钢筋锈胀作用下混凝土的抗压强度退化模型.docx

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1、引言混凝土的抗压强度是混凝土的主要特性之一，除去原材料等因素，混凝土内钢筋锈蚀也会对抗压强度产生影响。目前国内地铁均采用直流牵引供电系统，会有部分以直流电为主的电流由走行轨处泄漏，这类电流方向杂乱，被称为杂散电流。处于杂散电流环境下的钢筋会发生电化学腐蚀，在混凝土内产生钢筋-混凝土界面锈胀应力，随着锈胀应力的增长，混凝土保护层受拉开裂。当前对于杂散电流加速钢筋锈蚀的研究主要集中在混凝土开裂时的临界锈胀应力与开裂时间，也有学者在混凝土内安置钢筋并外接直流电流，进行混凝土中钢筋受杂散电流腐蚀对其强度影响的试验研究6，但试验得到的抗压强度是钢筋与混凝土的整体强度，同时缺少相应的理论研究。基于以上背景

2、，本文从理论角度分析杂散电流腐蚀钢筋对混凝土抗压强度的影响，利用Faraday电解定律、弹性力学厚壁筒应力理论以及混凝土二轴强度破坏准则，建立了杂散电流加速钢筋锈蚀条件下的混凝土抗压强度预测公式。1、混凝土内钢筋锈胀力的产生钢筋在杂散电流作用下的腐蚀本质上是电化学腐蚀，活性状态的铁转化为铁离子，继而形成腐蚀产物。锈蚀量与电流强度和通电时间的关系见式(1)。忆腿二陶/(1)IK旦SS当QuAz而篇金触馅6SSA旦电的npi/A谛率一通电胴,0锈蚀产物对混凝土施加与钢筋径向垂直的锈胀力,锈胀力使混凝土产生环向拉应力,当环向拉应力达到混凝土极限抗拉强度时,混凝土开裂也对于混凝土结构整体而言，内部开裂

3、并不代表性能失效,但根据kuper网理论,对于混凝土材料本身来说,此时环向拉应力等于极限抗拉强度,故抗压强度为0,混凝土在此过程中失效破坏。钢筋锈蚀产物首先填满钢筋-混凝土界面毛细孔,并不会对周围混凝土产生压应力,这一阶段被称为铁锈自由膨胀阶段，1iu叫研究认为界面空隙M约为12.5,m在铁锈自由膨胀阶段末端时刻,也是锈胀应力产生时刻1,锈蚀产物填满了界面空隙匕,钢筋锈蚀部分K也被填满,则钢筋锈蚀产物体积匕的计算见式。Vr=VgVs叫M_KsIstx式（3）中：鼻一钢筋锈蚀质量，kg；n一钢筋锈蚀产物密度，g/cn?,取值为5.18gc?一钢筋锈蚀产物质量与钢筋损失质量比，根据质量守恒定律，其

4、取值见表It121又因混凝土开裂前主要钢筋锈蚀产物为Fc3,故取=1381。表1不同锈蚀产物的取值锈蚀产物FeOFe2O3Fe3O4Fe(OH)2Fe(OH)3U1.2861.4291.3811.6071.911钢筋锈蚀部分体积匕的计算见式（4）,界面空隙体积X的计算见式（5）。W匕一（4）Ps匕=4+印-4/（5）式中：PS钢筋密度，gcm3,取值为7.85gCm3；d钢筋直径，mm;/钢筋长度，mmo当锈蚀产物填满钢筋-混凝土界面空隙时，锈蚀产物开始对周围混凝土造成锈胀应力，由式（2）式（5）可得锈胀应力产生时间。为：tJ%+或仙R1 KJ2p,e钢筋锈胀对外围混凝土产生挤压应力时的钢筋损

5、失体积%为：WK=区Ps(8)联立式(1)、式(6)和式可得:AA-A同时：k冉一乱42J联立式(8)和式(9)可得钢筋锈胀对外围混凝土产生施应加寸的钢筋锈蚀深雕为：科电避MI(10)2 Vp-pr2、混凝土内锈胀力的大小假定钢筋锈蚀为均匀锈蚀过程，利用损伤力学和弹性力学理论，将混凝土保护层简化为仅内部受压、外边界给定位移约束的厚壁圆筒，圆筒厚度等于混凝土保护层厚度，分析模型如图1所示。图1中，如为混凝土与铁锈交界面处的径向位移，风为铁锈在界面处的径向位移，钢筋锈蚀自由膨胀后原始直径为血心为钢筋未锈蚀宜径。图1钢筋锈蚀时钢筋与混凝土的协调变形计算图令:K=g+或,R,=g(11)根据变形协调条

6、件，钢筋与混凝土交界面中的变形一致，贝人Rc+c=R,-r其中鼠与51分别为叫(12)ReEeef(13)R,a,q(d2t)RTJEr(1-v)(1+vz.)(14)式（13）、（14）中：匕为混凝土的泊松比；C为混凝土保护层厚度，mm;国以为混凝土有效弹性模量，MPa;Er为钢筋锈蚀产物弹性模量，MPa;七为钢筋锈蚀产物泊松比；杂散电流作用下钢筋锈蚀属于短期加速锈蚀，可认为ECef=Ec。ZhaO21对钢筋锈蚀产物进行了循环低压试验，得到了锈蚀产物石产IOOMPa,vr=0.3ot,Mdp=dR(16)出式(15)和(16)嘴蒯恫变雌赖螭购辙施触后倒余直阈丸BK1t九IPS(19)(17)

7、。尹（18）V兀IPS钢筋锈蚀产物填满了钢筋-混凝土界面的空隙、径向位移以及钢筋锈蚀减少部分，贝IJ:联立式（11）、式（17）和式（19）可得钢筋锈蚀膨胀后锈蚀产物的原始半径R为:(20)R_KsIst(ps-pr)d22Vmp,p,4将式（11）、式（13）、式（14）,以及式（20）代入式（12）,可得锈胀应力4为:R,-R,7drVRv.矶沁+户用1&OY)&-才EC纥(4+c)-亚弓(i,净+(1+匕)欧(21)3、杂散电流环境下钢筋锈胀混凝土抗压强度退化模型3.1 钢筋锈胀混凝土应力分析将混凝土保护层简化为受到内压力作用的管壁I，如图2所示，在锈胀力的作用下，环形管壁截面上产生拉应

8、力管壁径向产生压应力。八并且混凝土与铁锈交接面处。八。最大。根据弹性力学厚壁筒应力理论旧，联合式(21),对于只有内压力作用的圆筒，其产生的环向拉应力OJ见式(22),其中#2。3.2 混凝土抗压强度计算模型八U14AHVXm1/I/c11F1111H1图3二轴应力状态图m鼬iAmT1t,K(23)0/、2幺+至-1=0ZUJ式中：、一混凝土单轴抗压/拉强度，MPa；6、-混凝土破坏时的主应力最大值，MPa,并且：fcU,t)=3式中：亿)一杂散电流作用腐蚀下的混凝土抗压强度，MPao将式(22)、(24)代入式(23)可得式(25)将各参数代入式(25)得混凝土抗压强度退化模型为式(26)(

9、25)其中，由式（6）可知混凝土内锈胀应力产生的时间小并且在时刻之前混凝土强度不受钢筋锈蚀的影响，即当y时有：/（）=,（27）4参数分析oWSOBirfiiyaiiHh1*如胪如亦删的幽Z1=29.74h由图4(a)可知，随着钢筋直径的增大，混凝土抗压强度不断增大，且增大幅度逐渐增强上升，钢筋直径由8mm增加到16mm过程中，混凝土强度上升14.38%。由此可见，增大钢筋直径可以有效减小杂散电流腐蚀钢筋对混凝土强度的损伤。由图4(b)可知，杂散电流腐蚀后的混凝土抗压强度与混凝土原始强度成正比，且不同原始强度混凝土的强度损失几乎没有区别。由图4(c)可知，随着保护层厚度的增加，混凝土强度损失不

10、断减小，由此可见，增大混凝土保护层厚度可提高混凝土耐久性。由图4(d)可知，混凝土抗压强度随着杂散电流的增大而下降，当电流强度为0.012A时，混凝土强度下降幅度是电流强度为0.008A时的6.83倍，由此可见，大电流强度的杂散电流作用将会对混凝土性能产生显著影响，对混凝土抗压强度产生的影响不可忽视,使用高阻抗混凝土可作为减小杂散电流腐蚀的有效方法。由图4(e)可知，混凝土在锈胀力产生后的阶段，抗压强度急剧下降，40h之间强度下降34.5%。由图4(f)可知，在距离钢筋轴心2025mm的混凝土抗压强度损失值在24.7%38.4%之间，不同位置的混凝土抗压强度损失值受钢筋锈胀影响的程度不同，钢筋

11、周围混凝土的强度损失由内而外逐渐减小，这与圣维南原理相符。5、理论与试验对比分析由图4(a)(f)可知，混凝土抗压强度理论分析模型与文献的研究MJ得到了相同的结论：随着钢筋直径增大、保护层厚度增大、钢筋锈蚀量减小，混凝土抗压强度损失会减小。随着钢筋锈蚀的发展，混凝土抗压强度急速下降，在混凝土即将开裂时，混凝土抗压强度接近于零，这与KUPfer双轴拉压试验结果相同。但在农云开和张喜德等【2。】的试验研究中，混凝土开裂前抗压强度随锈蚀量的增加而缓慢下降,且在接近开裂时,混凝土的强度并不接近于零。原因之一是：试验得到的抗压强度是混凝土试块均匀强度，然而通过图4(f)可知钢筋锈蚀在混凝土中产生的拉应力

12、是不均匀的，距离钢筋越近的混凝土的拉应力越大，外围混凝土的拉应力相对较小，在混凝土受压试验时，外围混凝土对中心部分的混凝土产生约束力，缓解了双向异号应力状态的作用，所以各处混凝土强度是不均匀的，与试验测得的平均强度存在差别；另一个原因是在混凝土开裂后形成数个小柱体，试验结果的下限值接近于小柱体的抗压强度。10121416钥防直径Mim,w2030405060混凝土原始抗压强度/MPa(b)混凝土原始强如。20304050保护层厚度mm2624222018ednv91由s或0B303040so6070腐蚀时间/h(e)腐惶时向，(C)保妒层厚度，28262422200.0080.0090.010

13、0.0110.012东载电流大，NA(d)条散电流/Z292“2625言ffit!a归S腹划2025303640混程士到钢防输、的水平距离Zmm(f)混凝土到钢筋轴心的水平距HP图4混凝土强度随各参数的变化结论(1)利用Faraday电解定律、弹性力学厚壁筒应力理论以及混凝土二轴强度破坏准则得到了杂散电流环境下钢筋锈胀混凝土抗压强度退化模型，模型考虑了锈蚀产物对界面变形的影响。(2)对影响混凝土抗压强度的各主要因素的计算分析表明，杂散电流环境下，增大钢筋直径、保护层厚度都能减少混凝土抗压强度的损失，提高混凝土结构的耐久性。在距离钢筋轴心2025mm的混凝土抗压强度损失值在24.7%38.4%之间，不同位置的混凝土抗压强度损失值受钢筋锈胀影响的程度不同，钢筋周围混凝土的强度损失由内而外逐渐减小。(3)与相关试验结果进行对比分析表明，模型可以很好地分析杂散电流作用下各因素对混凝土强度的影响效果,但模型得到的结果与试验也有所不同，原因是混凝土开裂后形成数个小柱体,试验结果的下限值接近于小柱体的抗压强度，下一步可根据这一原因对模型进行优化研究。