钢筋非均匀锈蚀引起的混凝土保护层开裂有限元分析-结构工程专业论文.docxVIP

西安建筑科技大学硕士学位论文 2 泥混凝土面层，到 1995 年 8月完成， 1997年 2月在撒化体盐路面和路肩板表面， 出现大面积的剥蚀破坏。 固 1.1 工业厂房方面，根据各个时期对工业厂房混凝土耐久性的调查发现 [7l，结构丧 失承载力的主要原因是来自各种不同环境因素作用下钢筋的锈蚀。如华北地区某 发电厂，投资近 5 亿元，由于该厂地处海滨盐渍地， 1978 年正式投产，而到 1986 年，仅仅 8 年之隔，其钢筋混凝土结构就己经发生了严重的强腐蚀破坏，被迫重 建新厂。民用建筑中也有发生钢筋锈蚀破坏的情况， 1979 年到 1980年期间，钢筋 、席凝土结构设计规范专家组对我国 11 个高代表性的城市进行了调查 I81，调查后发 现，不少钢筋混凝土结构在设计基准周期内，有的甚至不到 10年就因钢筋锈蚀而 影响其正常使用，如上海不少近代优秀保护建筑，发现粱主筋严重锈蚀，造成构 件承载力严重不足，影响正常使用。 同样在国外，钢筋锈蚀导致结构破坏的事故时奋发生 ，造成巨大损失。美国 标准局 1975 年的调查表明例，美国全年各种因钢筋锈蚀造成的损失为多达 700 亿 美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占 40%。在英国，根据运输部门1989 年的报告，英格兰和威尔士有 75%的钢筋混凝土桥受到了氯离子的侵蚀，维护维 修费用是原来造价的两倍，为解决海洋环境下钢筋混凝土结构锈蚀与防护问题， 每年花费近 200 亿英镑，比如英格兰岛中部环形线的快车道上有 11 座海凝土高架 桥，建于 1972 年，建造费用 2800 万英镑，建成两年后就发现钢筋锈蚀造成混凝 土顺筋裂缝破坏，到 1989年，其修补费用高达 4500万英镑闷。 综上所述，无论路桥结构 、工业与民用建筑、还是水利 工程、海港工程，国 内外混凝土中锅筋锈蚀现象均非常严重，因此研究混凝土钢筋锈蚀具有重大的实 际意义，并且可带来可观的社会经济效益。钢筋锈蚀导致结构破坏往往开始于保 护层的胀裂剥落，研究保护层胀裂过程可以为提凝土结构的耐久性分析和评估提 供条件。  口钢筋锈蚀研究现状 钢筋锈蚀导致结构破坏的过程非常复杂，需要解决的问题包含许多方面。从 20 世纪 60 ??代开始，国内外研究机构、高等学校均投入了大量的科研力量进行钢 筋锈蚀基本理论的研究 [lle 如国际材料与结构试验学会于 1960 年专门成立了混 凝土中钢筋锈蚀技术委员会，并设立了混凝土结构损伤等级评定工作小组;我 国对钢筋锈蚀的早期研究始于南京水利科学研究院，从 20 世纪 80 年代开始日益 引起重视。 ( 1) 混凝土中钢筋锈蚀理论研究 混凝土中钢筋锈蚀按锈铀机理的不同，可以分成应力锈蚀、化学锈蚀和电化 学锈蚀。研究认为一般的混凝土结构中产生的钢筋腐蚀为自然的电化学腐蚀，即 阳极反应产生的电子通过钢筋送往阴极，阴极反应产生的氢氧根离子通过混凝土 的孔晾以及钢筋表面与混凝土间的空隙中的电解质被送往用极，从而构成电回路 的阴阳极腐蚀电池，钢筋开始锈蚀。目前国内外研究多数集中在建立氯离子侵蚀 或碳化影响下钢筋锈蚀率的预测模型，学者主要做了以下工作:被丹辉 (11)根据钢 筋混凝土锈胀动力学及金属力学化学原理，分析了在混凝土完好的条件下钢筋应 力对锈蚀反应速度的影响，论证了均匀锈蚀条件下应力因素对钢筋锈蚀速度无显 著影响;肖从真 (12) 以混凝土中气体的扩散过程为主线，将海凝土的碳化速度作为 混凝土透气性的反应，提出了通过碳化深度测量确定混凝土中扩散系数:许萍 (13) 曾以实测资料为基础，应用 Fick 第二定律分析建立沿海地区海港工程结构钢筋锈 蚀的时变特性模型:金伟良 (14][15)采用函数型神经网络对混凝土的碳化过程进行了 分析与预测，并通过理论推导建立了钢筋锈蚀率预测模型:牛获祷 (16)等基于腐蚀 电化学原理，假定供氧量充足，通过电化学理论分析得到了一般 室内环境下混凝 土保护层开裂前后的钢筋质量损失量的预测模型:刘西拉等[川从腐蚀系统的电化 学电路出发，根据公式和欧姆定律，并考虑钢筋锈蚀过程中的氧气扩散浓差极化  PAGE 11 与扩散浓差极化，建立了钢筋锈蚀模型;张耀庭等 (18)利用 Matlab 软件建立钢筋锈 蚀预测的网络模型:东南大学的孙伟 [1均等根据 Fick 第二定律推导出综合考虑混凝 土的氯离子接合能力 、扩展系数的时间依赖性和棍凝土结构微缺陷影响的新扩展 方程; Bazant[20)根据钢筋锈蚀过程中各个反应物的质量守恒、 Fick 第一扩散定律、 Maxell 静电方程以及化学反应速率方程建立了微分方程 ，针对海洋环境混凝土结 构的特点，提出了钢筋锈蚀的物理化学模型; TakeshlOs