混凝土保护层锈胀开裂研究进展.pdf

2 0 1 5年 第 6 期 (总 第 3 0 8 期) N u mb 6 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 6 0 0 7 混凝 土保护层 锈胀 开裂研 究进展 郑颖颖 ， 徐亦冬 ( 1 重庆交通大学 土木建筑学 院，重庆 4 0 0 0 0 0 ； 2 浙江大学宁波理工学 院 土木 与建筑工程学 院，浙江 宁波 3 1 5 1 0 0 ) 摘要： 钢筋锈蚀引起混凝土保护层锈胀开裂被认为是钢筋混凝土结构耐久性失效最主要原因之一 ， 国内外学者就此过程开展 了大量的研究工作。 结合最新研究成果 ， 对钢筋锈蚀引起混凝土保护层锈胀开裂研究所用的理论 、 试验和数值模拟方法做 出评 述。 针对当前研究中存在的问题进行 了总结和展望 ， 并提出了多尺度数值方法应用于钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂问题。 关键词 ： 钢筋锈蚀 ； 保护层开裂； 多尺度 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 2 6 0 6 S t a t eo f a r t r e p o rt o f t h e c or r o s i o n i n du c e d c r a c k i n g o f c o n c r e t e c o v e r ZHENG Yi n g y i n g ，XU Yi d o n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g， C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 0 0， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g&Ar c h i t e c t u r e ， Ni n g b o I n s ti t u t e o f T e c h n o l o g y o f Z h e j i a n g Un i v e r s i t y， Ni n g b o 3 1 5 1 0 0， C h i n a ) Abs t r ac t ： Co n c r e t e c o v e r c r a c k i ng c a u s e d b y r e i n f o r c e me n t c o r r os i o n i s t h o u g h t t o b e o n e o f the mo s t i mp o a m r e a s o n s of d u r a b i l i t y f a i l u r e o f r e i n f o r c e d c on c r e t e s t r uc t u r e S c h o l a r s a t h o m e a n d a b r oa d h a v e m a de e x t e n s i v e r e s e a r c h i n t h i s r e g a r d Ba s e d o n the l a t e s t r e s e arc h r e s ul t s， i t r e vi e wd th e th e o r i e s， e x p e rime n t a n d n u me ric a l s i mul a t i o n m e t h o d o f r e i n f o r c e me n t c o rro s i o n c a u s e d c o v e r c r a c ki n g， s u mma r i z e s the p r o b l e ms i n c u r r e n t r e s e a r c h， a n d p r o p o s e s mu l ti s c a l e n u me ric a l me tho d t o b e a p p l i e d t o r e i n f o me me n t c o rros i o n c a u s e d c o v e r c r a c ki n g K e y wo r ds： r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n ； c o v e r c r a c kin g ； mu l t i s c a l e 0 引言 钢筋混凝土结构具有便于就地取 材 、 可磨性好 、 形成 的结构整体性好、 刚度大等特点， 因而， 广泛用于房屋建 筑 、 地下结构 、 桥 、 隧道 、 水利 、 港 口等工程 中。 但 由于混凝 土结构 的自身材料和使用环境 的特点 ， 使其不可避免的存 在耐久性问题 。 混凝土的耐久性问题 已经成为现代工程的 一 个紧迫的重大科技问题。 混凝土 内钢筋锈蚀引起混凝 土保 护层开裂被认 为是 钢筋混凝土结构耐久性失效最主要原因之一 。 钢筋锈蚀 后 由于锈蚀产物密度小于钢筋本身 ， 锈蚀 产物体积膨胀为 原来的 2 4倍 ， 使周 围混凝土受到挤压 ， 随着锈蚀 程度的 加剧 ， 将导致混凝土保护层受拉而开裂。 钢筋混凝 土构件 一 旦开裂 ， 环境中的有害介质经锈胀裂缝 直接侵入到钢筋 表面 ， 钢筋锈蚀速 度将会 加剧 ， 从而进一步加剧裂缝 的扩 展甚至保护层剥 落严重影 响钢筋混 凝土结 构耐久性 。 因 此 ， 研究钢筋锈蚀 引起的钢筋保护层开裂 ， 对混凝 土结 构 的使用性能评估 和剩余 寿命预测有着重要的意义 。 钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂 的过程相 当复杂 ， 国 内外学者就此展开 了大量 的研究工作。 现有研究方法根据 研究手段大致可分为三类 ： 理论分析 、 试验研究 和数值模 拟。 本研究根据三种研究方法对钢筋锈胀最新研究进展进 行评归纳与评述 ， 提出了钢筋锈蚀引起混凝土保 护层胀裂 研究 中存在 的问题 ， 并进行 了展望 。 1 混凝土保护层锈胀开裂理论 分析 保护层锈胀开裂是 腐蚀环境下钢筋混凝 土结构耐久 性评估的主要依据之一 ， 因而相关研究 一直备受关注 ， 国 际上从 2 0世纪 7 0年代 开始 ， 我 国研究起 步较晚 ， 基本 上 始于 2 0 世纪 9 0年代末期 。 锈蚀产物膨胀引起的钢筋 和 混凝土之间的锈胀应力是 客观存 在的 ， 但很难测定 ， 目前 对其 的认识侧重于理论研究 ， 比较有代表性 的理论成 果 有 B a z a n t 4 的理论模型、 L i u 的理论模型、 金伟 良 的经 验公式 、 Mo r i n a g a 的经验公式 。 国内外 学者在这些前 人 的研究成果基础上对 于钢 筋锈蚀 引起混凝土开裂 问题 展 开了更深入的研究。 1 1 理论 分析 最新进展 王元战等 通过对现有典型钢筋锈 蚀模型进行 比较 分析 ， 选择考虑 因素较全面合理 的 L i u指数模型作为钢筋 锈蚀基本模型。 将考虑荷载影响的氯离子扩散模 型引入到 基本模型 中， 建立 了考虑荷载影响的钢筋混凝土构件钢筋 锈蚀模型 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 1 8 基 金项 目： 浙江省 自然科学基金( L Y1 5 E 0 8 0 0 2 5 )； 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 0 8 2 7 6 ) ； 宁波市科技创新团 队项 目( 2 0 1 1 B 8 1 0 0 5 ) 2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l n ( 1 0 8 i )=8 3 7+0 6 1 8 1 n 1 6 92 3 0 0c( C， t i 十 t ) 一3 0 3 4 T一0 0 0 0 1 0 5 R 十 2 3 2 t 一 ” ( 1 ) 式 中： C ( C t + t ) 钢筋开始锈蚀 t 年的钢筋表面氯离 子浓度 ， ； f 钢筋腐蚀 电流密度 ， i x A c m ； 钢筋表面的温度 ， K； f 钢筋的锈蚀时间 ， 年； R 。 钢筋保护层的电阻 ， Q； 假定普通硅 酸盐混凝土质量取 2 3 0 0 k g m 。 郭冬梅等 同时考虑 了荷载影 响和氯离子结 合能力 的影响 ， 将考 虑两种 因素影 响的氯 离子扩 散模 型引 入到 L i u指数模型中， 建立了考虑荷载和氯离子结合能力的钢 筋锈蚀模型 。 I n ( 1 0 8 i )=8 3 7+0 6 1 8 1 n 1 6 9 C( C ， t i +t ) 一 3 0 3 4 T一 0 0 0 0 1 0 5 R +2 3 2 t I 。 ( 2 ) 式 中符号含义与式 ( 1 ) 相同。 因为考虑的因素更全面更符 合实际情况 ， 从而通过算例对 比可发现 ， 式( 2 ) 计算结果 比 式 ( 1 ) 更加合理。 郭冬梅模型可以更加准确地模拟符合实 际情况的构件的材料退化情况， 对预测沿海地区结构剩余 寿命 有着重要的意义 。 付传清 。 。 基于混凝土各向异性损伤和损伤软化， 考 虑了腐蚀产物和钢筋的弹性力学性能 ， 以及腐蚀产物对钢 筋 一混凝土界面区孔隙和混凝土开裂裂缝 的填充效应 ， 建 立了钢筋 一 腐蚀产物 一混凝土三相介质模 型。 该模型可 以 计算 由钢筋锈蚀 引起的混凝土位移场和应 变场 ， 也可 以用 来预测混凝土保护层的初裂时间。 通过与试验结果进行对 比， 发现模 型可 以较好地预测 混凝土 的开裂 时间 ， 并且确 定 了混凝土环 向应变是评价混凝土开裂的理想指标。 J H J i a n g等 首次提出了混凝土微环境 “ 响应谱” 的 概念 ， 基 于气候环境作用下混凝土微 环境 响应规律 和预计 方法研究 ， 提出了混凝土微环境 响应谱 构筑方法 。 基于钢 筋锈蚀 电化学基本原理和相应的试 验研究 ， 建立 了考虑混 凝土微环境 、 以及 时变 ( 包 括锈胀 开裂前 的下 降与平稳发 展阶段) 影响 的钢筋锈蚀速率预计模 型 ： i 。 = ( i 0 ) ( i 。 ) e x p ( A E 。 3 ( r ， p 。 ) ) ( 3 ) 其中 ： = 3 1 0 -2 e x p 【 9 5 0 0 ( 一 专 ) f 0 l。 = 1 0 - 【 2 6 2 ( 专 一 ) 】 AE。=E。 。 一E。 =5 2 5+1 4 4T 卢( r ， P 。 )= ， 卢 1 = 1 4 3 7 8 5 4( W C ) + 0 0 1 8 p 。 r= r l ? l + 0 7 8 0 9 2 ( W C ) 一 1 2 1 0 4 p 。 丁 1 r 2 【 l + 0 7 8 0 9 2( W C )一 1 21 0 一 P 。 。 r 2 r r 3 J f 。 d r 一= 0 _ 0 3 0 2( w c)一0 0 1 1 1 式 中： 6 混凝土内钢筋的活化率 ， 对 于无横 向裂缝 的混 凝土试件 ， 可取 8 = 0 5 ； 塔菲尔斜率 ； 混凝土 内钢筋锈蚀时间； 钢筋 的克当量 ； F 法拉第常数 ； P c o 混凝土电阻率。 邱兆 国等 基 于弹性理论 与 B a z a n t 理论模 型 ， 引入 拉伸损伤 的概念 ， 对混凝土保护层 内环 向应力进行 修正 ， 建立了混凝土保护层开裂 的临界锈 胀力与钢筋 临界 锈蚀 率模型。 通过混凝土与锈蚀层之间存在位移协调关系式 ( 4 ) 可求出锈蚀深度 占 ， 进而可求出混凝土表面裂纹产生 时的临界锈蚀率 叼 。 卜 ( U p ) p ： r +Z +( U p ) + l ( 4) 式 中： 锈蚀产物 自由膨胀对应的外半径 ； ( U 。 ) 向内的径向位移 ； r 钢筋半径 ； z 钢筋与混凝土界面间隙宽度； ( U ) 川混凝土内侧 的径向位移。 得 出的钢筋锈蚀产生 的环向表达式为： ： f 1 ( O er 一 ) + ( 5 ) 中 = I 一 ( r + z ) J 一 Fo + L ) 式 中： 开裂 损伤后 内边界残余 的环 向应力 ， = ( ) 。 ； + - 。 当P= R时， 环 向应力值( ) p = R 即为混凝土表面产生 裂纹的临界值。 1 2 理论分析 问题讨论 理论分析方法具有周 期短 、 投入低 、 且 可 以较 为近似 模拟实际工况的优点 ， 有一定 的参考价值。 在上述分析 中， 基于弹性力学的厚壁 圆筒模型被广泛采用 ， 其假定锈蚀产 物 的膨胀力是均匀分布在混凝土圆筒 内壁上 ， 这与实际情 况不太符合 ； 由于混凝土材料的离散性 和锈蚀产物 的多样 性 ， 采用弹性力学 的方法也很难 准确 的定量保护层锈胀开 裂过程 中产生的损 伤。 而基于不 同的理论方 法 ， 得出 的研 究成果 尚无法统一 ， 不 同预测模型得 出的结果悬殊很大 。 理论分析通常是针对纯氯化物诱导腐蚀展开的， 即没 有发生碳化 。 而在实际的分析过程 中往往假设钢筋发生均 匀腐蚀 ， 从试验 研究结果可 以知道 ， 只有在诱导腐蚀的 情况下钢筋才会发生均匀腐蚀 ， 由氯化物诱导钢筋锈蚀发 生 的是点蚀 ， 所以采用均匀锈蚀 的假设来研究氯化物诱导 的腐蚀显然不合适 引； 影响混凝土结构耐久性的因素是 多方面的 ， 而在众多 的预测模 型中 ， 通常将各影 响因素视 为常量进行分析， 而事实上很多参数都是不确定的， 例如： 铁锈的膨胀率 、 弹性模量、 “ 多孑 L 区” 大小等 ， 这些参数 的选 取对预测模型模 型的精确性起着决定性 的作用 ， 而 目前只 能通过经验或者完全假设来进行选择 。 2 混凝土保 护层锈胀 开裂试验研 究 混凝土保护层锈胀开裂过程受到很多 因素的影 响， 这 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 些因素既包括混凝土结构本身相关的因素 ， 也包括结构所 处的工作条件相关的各种环境 因素 ， 研究这些 因素影响程 度最主要 的途径就是试验研究 。 而且 已获得 的任何理论模 型都需要得到试验和实践来验证其准确性 ， 从而进一步提 出更为精确 的理论模型 。目前针对混 凝土保护层锈 胀 开裂的试验研究 内容主要有 ： ( 1 ) 锈胀开裂影响因素及开裂规律研究 ； ( 2 ) 锈蚀产物性能研究。 2 1 锈胀开裂影响因素及开裂规律试验研究 高飞剑等 通过在钢筋 表面沿长度方 向开 9 0 。 V形 槽 ， 然后往槽 中加油压的方法 ， 模拟钢筋锈胀力试验 ， 得到 了当混凝土表面产生顺筋裂缝 时对应的油压值 。 由于采用 的试验模型与实际钢筋非均匀锈胀具有一定的相似性 ， 因 此所得的油压值能够近似地反应 出实际的钢筋锈胀力。 试 验结果同时证明了锈胀裂缝最终 出现在保护层 的正上方 。 彭建新等 对 4 5片钢筋混 凝土构件 进行通 电加速 锈蚀试验研 究 ， 测试 了锈胀裂缝 宽度及 其位 置和发 生时 间。 在收集的试验数据基础上 ， 通 过 回归分析得到试验梁 受拉主筋的平均锈蚀率 P和混凝土保护层厚底 与原始钢 筋直径之比 c d 、 加速锈蚀的试验梁底部最大顺筋宽度 W、 试验混凝土的强度 的经验公式 ： P： 4 3 2 81 0 0 6 ( c d ) 。 ” W 。 ( 6 ) 利用式 ( 6 ) 对一座服役近 4 0年的实桥构件 的锈蚀率 和锈胀裂缝宽度进行 预测 ， 计算结果表 明式 ( 5 ) 有较强 的 适用性 ， 能够用于实桥锈胀损伤分析 。 许晨等 通过室 内加 速碳化试验 ， 研究 了混凝土 内 部温湿度变化对钢筋锈蚀的影响 ， 并使用温湿度影 响函数 进行描述 ， 建立 了如式 ( 6 ) 所示 的考虑混凝土 内部温湿度 的钢筋锈蚀模型。 基于试验研究成果提 出了一种通过对结 构物混凝土内部温湿度进行监测 来计算腐蚀 电流 的变化 状态 的钢筋锈蚀速率实时预测方法 ， 该方法可用于实际工 程 。 I c 。 ：I J ( ) g ( R H) ( 7 ) 式 中： ， c 。 预测钢筋腐蚀 电流 ； ， 标准状态下钢筋腐蚀 电流 ； ， ( ) 温度影响函数 ； g ( R H) 湿度影响函数。 张俊芝等 通过对取 自浙江省温州市瓯江 口的既有 混凝土水闸闸墩混凝土芯样进行研究 。 根据试验测试的混 凝土中 自由氯 离子浓 度 ， 分析 了水 闸混凝 土 中氯离子 侵 蚀 、 扩散规律 ； 基于 F i c k第二定律和 Mo n t e C a r l o法 ， 对钢 筋初锈 的临界氯离子浓度和钢筋初锈时间进行 了分析 。 结 果表明 ： 在 自然临海 环境下 ， 混凝土 中钢筋锈蚀 的临界氯 离子浓度为 0 1 2 0 1 8 ， 预 测 的钢筋初 锈 时间约 为 8 年 。 I n a m u l l a h K h a n e 等 对 一批存放 在试 验室 中 2 6年 的钢筋混凝土梁试件裂缝发展过程进行分析 ， 研究 了混凝 土内钢筋腐蚀的演变过程 。 这批试件分为两组 ， 一组 3 6根 试件存放在氯盐环境下持续加 载， 另一批存 放在正 常的试 28 - 验条件下( 非侵蚀性 环境 ) 作为控 制。 根据试 验数据绘制 出试件裂缝发展过程 图示 ， 并测量 出钢筋 的质量损失 ， 并 将试验数据 与三组 现有预测锈胀 产生裂缝宽度模型 ( R o d r i g u e z 模型 、 V i d a l 模 型 、 Z h a n g模 型 ) 计 算结果 做了对 比。 得出 ： R o d r i g u e z 模型和 V i d a l 模 型计算结果 与 试验结果较接近 ， Z h a n g模型 由于没有考虑混凝 土保护层 和钢筋直径的影响与试验结果偏差很 大； 可 以通过裂缝发 展过程和截面损失来预测腐蚀构件的长期性能 ； 箍筋的锈 蚀对主筋锈胀产生的裂缝宽度没有影响。 2 2 锈蚀 产物性 能试验研 究 余江等 对人工气候环境下加速裂化 的混凝土试块 进行切片 ， 采用数码显微镜观察 了混凝土锈胀开裂裂缝中 铁锈分布情况。 试验观察发现 ， 锈胀裂缝可分为两种形式 ： 外裂裂缝和内裂裂缝。 研究认为对 于外裂 裂缝 ， 在 裂缝 开 展到保护层表面之 前 ， 铁锈 对裂缝 的填充可忽 略不计 ； 而 对于内裂裂缝 ， 钢筋锈蚀 到一定程度后 ， 也会有少量 的铁 锈填入裂缝中 ， 但填充过程要缓 慢得多。 研究修 正了锈裂 三阶段理论 ， 对混凝土结构锈 裂过程 的分 析和合理 锈 裂模型的建立具有重要 的指导意义。 乔荣超等 研究了人工模拟气候环境 下无荷载和施 加 9 0 计算开裂荷载作用下杂散电流 一氯盐溶液腐蚀和 混凝土碳化耦合作用对钢筋锈蚀 的影响 ， 对 混凝土与锈蚀 钢筋界面锈蚀层 的微细观结构及元素组成 和分 布进行 了 观测分析 。 试验研究 得出 ： 荷载作用对钢筋 锈蚀 层发展起 到加速锈蚀作用 ， 使 锈蚀层结构变得 紧密 ； 荷载 一杂散 电 流 一 氯盐环境下混凝土内部钢筋沿 圆周方向均匀锈蚀 ， 荷 载 一 碳化腐蚀环境下 的钢筋仅在靠 近混凝 土保 护层一侧 发生锈蚀 。 戴虹 对分别取 自自然环境下和试验室环境下 的锈 蚀产物进行研究 ， 采用纳米压痕试验 、 固结试 验、 往 复压缩 试验 、 套筒试验等方法对锈蚀产物 弹性模量进行了深入 的 讨论 。 试验结果发现 ： 锈蚀产 物 由内、 外两层组成 ， 且外层 铁锈 的弹性模量大于 内层铁锈的弹性模量值 ； 颗粒状铁锈 的瞬时弹性模量值及片状铁锈样 品的名义弹性模量值都 随尺寸的增大而减小 ， 结果还显示铁锈不 是线弹性材料 ； 根据试验结果提 出可用 于实 际混凝 土结果锈蚀开裂模 型 的铁锈弹性模量值可近似取 1 0 0 MP a 。 2 3试验研 究问题讨论 由于需要考虑时间和经济成本问题 ， 试验通常采用通 电加速锈蚀 的方法。 采用通 电加速锈蚀 的方法并不能很好 的模拟实际工程情况 ， 实 际钢筋锈 蚀的过程很缓慢 ， 钢 筋 锈蚀产物形成后会有一部分 在长时间作用下溶解 于到空 隙液中， 迁移出去 ， 这会减小产生的锈胀力 ， 从而推迟开裂 时间。 另外通 电加速锈蚀的方法中电流的大小对锈蚀产物 的生成有较大影响 ， 电流越大， 钢筋的腐蚀速度也越快 ， 从 而造成氧化反应不充 分 ， 氧化产物的膨胀率相对较 低 ， 影 响混凝土保护层开裂结果 。 不 同学者在模拟钢筋加速锈蚀试 验 中考虑 的因素不 同， 统计方法也存在 差异 ， 因而通过对试验数据统 计分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 方法来模拟锈蚀物对周围混凝土的膨胀作用 ， 模拟混凝 土 保护层开裂和裂缝扩展过程。 分析结果得 出 ： 应用基 于弥 散裂缝 的有限元分析模型 ， 能很好的模拟钢筋均匀锈蚀引 起 的保护层开裂行为 ； 骨料粒径越大 ， 断裂能越大 ， 混凝土 裂缝开展越困难 ， 但对混凝土保护层开裂时刻 的锈胀力影 响较小。 王谊敏 通过有 限元软件 D I A N A， 数值分析 了负载 混凝土柱保护层锈胀开裂全过程 。 在仿 真分析过程 中重点 研究了持荷水平下 ， 相对保护层厚度 、 混凝土强度及 钢筋 锈蚀形态对保护层胀裂过程及剥落特征 的影响规律。 分析 得出结果表明 ： 竖 向荷载 的存在对锈胀裂缝 的发展趋势和 各个阶段钢筋锈蚀率均有影响； 荷载作用下非均匀锈蚀对 保护层的锈裂损伤 比无荷载作用下更 为严重。 B a v i j a 等 将二维格构模 型引入到钢筋锈蚀 引起 混凝土保护层开裂研究中。 格构模型中首先把计算的连续 体离散化成三角形或四边形网格 ， 网格一般 可由杆单元或 者梁单元组成 ， 单元采用简单的本构关系和破坏 准则 。 利 用格构模型建立的混凝土保护层锈胀数值模 型发现 ： 点蚀 导致混凝土开裂 的膨胀应力远小 于均匀锈蚀情 况下的应 力 ； 点蚀将造成更多 的内部损伤 ， 而无法通过表观 现象发 现。 3 2 数值模拟 问题讨论 在分析钢筋混凝土保护层锈胀开裂时 ， 有限元方法显 示 出其优越性 ， 通过虚拟的内部压力或径向位移来模拟锈 胀力 ， 能够得 出保护层因钢筋锈胀力产生的力学 响应和裂 缝开展状况 。 国内外学者在分析钢筋锈胀时 ， 通常将混凝 土保护层锈胀开裂 问题简化为平面应变 问题 ， 未考虑沿钢 筋轴 向不同界面问的相互影响 ， 数值模型基本采用 混凝土 内部带有圆孔的二维模型 ， 但实际上钢筋锈蚀沿轴 向具有 非均匀锈蚀特征 ， 其锈蚀 产物分布是一个三维空间中的随 机过程 ， 因此混凝土锈裂有限元模拟应从二维模型向三维 模 型发展 ； 钢筋锈蚀 引起混凝土保护层锈胀开裂是一个 多尺度过程 ， 钢筋腐蚀发生的特征尺度为 ： 1 0 一 1 0 m， 宏观损伤演化特征尺度为 1 0 1 0 m ， 属于材料多尺 度问题 ， 而 目前 的数值模 型多是基 于宏 观单一尺 度建立 的 ， 没有涉及 到锈蚀产物 的模 拟 ， 因而无 法完全真实模拟 钢筋锈蚀引起混凝 土保护层锈胀开裂 的全过程。 4 结 语 近些年来 ， 学者们对于钢筋锈蚀引起混凝土保护层开 裂的研究正在往更深层次发展 ， 考虑的因素也越来越接近 于真实的工程情况。 但由于诸多主、 客观因素的存在， 得出 的各种计算模型相差很大 ， 因而并不能很好 的应用与实际 工程。 为了完全掌握钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂 的机 理 ， 得出精确的预测模型， 要在以下方面做出努力 ： ( 1 ) 由于钢筋锈蚀 引起的混凝土开裂过程是极其复杂 的， 单纯用某种理论或某种方法很难达到预期 的结果 。 可 以结合不同的理论基础来分析保护层 的各 个阶段的损伤 状态 ， 如以弹性力学为基础 ， 结合塑性力学 、 断裂理论 、 损 3 ( 1 伤理论及连续介质力学研究混凝土 的开裂破坏 ； 同时， 需要更多的试验数据 和工程 调查统 计数据对模型参数进 行量化 ， 得到更可靠 的预测模型。 ( 2 ) 自然气候变化情况复杂 ， 影响混凝土保护层锈胀 开裂 的因素多 ， 自然环境下的侵蚀必然 与室 内模拟侵蚀之 间存在差距。 因此， 需要改进模拟试验设备和方法， 考虑多 种因素耦合情况下钢筋的腐蚀 ， 同时考虑实际情况中构件 所处 的力学环境状况 ， 时变效应 和尺寸效 应的影响 ， 进一 步提高室内腐蚀环境 的设计参数与 自然环境 的相似性 ， 并 从理论解决加速模拟试验 与 自然环境条件下 的相似性 问 题。 ( 3 ) 有限元方法是研究混凝土保护层开裂的一种有效 方法， 在数值模拟过程中， 钢筋锈胀力的模拟加载是模拟 准确性的关键。 在今后的数值模拟混凝土锈胀过程中， 应 考虑锈蚀产物非均匀分布的实际情况 ， 将其作为位移荷 载 输入 。 原来常用的二维平面模型不能模拟实际的复杂应力 情况 ， 与实际构件存在很大 的差 异， 应二维模 型 向三维模 型发展， 构建更符合实际情况的混凝土保护层锈胀开裂数 值模型。 ( 4 ) 多尺度数值计算方法可以在精度和计算代价之间 寻求一个较好 的平衡点 ， 是混凝土锈胀 开裂数值模拟的发 展方向。 在微观尺度上建立钢筋锈蚀产物产生和发展的微 观尺度模型 ， 采用多尺度过渡方法将微 观尺度模型植入到 宏观尺度模型 中， 建立 由微观结构向宏 观结构过渡的钢筋 混凝土锈胀开裂多尺度模 型， 运用有限元分析软件进行多 尺度数值分析 ， 可以更真实的模拟 出钢筋锈蚀损伤的发展 过程及机理。 参考文献： 1 赵羽习 钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂综述 J 东南大学学 报 ： 自然科学版， 2 0 1 3 ( 5 ) ： 1 1 2 21 1 3 4 2 张小刚， 邢锋 ， 李大望， 等 冈 筋混凝土锈胀开裂及对腐蚀反作 用影响研究 J 混凝土， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 3 9 4 2 I- 3 季呈基于弥散裂缝模型的混凝土保护层锈胀开裂初步研究 D ， 重庆 ：重庆大学 ， 2 0 1 3 4 B A Z A N T Z P P h y s i c a l m o d e l f o r s t e e l c o r r o s i o n i n c o n c r e t e s e a s t r u c t u r e s a p p l i c a t i o n 门 J o u r n a l o f t h e S t r u c t u r a l D i v i s i o n 1 9 7 9 ， 1 0 5 ( A S C E 1 4 6 5 2 P r o c e e d i n g ) 5 L I U Y， WE Y E R S R E Mo d e l i n g t h e t i me t o c o rr o s i o n c r a c k i n g i n c h l o ri d e c o n t a mi n a t e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s J A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 6 ) 6 3李海波， 鄢飞， 赵羽习 ， 等 冈 筋混凝土结构开裂日 寸 刻的钢筋锈 胀力模型 J 浙江大学学报： 工学版， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 6 7 7 4 7 MO R I N A G A s Pre d i c t i o n o f s e r v i c e l i v e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b u i l n g s b a s e d o n r a t e o f c o rr o s i o n o f r e i n f o r c i n g s t e e l - J S p e c i a l Re p o a o f t h e I n s t i tut e o f Te c h n o l o g y， S k i m i z a Co r po r a t i o n， J a p a n， 1 9 8 9 8 王元战， 黄东旭 ， 王军 考虑荷载影响的钢筋混凝土构件钢筋 锈蚀模型E J 水道港口， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 2 0 2 2 0 6 9 郭冬梅 ， 项贻强， 程坤， 等 沿海在役钢筋混凝土桥梁的钢筋锈 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蚀模型 J 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 1 0 0 1 0 4 1 o i l y 传清 混凝土中氯盐的传输机理及钢筋锈胀模型 D 杭州： 浙江大学 ， 2 0 1 2 1 1 J I A N O J ， Y U A N Y P r e d i c ti o n m o d e l f o r t h e t i me v a r y i n g C O rr O s i o n r a t e o f r e b a r b a s e d o n m i c r o e n v i r o n m e n t i n c o n c r e t e J Co n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e ria l s ， 2 01 2， 3 5： 6 2 5 6 3 2 1 2 邱兆国 ， 梁力 ， 张凤鹏 混凝土结构保护层开裂时钢筋的临界 锈蚀率模型 J 1 东北大学学报： 自然科学版， 2 0 1 4 ( 2 ) ： 2 9 0 2 9 4 1 3 J A MA L I A， A N G S T U， A d e y B， e t a 1 Mo d e l i n g o f c o r r o s i o n i n d u c e d c o n c r e t e c o v e r c r a c k i n g ： A c ri ti c a l a n a l y s i s J C o n s t r u e t i o n a nd Bu i l d i n g M a t e ria l s， 2 01 3， 42： 2 2 5 2 3 7 1 4 金伟 良 氯盐环境下混凝土结构耐久性理论与设计方法 M 北京 ： 科学出版社， 2 0 1 1 1 5 高飞剑， 耿欧， 郑靖靖 钢筋混凝土锈胀效应的模拟试验研究 J 徐州建筑职业技术学院学报 ， 2 0 1 1 ， 1 1 ( 2 ) ： 2 7 2 8 1 6 彭建新， 胡守旺， 张建仁， 等 钢筋混凝土结构锈胀开裂宽度的 试验研究及预测模型 J 试验力学 ， 2 0 1 4 ( 0 1 ) ： 3 3 4 1 1 7 1 许晨 ， 岳增国， 金伟良 ， 等 昆 凝土内部温湿度对钢筋锈蚀的影 响 J 建筑材料学报 ， 2 0 1 2 ， 1 5 ( 3 ) ： 3 0 6 3 1 1 1 8 张俊芝， 庄华夏， 伍亚玲， 等 临海既有混凝土氯离子侵蚀及钢 筋初锈时间预测 J 建筑材料学报 ， 2 0 1 4 ( 3 ) ： 4 5 4 4 5 8 1 9 K H A N I ， F R AN C O I S R， C A S T E L A P r e di c ti o n o f r e i n f o r c e m e n t c o r r os i o n u s i ng c o r r o s i o n i n d u c e d c r a c k s wi d t h i n c o rro d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 1 4 ， 5 6 8 49 6 2 o R O D R I G U E Z J ， O R T E G A L M， C C A S A L J ， e t a1 C o r r o s i o n o f r e i n f o r c e m e n t and s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s J D u r a b i l i t y o f B u i l d i n g Ma t e ri a l s and C o m p o n e n t s ， 1 9 9 6 ， 7 ( 1 ) ： 1 1 7 1 2 6 2 1 V I D A L T ， C A S T E L A， F R A NC O I S R A n a l y z i n g c r a c k w i d t h t o p r e d i c t c o rr o s i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 1 ) ： 1 6 5 1 7 4 2 2 Z H A N G R， C A S T E L A， F R A N C O I S R C o n c r e t e c o v e r c r a c k i n g wi th r e i nf o r c e me n t c o rro s i o n o f RC be a m d u ring c h l o rid e -i n - d u c e d c o rr o s i o n p r o c e s s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 3 ) ： 4 1 5 4 2 5 2 3 余江 ， 赵羽习， 金伟良 混凝土结构锈胀裂缝中铁锈分布的试 上接第 2 5页 8 E L S E N E R B， AN G S T U Me c h a n i s m o f e l e c t r o c h e m i c al c h l o r i d e r e m o v al J C o rr o s i o n S c i n e n c e ， 2 0 0 7 ， 4 9 ( 1 2 ) ： 4 5 0 4 4 5 2 2 9 郭育霞 ， 等 冈 筋混凝土电化学除氯的试验研究 J 太原理工 大学报 ， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 6 ) ： 5 8 8 5 9 1 1 O 张嘉新外电场作用下混凝土中离子的迁移与分布规律研究 J 混凝土与水泥制品 ， 2 0 1 2 ( 8 ) ： 9 1 4 i 1 朱鹏 钢筋混凝土结构电化学修复技术研究 D 上海： 同济大 学 ， 2 0 0 6 1 2 S O Y L E V T A， R I C H A R D S O N M G C o rr s i o n i n h i b i t o r s f o r s t e e l i n c o n c r e t