0.4 mm,the empirical formula obtained from the simulation agrees well with the test results.

reinforcement corrosion；crack width；accelerated corrosion test；extended finite element

TV 332.12

A

1005-8443（2017）01-0066-06

2016-08-29；

2016-10-18

赵丹会（1990-），女，河南周口人，硕士研究生，主要从事港口、海岸及近海工程专业研究。

Biography：ZHAO Dan-hui（1990-），female，master student.