钢筋混凝土锈胀开裂研究现状

李润宇

华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 510641

引言

混凝土是目前应用最广泛的建筑结构材料，钢筋混凝土结构则是当前土木工程领域应用最频繁的结构，不论是海底隧道、房屋住宅抑或是道路桥梁，都可以发现钢筋混凝土的大量使用。同时，在海洋环境、盐碱地带等使用场景中钢筋混凝土也常常充当大规模开发的基础材料。

在腐蚀环境下服役的钢筋混凝土结构中，钢筋锈蚀是造成结构耐久性不足的主要外在因素。通常情况下，混凝土内部的钢筋会受到表面稳定的惰性氧化膜的保护而不发生锈蚀。然而，钝化膜可能会因为氯化物的侵蚀而受损。一旦钢发生去钝化反应，在有足够的水分和氧气的情况下就会开始发生腐蚀反应。随着钢的消耗，腐蚀产物逐渐形成并膨胀，使得钢筋周围的混凝土承受径向压力，并进一步在混凝土保护层中产生拉应力。一旦应力达到混凝土的抗拉强度，结构就会形成裂缝，并最终导致保护层的分层或剥落。

1 理论研究

在钢筋混凝土锈胀开裂的理论模型中，大多数都由弹性力学解下的厚壁圆筒模型推导得到。在厚壁圆筒模型中，钢筋周围的混凝土被简化为空心圆柱体结构，其壁厚等于钢筋周围所有侧面的最小保护层厚度。该模型假定钢筋锈蚀均匀，通过将均匀的锈胀压力或位移边界作用在空心圆柱体的内边界，模拟锈蚀产物的膨胀和对混凝土的挤压作用。1979年，Bažant[1]基于电化学原理，提出了海洋环境下服役的钢筋混凝土结构锈蚀的平面应力物理模型，并分析了保护层开裂的两种破坏模式——顺筋破坏和分层破坏。1998年，Liu等人[2]在没有考虑开裂混凝土的剩余刚度的前提下，假设钢筋周围混凝土在保护层开裂破坏时，各点环向应力在同一时刻达到抗拉强度，由平衡条件计算得到破坏时刻下的锈胀力。2001年，Pantazopoulou等人[3]将混凝土假设为各向异性材料，通过对由钢筋径向位移表示的控制方程用有限差分法进行离散，给出了保护层开裂的临界锈蚀质量估计式。2005年，Bhargava等人[4]将混凝土与锈蚀产物视为一个整体，具有相同的弹性模量与泊松比，求解了由径向位移边界表示的边值问题，提出了预测保护层开裂时间的模型。2007年，Maaddawy等人[5]基于法拉第定律建立了钢筋的质量损失与界面锈胀压力的关系，预测了锈胀开裂的时间。2010年，Chernin等[6]采用双层厚壁圆筒模型，将混凝土划分为已经开裂和尚未开裂的两部分，假设了沿半径方向变化的环向弹性模量来考虑裂缝扩展的情况。

尽管与相关领域文献中的实验结果相比，上述分析模型在开裂时间或开裂时的钢材损失量上可以获得相当的一致性，但上述模型均具有一个共同特点，即将裂缝的影响弥散在整个圆周上，假设应力和裂缝沿混凝土周向均匀分布，这显然无法捕捉到裂缝的局部化机制，也就无法合理地描述裂缝的开展方式。同时，理论模型较为复杂且许多参数（如钢筋-混凝土界面的空隙厚度与氧化产物的体积膨胀率等）尚未有明确取值，这也降低了理论公式的实用性。

2 试验研究

由于自然环境中的钢筋混凝土锈胀开裂的发生通常需要较长时间（几年到几十年不等），自然环境下的锈胀开裂试验需要耗费大量的人力物力，因此学界常采用通电加速锈蚀方法、机械加压扩孔模拟膨胀及人工气候加速试验方法来等效考虑自然环境下的钢筋锈蚀膨胀作用，试验目标主要集中在研究锈胀开裂的裂缝开展方式、裂缝宽度及试件开裂时间的变化规律。

1993年，Andrade等[7]进行了钢筋通电加速锈蚀试验，发现仅需要很小的锈蚀量便可以使混凝土保护层产生宽度约为0.1mm的微裂缝，并且基于法拉第定律给出了锈蚀深度与时间的计算公式。1998年，Alonso等[8]也通过通电加速锈蚀的方式讨论了不同的保护层厚度与钢筋直径的比值c/d和钢筋浇筑的位置对保护层开裂的影响。2000年，Williamson等[9]对混凝土试件进行钻孔，通过对孔边进行加压模拟锈蚀产物膨胀，观察了不同的保护层厚度与钢筋直径比值c/d下的构件裂缝开展方式以及最大锈胀压力的变化。2007年，袁迎曙等[10]基于人工气候加速试验，对加速锈蚀的试件进行了切面观察，发现了锈蚀主要发生在钢筋面临保护层的一侧半圆周上，且产物呈现半椭圆分布。2011年，Tran等[11]通过人工气候加速试验，记录了裂缝的开展方式和裂缝宽度的变化。2012年，姬永生等[12]进行了通直流电加速试验方法与人工气候加速试验方法的对比试验，提出通直流电模拟锈蚀状态下的产物分布近似于均匀分布，而人工气候加速试验方法下的产物分布为非均匀分布，与自然锈蚀状态下的情况相近。2017年，Perdrosa等[13]进行了恒电流加速腐蚀试验，考虑不同电流密度对腐蚀速率和裂缝开展的影响，给出了裂纹宽度随腐蚀速率的关系式。

需要指出的是，由于通电锈蚀及人工环境加速锈蚀都涉及锈蚀产物的生成与膨胀，而锈蚀产物往往会填充到混凝土的微孔洞与裂缝中，这将对钢筋混凝土锈胀开裂的试验分析及数值模拟造成较大影响，而这种影响又是较难量化与估计的。同时，钢筋混凝土锈胀开裂试验涉及混凝土的材料掺和比、相对保护层厚度、钢筋尺寸及位置、环境介质浓度、电流大小等多种因素，这也导致了不同学者所得到的试验结果一致性较差[14]。

3 数值模拟

20世纪以来，随着计算机技术的飞速发展，具有可重复性高、成本低、分析效率高、可排除偶然因素对结果的影响等诸多优点的数值模拟正逐渐成为分析钢筋混凝土锈胀开裂破坏的有力工具。

在考虑锈蚀产物的对混凝土的挤压作用时，国内外学者主要通过在钢筋-混凝土界面上施加径向位移边界、径向压力以及温度膨胀等形式来等效氧化产物的膨胀效应，从而得到混凝土的开裂发展规律及结构响应。

1992年，Dagher[15]等采用弥散裂缝模型，通过施加节点位移来模拟锈蚀产物的体积膨胀导致的混凝土破坏过程。1999年，张伟平[16]将锈蚀产物的体积膨胀作用等效为温度膨胀环，通过改变膨胀环的厚度来考虑不同程度的锈蚀，同时也讨论了不同保护层厚度和钢筋半径及钢筋位置对锈胀力的影响。2011年，Tran[17]等基于刚体弹簧法（RBSM），将钢筋混凝土分为三相材料来模拟钢筋腐蚀引起的裂缝开展。2012年，邱兆国[18]等基于塑性损伤理论，通过等效的位移边界来考虑钢筋的锈胀作用，分析了保护层厚度及钢筋直径对临界锈蚀率的影响。2013年，朱杰[19]等基于非均匀锈胀理论，采用扩展有限元方法（XFEM）建立了钢筋混凝土锈胀开裂模型，发现预裂纹的产生抑制了混凝土的起裂。2017年，汪奔[20]等基于商用软件Abaqus和等效锈胀位移边界建立了钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀的混凝土开裂模型，并发现保护层发生内裂时，非均匀锈蚀下的临界锈蚀位移要远大于均匀锈蚀下的情况。2019年，王坤[21]等基于黏聚力单元建立了钢筋混凝土锈胀开裂模型，讨论了箍筋、保护层厚度等参数对裂缝开展的影响。2020年，胡志坚[22]等基于塑性损伤理论，采用有限元软件Abaqus模拟了锈胀产物的均匀膨胀，建立了最大锈胀力的计算公式。上述数值模拟中涉及的固体开裂模拟方法大多数都需要网格重划分或预定义的裂纹扩展路径，这极大地限制了其在钢筋锈胀等复杂作用下结构开裂损伤问题中的应用。

上述模型大多属于在力场作用下的锈胀开裂模型，然而钢筋混凝土锈胀开裂问题本身是一个涉及力场、化学扩散及电化学过程的多场耦合问题。有害介质的扩散引起了腐蚀反应的发生，进而改变了混凝土力场的分布，并最终导致了裂缝的开展；裂缝的开展同时加速了有害介质的化学扩散作用，也降低了材料的力学性能。该耦合影响机制将加速结构的开裂破坏，降低结构的使用寿命。当前，能够合理考虑不同物理场之间的复杂耦合关系与影响机制的数值模型相对较少。

4 结束语

尽管相对于试验研究及理论研究，数值模拟能够以低成本、分析效率高等优点更好地分析钢筋混凝土锈胀开裂问题，当前的数值模型并不能合理考虑该问题涉及的多物理场耦合背景。因此，开展多物理场耦合作用下的钢筋混凝土锈胀开裂数值模拟具有重要意义，亟须提出能够合理考虑多物理场复杂相互作用的钢筋混凝土锈胀开裂数值模型。