氯离子侵蚀的钢筋混凝土结构锈蚀损伤

论文摘要

因钢筋混凝土结构的锈蚀损伤引起的经济损失巨大,近年来已受到广泛关注。虽然国内外学者已进行了较为广泛的研究,但鉴于混凝土自身的离散性、钢筋混凝土锈蚀损伤的复杂性和试验方法的误差等原因,使得钢筋混凝土锈蚀损伤耐久性尚有许多需要进一步研究的问题。本文以氯离子诱导的钢筋混凝土锈蚀损伤耐久寿命为主线,将其定义为钢筋锈蚀开始耐久寿命、保护层锈胀开裂耐久寿命及锈胀裂缝宽度扩展耐久寿命三个阶段,据此开展了以下几个方面的研究:1圆形截面构件混凝土中氯离子浓度分布规律研究基于贝塞尔函数推导了氯离子在圆形截面混凝土中扩散方程的解析解,通过实例分析研究了基于Fick第二定律的一维扩散方程应用于圆形截面混凝土中氯离子浓度分布预测的适用性,进一步研究了氯离子在该类截面混凝土构件中的浓度分布规律。2混凝土中氯离子浓度分布预测的数值模拟方法钢筋的存在会改变氯离子的传输路径,引起靠近暴露面处钢筋周围氯离子浓度的快速累积。试验研究了钢筋对氯离子传输的影响情况;通过定义容量系数和传递系数,给出了基于Fick第二定律的非稳态氯离子扩散质量守恒矩阵方程。基于ANSYS,通过参数的合理等效,实现了混凝土中氯离子浓度分布的二维数值模拟,运用该方法只要通过合理的建模,可以实现对考虑钢筋存在的同时,任意截面形状的钢筋混凝土构件在单一边界或多边界同时遭受氯离子侵袭时的氯离子浓度分布预测。通过与解析解和本文试验结果比较,证明了模拟方法的有效性。3保护层锈胀开裂耐久寿命研究考虑到混凝土材料在荷载作用之前就已经存在初始裂缝,结合实际工程中混凝土的顺筋开裂和整体剥落破坏情况,假定混凝土保护层钢筋表面位置处分别存在一条和对称的两条初始径向裂缝,导出了裂缝尖端应力强度因子的近似解析解,建立了钢筋临界锈胀力预测模型,进而提出了基于断裂理论的保护层锈胀开裂耐久寿命预测方法,并进行了有效性验证;鉴于已有的保护层锈胀开裂方面的研究成果均是基于光圆钢筋的,本文基于两条初始径向裂缝假定,进一步假设裂缝尖端的应力强度因子为钢筋表面完全光滑和钢筋与混凝土间理想粘结两种情况下应力强度因子的线性组合,建立了钢筋临界锈胀力预测模型,并对模型的有效性进行了初步验证。4基于虚拟裂缝模型的钢筋混凝土锈胀开裂全过程模拟基于虚拟裂缝模型通过数值模拟进行了保护层锈胀开裂全过程分析,研究了混凝土保护层锈胀开裂过程中的锈胀力变化情况,并提出了估算锈胀开裂时间的方法,分析了混凝土初始裂缝长度、保护层厚度和钢筋直径对保护层完全开裂时间的影响规律。5钢筋混凝土锈胀裂缝宽度扩展的研究裂缝宽度是钢筋混凝土结构设计和耐久性评估的一个重要参数,采用加速电腐蚀试验,研究了腐蚀电流、钢筋直径、混凝土强度和保护层厚度不同时,保护层锈胀开裂时间和锈胀裂缝宽度扩展受各种因素的影响情况,分析了各种因素的影响机理;基于已有的研究成果,提出了混凝土保护层锈胀裂缝宽度的理论预测方法,并进行了实验验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 钢筋混凝土耐久性研究的意义
• 1.2 研究背景及目的
• 1.3 氯离子环境下钢筋混凝土耐久性研究的内容
• 1.3.1 氯离子的腐蚀机理
• 1.3.2 钢筋混凝土耐久寿命评估准则
• 1.3.3 临界氯离子浓度
• 1.3.4 氯离子向混凝土中的传输
• 1.4 混凝土中氯离子浓度预测的研究现状
• 1.5 混凝土保护层锈胀开裂的研究现状
• 1.5.1 实验研究
• 1.5.2 理论研究
• 1.6 混凝土锈胀裂缝宽度的研究现状
• 1.7 本文的主要研究工作
• 2 圆形截面构件混凝土中氯离子浓度分布规律研究
• 2.1 引言
• 2.2 扩散方程
• 2.2.1 氯离子在特征截面的质传递
• 2.2.2 氯离子的扩散
• 2.3 方程的求解
• 2.3.1 数值法
• 2.3.2 解析解
• 2.3.3 数值解、解析解与一维扩散方程预测结果的比较分析
• 2.4 圆形截面构件混凝土中的氯离子浓度分布规律
• 2.4.1 环境氯离子浓度的影响
• 2.4.2 扩散系数的影响
• 2.4.3 初始浓度的影响
• 2.4.4 浓度分布随x/R的变化
• 2.5 小结
• 3 混凝土中氯离子浓度分布的数值模拟方法
• 3.1 引言
• 3.2 试验研究
• 3.2.1 试验设计与材料
• 3.2.2 试验过程与结果
• 3.3 预测氯离子浓度累积的二维数值模拟方法
• 3.4 模拟方法的有效性验证
• 3.4.1 模拟结果与解析解比较
• 3.4.2 模拟结果与试验结果比较
• 3.5 钢筋对混凝土中氯离子浓度分布的影响
• 3.5.1 钢筋周围氯离子浓度分布的数值模拟
• 3.5.2 钢筋特性影响下的氯离子浓度分布规律
• 3.6 小结
• 4 钢筋混凝土锈胀开裂耐久寿命预测研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于线弹性断裂的钢筋临界锈胀力预测
• 4.2.1 保护层顺筋开裂时的临界锈胀力
• 4.2.2 保护层整体剥落时的临界锈胀力
• 4.3 锈胀开裂耐久寿命预测方法
• 4.4 实验验证与分析
• 4.4.1 临界锈胀力预测模型的验证
• 4.4.2 临界锈胀力的影响因素分析
• 4.4.3 锈胀开裂耐久寿命预测方法的验证
• 4.4.4 分析讨论
• 4.5 基于双K断裂参数的钢筋临界锈胀力预测
• 4.5.1 临界锈胀力预测模型
• 4.5.2 预测模型的验证
• 4.6 基于界面粘结状态的钢筋临界锈胀力预测模型
• 4.6.1 模型的建立
• 4.6.2 预测模型有效性的初步验证
• 4.7 小结
• 5 基于虚拟裂缝模型的保护层锈胀开裂全过程分析
• 5.1 引言
• 5.2 基于虚拟裂缝模型的保护层锈胀开裂全过程的钢筋锈胀力
• 5.2.1 理论分析
• 5.2.2 数值模拟锈胀开裂的过程
• 5.2.3 实例分析
• 5.3 保护层完全开裂时间的确定
• 5.4 锈胀开裂耐久寿命的影响因素分析
• 5.4.1 混凝土初始裂缝长度的影响
• 5.4.2 混凝土保护层厚度的影响
• 5.4.3 钢筋直径的影响
• 5.5 小结
• 6 混凝土保护层锈胀裂缝宽度扩展的研究
• 6.1 试验方法与过程
• 6.1.1 试验设计及材料
• 6.1.2 试验方法与过程
• 6.2 试验结果分析与讨论
• 6.2.1 试验结果
• 6.2.2 分析与讨论
• 6.2.3 锈胀裂缝宽度的数学模型
• 6.3 锈胀裂缝宽度预测的理论研究
• 6.3.1 锈蚀产物的膨胀作用
• 6.3.2 混凝土锈胀开裂及裂缝宽度的扩展
• 6.3.3 理论预测方法的实验验证
• 6.4 小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文的工作总结
• 7.2 需要进一步研究的问题
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢