第6章-混凝土中钢筋锈胀损伤全过程

1混凝土中钢筋锈胀损伤全过程混凝土中钢筋锈胀损伤全过程预测与数值模拟预测与数值模拟混凝土中钢筋锈胀损伤全过程混凝土中钢筋锈胀损伤全过程预测与数值模拟预测与数值模拟同济大学建筑工程系2014.4混凝土中钢筋锈胀损伤全过程预测与数值模拟混凝土中钢筋锈胀损伤全过程预测与数值模拟一、钢筋锈蚀的起因二、钢筋锈蚀的工程实例分析三、混凝土中钢筋锈蚀的机理四、混凝土中钢筋锈蚀的影响因素五、钢筋锈蚀引起的混凝土胀裂过程六混凝土中钢筋锈蚀率的预测2六、混凝土中钢筋锈蚀率的预测2一、钢筋锈蚀的起因裸露钢筋停建工程钢筋堆场外露钢筋构件酸性液体酸性气体酸性固体钢筋锈蚀筋混凝外露钢筋构件混凝土中性化内掺海砂海水减水剂粉煤灰微生物腐蚀3土中钢筋氯盐侵蚀杂散电流外渗化冰盐海洋环境盐湖盐碱地工业环境粉煤灰二、钢筋锈蚀的工程实例分析柳营路某停建工程-1柳营路某停建工程-24工程实例—1停建的嘉裕大厦-1停建的嘉裕大厦-23外滩18号立面板底钢筋锈蚀、保护层脱落5工程实例—2板底钢筋锈蚀、锈迹基础梁钢筋锈胀、外露斜土路板底钢筋锈蚀保护层脱落柱钢筋锈蚀路洋房6工程实例—3楼梯梁角部钢筋锈胀开裂窗过梁钢筋锈蚀外露4艺丰花园外貌柱钢筋锈蚀梁钢筋锈蚀梁钢筋锈蚀7工程实例—4板钢筋锈蚀板钢筋锈蚀现浇板钢筋锈蚀预制板钢筋锈蚀苏蚀梁内钢筋锈蚀梁内钢筋锈蚀苏州阳明山大酒店8工程实例—5柱内钢筋锈蚀墙内钢筋锈蚀5石塘中学梁锈蚀之一石塘中学梁锈蚀之二9工程实例—6高安大楼梁锈蚀之一高安大楼梁锈蚀之二工程现象总结:（1）梁柱构件中角部较一般部位容易发生锈胀开裂（2）梁柱构件中箍筋先于纵筋锈胀开裂，且箍筋容易发生（2）梁柱构件中箍筋先于纵筋锈胀开裂，且箍筋容易发生保护层脱落现象（3）楼板钢筋锈蚀会发生保护层整体脱落现象（4）梁中钢筋锈蚀沿梁跨不均匀分布（5）不同环境下（碳化、氯盐）的钢筋锈蚀形态不同（6）锈后钢筋截面往往不再是圆形10上述现象是否具有普遍性？如何解释上述现象的发生？611三、混凝土中钢筋锈蚀的机理3.1混凝土中钢筋钝化膜破坏的机理（1）混凝土的保护作用（钝化膜）新鲜混凝土PH达13，钢筋处于高碱性环境，表面生成新鲜混凝土PH达13，钢筋处于高碱性环境，表面生成致密氧化膜（2）中性化破坏钝化膜中性化反应使混凝土PH值降低PH值下降到11.5左右，钝化膜趋于不稳定PH值下降到9~10时，钝化膜作用完全破坏（3）氯离子破坏钝化膜12（3）氯离子破坏钝化膜CL-具有很强的穿透氧化膜能力，在氧化膜内层形成易溶FeCL2使氧化膜溶解7临界氯离子浓度13O2H2OOH-e-混凝土大气环境URRcReRa混凝土大气环境Fe2+3.2混凝土中钢筋锈蚀电化学机理阴极e钢筋混凝土钢筋锈蚀的模拟电路UeRst钢筋锈蚀电化学原理示意钢筋混凝土阳极（1）阳极反应过程：Fe→Fe2++2e-（2）电子传输过程：阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传送（3）阴极反应过程：O2+2H2O+4e-→4OH-14（3）阴极反应过程：O22H2O4e4OH（4）腐蚀产物生成过程：Fe2++2OH-→Fe(OH)2（白锈，3.8）4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3（褐锈,4.2；吸水变黄锈,6.4）2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O（红锈,3.2）6Fe(OH)2+O2→2Fe3O4+6H2O（黑锈，2.1）815四、钢筋锈蚀的影响因素（1）PH值PH10，PH值增大，腐蚀速度降低PH9~10，钢筋完全脱钝，锈蚀速度不再受pH值影响pPH4，析氢腐蚀，PH值降低，腐蚀速度上升00030.0040.0050.0060.0070.0080.009均腐蚀速率22℃40℃1600.0010.0020.003234567891011121314pH值平均9（2）温度温度不同，强碱环境下的拐点不同温度低于10度时，腐蚀速度较慢在10~60度之间时，腐蚀速度随温度上升而加大温度超过60度时，温度增大，速度下降0.100.150.200.25损失重量(g)170.000.05020406080100温度(℃)损（3）混凝土电阻抗（4）孔隙水饱和度和相对湿度（5）水灰比（6）水泥品种和掺和料水泥品种和掺和料（7）保护层厚度、质量、完好性181019五、钢筋锈蚀引起的胀裂损伤5.1钢筋锈胀损伤过程及其破坏形态CL-CO2O2H2O锈蚀产物混凝土钢筋孔隙过渡区VpVair钢筋脱钝锈蚀阶段自由膨胀阶段20VpVcrVairVpVcr膨胀应力产生阶段保护层开裂及裂缝发展阶段115.2胀裂时的钢筋锈蚀量（率）锈损钢筋体积锈损钢筋体积胀裂力作用下混凝土变形量胀裂力作用下21钢筋周边孔隙体积胀裂力作用下等代径向变形孔隙区等效厚度2212试验统计法人工加速锈蚀试验长期暴露试验5.3胀裂时钢筋锈蚀量的确定模拟试验法长期暴露试验弹性分析方法均匀锈蚀模拟坑蚀模拟施加荷载23力学分析法有限元方法施加荷载施加位移温度膨胀环qrqrftftftd/2Sd/2qrftftd/2qrftd/2d/25.4Bazant数值模型CSd/2C45o45oftCd/2一般边位置dcfqtr/2⋅=角区整体脱落胀裂时24)12/2(−+⋅=dcfqtrddsfqtr/)(−⋅=时钢筋锈胀力13cdqrδpcdcqrqr胀裂δp上限下限lpδ裂时孔边径向变()efefupEsdEddccd232221+⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=μδ()ldd3225变形()efeflpEsdEd221+⋅+=μδ()efefpEsdEddccd232241+⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=μδrpqd⋅=Δδ2222,44)2(⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ−Δ=Δ−−=ddddddddssscrsη胀裂[][]2222)2()2()2(scrsdddddddΔ−−Δ+=Δ−−πππαρ（1）胀裂时截面锈蚀率：（2）胀裂时直径锈损率：裂时钢筋锈蚀率[][])()()(scrsρ⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ=Δddfddcrs（3）胀裂时孔边径向变形：ptcrdcfdδ⋅⋅=Δ)/(21一般边：角区：ptcrdcfdδ⋅−+⋅=Δ)12/2(226率整体脱落：()ptcrdsfdδ⋅−⋅=Δ1/3钢筋锈损情况锈蚀产物膨胀情况14Bazant模型存在的问题：（1）未考虑锈蚀产物向周边孔隙内的扩散[YoupingLiu理论模型]（2）未考虑体积膨胀力作用下锈蚀产物的变形[金伟良理论模型][金伟良理论模型]（3）开裂面位置和开裂面应力分布与实际不符[有限元模型]（4）仅适用于光圆钢筋，不适用于变形钢筋[试验模型]（5）仅适用于均匀锈蚀，不适用于不均匀锈蚀[温度膨胀环有限元模型]27[温度膨胀环有限元模型]（6）均布力作用下径向变形计算为近似值[有限元模型]（7）锈蚀产物体积膨胀系数的确定[钢筋锈蚀机理研究]321-5-4-3-2-1D012345rXq/σx/rrq/θσAA’A’crθ破坏角θ开裂面分布曲线Xσ21yOB分布曲线θσ506070θ（o）2801020304050012345相对保护层厚度c/r锈胀开裂破坏角θ15295.5胀裂宽度与钢筋锈蚀率关系dcrdwΔdwΔddcr原钢筋轮廓cwΔdw原钢筋轮廓w0=0.05mmcwcrcrcrddwccddΔ⋅⋅−=−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++παρ)1()05.0(12/2/2130⎠⎝)05.0(1212)1(22−+−+−−+=wccdcddcrcrcrsηηαπηηρ16六、砼中钢筋锈蚀率的预测6.1钢筋开始锈蚀时间的预测¾问题的提出：传统钢筋锈蚀理论与工程实践的矛盾传统钢筋锈蚀理论：钢筋开始锈蚀的时间为保护层完全碳化所需的时间。试验研究和工程调查：在用酚酞试剂测定的碳化深度发展到距离钢筋表面某个长度时，钢筋就已开始锈蚀，且随碳化深度加深，钢筋锈蚀速度加快，直到碳化深度发展到超过钢筋位置某个长度时锈蚀速度才基本稳定下来31某个长度时，锈蚀速度才基本稳定下来。¾问题的解释部分碳化区的存在PH值对钝化膜的影响3217¾模型的建立33¾参数分析3418353619¾应力状态的影响1.5150.70.80.91.01.11.21.31.400.20.40.60.81压应力水平f/fc相对碳化深度x0.91.01.11.21.31.41.500.20.40.60.81拉应力水平f/ft相对碳化深度x376.2胀裂前钢筋锈蚀速率的预测¾基本假定3820¾模型的建立腐蚀电流密度阴极反应消耗氧气量39单位长度钢筋腐蚀电流单位长度钢筋重量损失量水平杆吊篮加载砝码支架负极正极铜棒塑料瓶塑料板400溶液平衡锤应力状态下钢丝加速锈蚀装置¾应力状态的影响台座螺栓钢丝环氧树脂纱布5％NaCl溶液试样编号应力水平理论锈蚀率实际锈蚀率实际锈蚀率理论锈蚀率/实际锈蚀率相对值kηY1-000.06321.051Y11039006481081025006试验参数和锈蚀结果Y1-10.390.06481.081.025Y1-20.670.060.06511.091.030Y2-000.060011Y2-10.390.06511.091.085Y2-20.670.060.06761.131.127Y3-000.12461.041Y3-10.390.12541.051.006Y3-20.670.120.12601.051.011215.3胀裂后钢筋锈蚀率的预测41谢谢!42