钢筋锈蚀与钢筋锈胀力关系的研究

钢筋锈蚀与钢筋锈胀力关系的研究

混凝土中的钢筋腐蚀后，其产生的feli体积是相应钢筋体积的2.4倍，因此周围扩展，周围的钢筋混凝土限制了它们的肿胀，并产生了交界面上的压力。这种压力被称为钢筋的张力。钢筋的张力影响钢筋和混凝土之间的粘附，使混凝土涂层受到拉伸和开裂。一旦钢筋混凝土组件遭受锈迹张拉，钢筋的腐蚀速度将加快，这对钢筋混凝土构件的耐用性非常不利。因此，对结构组件的耐用性的研究具有十分重要的意义。由于难以通过试验手段获得弯曲张力，因此试验数据的验证不足。到目前为止，国内外对弯曲张力的研究很少。在这项工作中，我们使用光面肌腱作为研究对象，并根据弹性力学理论分析了混凝土张力的计算公式，以及影响钢筋张力的几个因素。1理论分析1.1钢筋锈胀力的计算当钢筋锈胀力达到某一数值时,混凝土表面将开裂,此时的钢筋锈胀力对钢筋混凝土构件耐久性研究有着重要的意义.文献经过试验研究认为混凝土开裂时刻的钢筋锈胀力与钢筋直径、混凝土抗拉强度及保护层厚度有关.然而,由于混凝土材料的离散性,试验方法的误差等原因,试验结果往往不尽人意,这方面的工作还有待于进一步深入.本文采用弹性力学的方法,研究得到混凝土开裂时刻的光面钢筋的均匀锈胀力.在钢筋锈胀力作用下,混凝土首先在近钢筋处产生微裂缝,但尚未扩展到混凝土保护层的表面,随着钢筋锈胀力的增大,裂缝逐渐延伸到混凝土保护层的表面.Perfers曾应用弹性力学,给出了单位长度上半径为r的圆周上混凝土未开裂部分的混凝土环向应力公式:式中各符号含义见图1.当r=e时,圆周的环向应力达到最大值,有:σtmax=ftk时,式(2)可改写为:对式(3)求导,可得到当q=qmax时的e值,即:e=0.486(c+d/2)(4)再将此e值代入式(3),可得到混凝土胀裂时刻的钢筋锈胀力.此时,e虽未达到整个保护层厚度,但混凝土保护层厚度已达最大承载力,当钢筋锈胀力达qmax时,裂缝将立刻贯穿整个混凝土保护层表面.将e近似取0.5(c+d/2)时,可得出按部分开裂弹性计算的单位长度混凝土胀裂时刻的钢筋锈胀力公式:文献中有若干试件混凝土胀裂时刻锈胀力的有限元解,式(5)与有限元计算结果的对比见图2,可见两种计算值还是较为符合的.1.2混凝土变形力学验算上述混凝土胀裂时刻的钢筋锈胀力是以混凝土为研究对象得出的结果,下面将以混凝土和钢筋共同作为研究对象,对混凝土表面胀裂前的钢筋锈胀力进行研究.对于保护层厚度为c的混凝土和直径为d的钢筋,在钢筋锈胀力作用下可进行如图3分解:(1)外围混凝土,其受钢筋锈胀力作用变形为δ1;(2)内部钢筋,锈蚀自由膨胀后名义直径变为d1,而钢筋净直径为dρ,钢筋锈后自由膨胀的d1受钢筋锈胀力作用变形为δ2.显然,各变量符合变形协调关系:R+δ1=R1-δ2(6)式中:R=d/2;R1=d1/2.经分析可知,如钢筋锈蚀率为ρ,则锈后钢筋名义直径d1为:式中:n为钢筋锈后体积膨胀率,通常为2～4;钢筋锈蚀率按钢筋截面损失率计算,ρ=W0-WρW0%,其中W0钢筋锈蚀前单位长度的重量,Wρ为钢筋锈蚀后单位长度的重量.δ1是混凝土受钢筋锈胀力后的变形,按弹性力学计算结果为:式中:u1为混凝土泊桑比,一般取0.2,按平面应变考虑时,u1=0.21-0.2=0.25;E1为混凝土弹性模量,按不同混凝土取值.其余变量的含义见图1所示.δ2是铁锈受钢筋锈胀力后的变形.铁锈是一种很复杂的复合物,其性能既不符合弹性,也不符合弹塑性或塑性,在不同条件下生成铁锈会有不同的组份,性能也会发生变化.因此,为简便起见,δ2可按弹性力学方法等效计算,其名义泊桑比u2和名义弹性模量E2将通过已有数据优化拟合得到.在此假定下有式中各变量的含义同前述.将式(7)～式(9)代入变形协调关系式(6)中,可得到:q=[√(n-1)ρ+1-1]R(1+u1)Rc2+(1-u1)R3E1(c2-R2)+nρ(1-u22)R1E2[(1+u2)nρ+(2-2ρ)](10)锈层厚度δ=[√(n-1)ρ+1-1]R,其物理意义为埋置在混凝土中的钢筋锈蚀后产生铁锈层的厚度,则:q=δA+B(10a)从图2中可见,q和δ的关系并非线性,而更接近于指数函数或幂函数关系,同时考虑到将铁锈作为弹性计算的误差,将上式修正为以下形式:q=δxA+B(u2,E2)(10b)由于铁锈体积膨胀率n是变化的,n值的不同会对x,u2,E2的优化拟合结果产生影响.通过不同的n值,利用文献的研究成果,及相应q的有限元计算值代入上式,对x,u2,E2进行优化拟合可得到:u2=0.924(11a)E2=10.6449e-0.331337n(11b)x=-0.049n2+0.403576n+0.954594(11c)这就是说铁锈的名义泊桑比u2可以认为与铁锈体积膨胀率n无关;名义弹性模量E2与n有着指数关系,而x与n则较为符合二次多项式的关系.各n的拟合式的偏差∑(q拟-q计)2均在0.99以下.q与δ若设为指数函数,拟合结果虽有更小的偏差值,但E2为负数,丧失了物理意义而舍去不用.将拟合结果式(11)代入式(10b)中,并略加简化可得到锈胀力的表达式:q={[√(n-1)ρ+1-1]R}-0.049n2+0.4n+0.9546(1+u1)Rc2+(1-u1)R3E1(c2-R2)+nρR140e-0.33n(1.924nρ+2-2ρ)(12)2一般讨论2.1混凝土等级的影响从钢筋锈胀力表达式可见,混凝土等级的影响仅体现在不同弹性模量E1的影响,包含E1的分母项A,其值一般为10-4数量级,而另一分母项B的数量级为10-3,因此,可以认为在混凝土保护层厚度及钢筋直径相同的前提下,不同混凝土等级对钢筋锈胀力影响不大.下面用一计算实例进行验证.取混凝土保护层厚度c为25mm,钢筋直径d为16mm,混凝土等级分别为C15、C25、C35,铁锈体积膨胀率n为3,钢筋锈蚀率为0.3%,则锈层厚度为0.023964mm,计算结果见表1.从表中可见,随混凝土等级的增加,钢筋锈胀力略有增加,但增加量较小;1/(A+B)值变化也很小,可以近似认为不同混凝土等级的钢筋锈胀力符合同一q-δ曲线.从微观机理来看,不同等级的混凝土弹性模量虽不相同,但对疏松的铁锈而言均是非常大的值,钢筋锈胀力使不同等级的混凝土产生的变形都是很微小的.可以想象,如果钢筋外包裹的是弹性好而柔软的材料的话,那不同的弹性模量就会对q产生很大的影响.我们注意到开裂时刻的钢筋锈胀力表达式(5)与ftk有正比关系,而混凝土胀裂前的钢筋锈胀力表达式(12)却与ftk是无关的,这似乎是一个矛盾的问题.下面对这个问题进行讨论.我们知道,钢筋锈胀力达到某一值时,混凝土与钢筋接触的部位首先达到ftk而产生了微裂缝,而后逐渐向外扩展,此刻的微裂缝并不影响外围混凝土对钢筋铁锈膨胀的约束.在裂缝未扩展到混凝土表面以前,混凝土始终约束着钢筋铁锈的膨胀,对于不同等级的混凝土而言,影响钢筋锈胀力大小的是混凝土的径向变形,因而,主要是混凝土的弹性模量起着作用;而混凝土强度仅影响内裂缝出现和混凝土保护层胀裂的时间,强度高的混凝土内裂缝出现得晚,混凝土保护层完全胀裂也晚.因此,混凝土强度不影响钢筋锈胀力的大小,而仅影响混凝土保护层完全时钢筋锈胀力终值的大小.图4示意了前不同混凝土强度的计算实例.从图中可以看出表示3个混凝土等级的3条曲线很接近,而不同混凝土强度有着不同的钢筋锈胀力终值.综上所述,不同混凝土等级的钢筋锈胀力可以近似认为是符合同一条q-δ曲线的,等级高强度大的混凝土在较大钢筋锈胀力时才发生混凝土胀裂,此时相应有较大的δ值.2.2混凝土保护厚度对钢筋锈胀力的影响锈胀力q和混凝土保护层厚度c的关系,下面通过一个实例来讨论.取混凝土保护层厚度c分别为15mm、25mm、35mm,钢筋直径d为16mm,混凝土等级为C25,铁锈体积膨胀率n为3,钢筋锈蚀率为0.3%,则锈层厚度为0.023964mm,计算结果见表2.从表2中可见,随混凝土保护层厚度的变大,钢筋锈胀力略有增加.这是因为混凝土保护层越厚,外围混凝土的约束就越刚性,铁锈膨胀收到的阻力相对较大,因而钢筋锈胀力也就大了.混凝土保护层厚度对钢筋锈胀力的影响程度与混凝土等级相近,由于1/(A+B)项的变化较小,还可以近似认为不同混凝土保护层厚度情况下的钢筋锈胀力符合同一q-δ曲线.不同混凝土保护层厚度的钢筋锈胀力终值是不一样的,混凝土保护层厚度越大,钢筋锈胀力终值就越大,具体取值可参见式(2).2.3钢筋直径的影响钢筋直径D与锈胀力q的关系仍用一实例来进行讨论.从一般情况出发,不同的钢筋直径在同一环境下,锈层厚度应该是相同的,因此取与前例相同的δ为0.023964mm,混凝土保护层厚度为25mm,混凝土等级为C25,铁锈体积膨胀率n为3,钢筋直径分别取12mm、16mm、20mm进行计算,结果见表3.从表3中可见,随钢筋直径的增加,钢筋锈胀力有所减小,这是因为不同直径的钢筋,若有同样的锈层厚度,则小直径钢筋相应有着较大地钢筋锈蚀率,因此,同样的锈层厚度,随钢筋直径增加,钢筋锈蚀率减小,钢筋锈胀力也就减小.表3中还可以看出,钢筋直径对钢筋锈胀力的影响明显大于混凝土保护层厚度和混凝土等级的影响程度.2.4钢筋锈层厚度锈胀力q和锈层厚度δ的关系,下面仍通过一个类似实例来讨论.取混凝土保护层厚度c为25mm,钢筋直么d为16mm,混凝土等级分别为C15,铁锈体积膨胀率n为3,钢筋锈层厚度为变量,计算结果如图5所示.图中可见,δ对q的影响很大,随锈层厚度δ的增加,钢筋锈胀力q迅速增加.2.5n对q的影响锈胀力q和铁锈体积膨胀率n的关系,用类似的实例来讨论.取混凝土保护层厚度c分别为25mm,钢筋直径d为16mm,混凝土等级分别为C25,钢筋锈蚀率为0.3%,铁锈体积膨胀率为变量,计算结果如图6所示.图中可见,n对q的影响较小,这与文献中的结论是相符合的.3钢筋锈胀力的影响由以上讨论可知,影响钢筋锈胀力的主要因素是锈层厚度,而其它因素,包括混凝土等级、混凝土保护层厚度、铁锈膨胀率等,对钢筋锈胀力的影响程度均较小,这为简化钢筋锈胀力公式提供了条件.混凝土等级和保护层厚度对钢筋锈胀力影响很小,取较为常用的C25及25mm的保护层厚度,铁锈膨胀率取2～4的中间值3;钢筋直径的影响稍大,由于随钢筋直径增加钢筋锈胀力减小,取较小钢筋直径会得到较大的钢筋锈胀力,这对耐久性分析计算是偏安全的,因此取16mm直径的钢筋.将以上数据代入式(12),并经过优化拟合,可得到钢筋锈胀力的简化公式:简化式(15)和理论推得的式(12)的对比见图7,图中的虚线为简化式(15)的计算值,而实线则为式(12)的计算值.由图中曲线可见,两个公式的计算值相差不大,简化式(15)可用来对不同条件下的钢筋锈胀力进行估算.钢筋锈胀力的终值可按式(2)确定.4钢筋锈胀力的影响本文利用已有数据,经过理论分析建立了混凝土胀裂时刻及胀裂前的均匀钢筋锈胀力表达式,还推出了混凝土胀裂前钢筋锈胀力的简化表达式,可用来估算不同情况的钢筋锈胀力值.在建立了钢筋锈胀力表达式的基础上,