钢筋混凝土结构去钝化过程的研究

崔宝慧 徐 立

(1.淮安经济技术开发区经济发展总公司 江苏 淮安)(2.国网四川省电力公司天府新区供电公司 四川 成都 610000)

钢筋混凝土结构去钝化过程的研究

崔宝慧1徐 立2

(1.淮安经济技术开发区经济发展总公司 江苏 淮安)(2.国网四川省电力公司天府新区供电公司 四川 成都 610000)

以COMSOL Multiphysics大型多物理场耦合有限元软件为媒介，将温度传递和水分运输等过程进行多场耦合，模拟了钢筋去钝化前的过程。

温度传递;水分运输;多场耦合;去钝化

一、研究背景

钢筋混凝土结构的腐蚀过程可分为介质侵蚀、钢筋腐蚀膨胀和保护层开裂三个阶段。钢筋腐蚀膨胀过程研究集中于钢筋腐蚀速率和腐蚀产物形状分布等;保护层开裂过程研究集中于钢筋腐蚀开裂的临界腐蚀量和混凝土保护层的极限裂缝宽度等。

二、多场耦合模型

混凝土中的钢筋表面覆有一层钝化膜，其功能主要是抑制钢筋的锈蚀。随着腐蚀过程的进行，在钢筋周向将形成腐蚀产物，会对周围混凝土产生膨胀压力，并造成混凝土保护层开裂。

(一)侵蚀模型

本文考虑温度传递和水分运输过程，建立相应的偏微分方程，通过求解偏微分方程组实现不同过程的多场耦合。

1.热传递方程

将质量守恒定律与傅里叶传热定律结合，可描述混凝土结构的温度分布:

式中:ρco为混凝土密度，2450kg/m3;cq为混凝土比热容，960J/(mol·K);λ为混凝土导热系数，2.94W/(m·K);T为混凝土内部温度，K。

2.水分运输过程

将质量守恒定律和广义达西定律相结合，可描述混凝土结构中的水分分布:

式中:itotal为总体腐蚀电流密度，A/m2;t1为钢筋腐蚀开始的时间，s;AFe为铁原子量，55.85g/mol;ZFe为阳极反应化合价，2;ρs为钢筋密度，7800kg/m3。

不同锈蚀产物的体积膨胀率β取值各不相同，本文依据Kumiko Suda的试验研究［1］，取β=3。不计腐蚀产物和钢筋之间的压缩变形，腐蚀层厚度r2(m)表达式为:

三、求解

对于偏微分方程的耦合，国内外学者多采用有限元法和有限差分法，通过编写程序完成。步骤复杂且可操作性差。本文基于COMSOL Multiphysics的数学模块，通过直接自定义偏微分方程、初始条件和边界条件来建立一个App应用程序。在程序的建模、计算和可视化方面，可直接借助COMSOL软件的前处理模块、求解器模块和后处理模块，简单方便且保证精度。

基于COMSOL Multiphysics软件，针对本文模型，将热传递、水分运输偏微分方程进行耦合求解，得到不同时刻不同位置的氯离子侵蚀浓度;将不同时刻的腐蚀产物分布作为位移载荷，模拟相应时刻的开裂情况，确定混凝土结构耐久性失效的时间。

四、建模

对于钢筋/混凝土边界的电化学边界条件，采用通量形式定义［2］。

式中:Dh为水分扩散系数，m2/s;θw为孔隙水体积分数;h为孔隙相对湿度。

(二)腐蚀开裂模型

根据法拉第定律，沿钢筋周向的钢筋半径减小值r1表达式为:本文添加两个辅助函数u1(Cc)和u2(Cc)［2］，形式如下:

图1 钢筋腐蚀率时程曲线

图2 面主应力分布时程图

钢筋腐蚀率随时间变化情况见图1，其近似成线性分布，且后期腐蚀率逐渐趋于平稳。从第5.1年的腐蚀开始，到全截面腐蚀的第47.6年，腐蚀率增加到了5.047%，对结构造成了显著的影响。

图2描述了面主应力的分布情况，沿钢筋环向的深红色线条代表最大主应力［3］，色泽越浅的线条其主应力也越小。由于混凝土裂缝出现的随机性和突发性，以主应力大小来反映裂缝出现的概率更加符合工程实际。

五、结论

基于COMSOL软件，考虑水分运输、温度传递和氯离子运输的多场耦合，可较准确的预测出钢筋去钝化并开始腐蚀的时间。对于电化学腐蚀，很多学者均假定活化区/钝化区比为定值，本文考虑活化区/钝化区比的连续变化过程，模拟得到的钢筋腐蚀过程更符合实际情况。

［1］ Zhang R，Castel A，Fran?ois R.Concrete cover cracking with reinforcement corrosion of RC beam during chloride－induced corrosion process［J］.Cement and Concrete Research，2010，40(3):415 －425.

［2］ Crete D.General Guidelines for Durability Design and Redesign［S］ ［J］.The European Union － Brite Eu Ram III，Project No.BE95 －1347:Probabilistic Performance Based Durability Design of Concrete Structures，Document，2000，15.

［3］姬永生，袁迎曙.恒定气候混凝土内钢筋锈蚀速率的时变特征与机理［J］.中国矿业大学学报，2007，36(2):153－158.

［4］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.

崔宝慧 (1988－)，女，汉，山东青岛平度市，助理工程师，硕士研究生，淮安经济技术开发区经济发展总公司;徐立 (1991－)，男，汉族，山东青岛，硕士，国网四川省电力公司天府新区供电公司，结构工程。