锈蚀不锈钢筋与混凝土黏结性能退化

通过不同锈蚀率下不锈钢筋混凝土试件的中心拉拔试验,分析锈蚀率、锈胀裂缝宽度对不锈钢筋/混凝土黏结性能退化的影响规律,分别基于质量锈蚀率和表面裂缝宽度建立不锈钢筋与混凝土黏结强度的预测公式,并与普通钢筋混凝土黏结性能进行对比分析. 研究结果表明：类似普通钢筋混凝土黏结退化规律,锈蚀不锈钢筋黏结强度随锈蚀率增大呈先增后减趋势,但拐点锈蚀率较普通钢筋更大;不锈钢局部坑蚀具有较强的随机性,使得锈胀裂缝宽度与锈蚀率的关系较为离散,与基于锈蚀率的黏结退化模型相比,基于表面锈胀裂缝宽度的模型可以更好地预测不锈钢筋与混凝土黏结强度的退化规律,工程实用性更强;在相同锈蚀程度下,不锈钢筋黏结强度退化程度较普通钢筋小,现有的普通钢筋黏结退化模型可以用于不锈钢黏结强度的预测,具有一定的安全保证.     

试件尺寸对锈蚀钢筋与混凝土间黏结性能的影响

为研究试件尺寸(立方体试件边长为10D,钢筋直径D=14、20、25 mm)对锈蚀钢筋与混凝土间黏结性能的影响,通过电化学加速锈蚀方法,获得了7组不同钢筋锈蚀率(0%、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%、8.0%、10.0%)的中心拉拔试件.分析了试件尺寸、锈蚀率等影响因子作用下钢筋与混凝土间黏结性能的变化规律.结果表明:随着锈蚀率的增加,试件尺寸越大其锈胀裂纹出现越早且最大锈胀裂纹越宽;各试件的黏结强度、黏结刚度均随混凝土的恶化及锈蚀率的增加呈现出先增长后逐渐削减的趋势,黏结能量则随锈蚀率的增加而逐渐下降,且较大尺寸试件(D=25 mm)的黏结性能受锈蚀率的影响更为显著;锈胀裂纹出现前,试件自由端峰值滑移、黏结能量下降较为缓慢;当锈胀裂纹出现后,其自由端峰值滑移、黏结能量急剧下降,而后随着锈胀裂纹的加宽,其下降速率趋于平缓.基于试验结果,建立了不同锈蚀率下残余黏结应力与试件尺寸的关系式.     

民国建筑锈胀开裂时的临界锈蚀深度

为了研究江浙地区民国钢筋混凝土结构中钢筋锈胀开裂时的临界锈蚀深度,按照民国时期钢筋混凝土构件的构造要求,设计8组试验试件进行电化学加速锈蚀试验.分析钢筋锈胀开裂时的混凝土试件表面裂缝分布,对电化学加速锈蚀试验产生的钢筋锈蚀产物和民国钢筋混凝土建筑中钢筋自然锈蚀产物进行X射线衍射定量分析和比较,得出两种锈蚀产物的膨胀系数,求出自然状态下民国钢筋混凝土结构钢筋锈胀开裂时的临界锈蚀深度.结果表明:民国钢筋混凝土结构钢筋锈胀开裂的裂缝最先出现于钢筋在混凝土表面的投影线外边缘上,临界锈蚀深度与钢筋宽度的比值的均值为0.021.     

锈蚀钢筋与混凝土间黏结性能试验

为研究锈蚀对钢筋与混凝土间黏结性能的影响,制作20个中心拉拔试件.通过电化学加速锈蚀得到理论锈蚀率为0%、0.5%、1%、2%、5%的拉拔试件,完成了不同锈蚀率下钢筋与混凝土的拉拔试验.从钢筋几何外形特征与混凝土强度在锈蚀过程中变化的角度分析了锈蚀率对极限黏结强度的影响,以割线刚度的方法定量研究了锈蚀率对黏结刚度的影响.阐述了锈胀裂纹、黏结刚度及试件破坏模式随锈蚀率变化的规律.试验结果表明:随着锈蚀率增大,钢筋与混凝土间的黏结强度、黏结刚度呈现先增大后减小趋势.黏结刚度的退化与锈胀裂纹的出现具有一定相关性.通过整理国内外学者黏结强度退化数据,得到了两段式黏结强度退化试验模型及一定程度上可供工程参考的黏结强度退化保守模型.最后,基于两段式黏结-滑移模型得到了不同锈蚀率下钢筋与混凝土间黏结-滑移本构模型.     

钢筋锈蚀及混凝土劣化耦合对梁构件力学性能的影响

设计人工模拟环境,研究酸雾、氯盐及硫酸盐混合盐雾侵蚀以及碳化耦合作用下钢筋混凝土梁破坏模式、锈胀裂缝宽度、受弯承载力、荷载-挠度曲线,重点研究钢筋锈蚀与混凝土劣化耦合作用的影响.结果表明:钢筋锈蚀率低于3.27%时,试验梁基本没有锈胀开裂,受弯破坏模式主要为受压区混凝土压碎,极限承载力随锈胀裂缝宽度增加快速减小;锈胀裂缝产生后,破坏形式逐渐转变为受拉钢筋屈服破坏,且承载力随钢筋锈蚀率大幅增加而缓慢减小.荷载-挠度曲线的峰值和斜率随劣化程度增加而减小.钢筋锈蚀导致混凝土开裂,混凝土劣化降低对钢筋的约束,两者耦合加速黏结性能退化,从而导致梁构件力学性能退化.理论分析了试验现象产生的原因,并对试验结果和理论计算结果进行了验证.     

混凝土锈胀时刻钢筋锈蚀率的数值分析方法

基于通用有限元大型程序建立非线性有限元模型,对混凝土构件受钢筋锈胀力作用的情况进行模拟,并在此基础上提出了基于有限元数值分析的混凝土锈胀时刻钢筋锈蚀率的计算方法.对受均匀钢筋锈胀力的混凝土构件进行了数值分析计算,包括混凝土构件角部钢筋锈蚀和中部钢筋锈蚀的情况;基于已有的非均匀钢筋锈蚀模型,对于工程实际情况中更为常见的非均匀钢筋锈胀情况,进行混凝土构件角部和中部钢筋锈蚀的数值模拟;在以往钢筋锈蚀分布情况理论分析结果的基础上,结合锈胀力数值分析的结果,提出了混凝土保护层胀裂时刻非均匀钢筋锈蚀率的计算方法,并给出了计算实例,说明该方法在混凝土结构环境条件和侵蚀状况已知的情况下,可估算混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈蚀率.     

钢筋混凝土结构开裂时刻的钢筋锈胀力模型

用快速锈蚀实验的方法研究了混凝土试件在出现顺筋裂缝时刻的钢筋锈蚀率与钢筋直径、混凝土等级与保护层厚度之间的定量关系,并通过有限元分析计算得到了锈胀裂缝扩展到保护层表面时的钢胀力,提出了混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈胀力的力学模型,这将对钢筋混凝土结构的耐久性分析与设计是大有裨益的。     

钢筋锈蚀对再生混凝土梁柱节点抗震性能的影响

为研究钢筋锈蚀后再生混凝土框架节点的破坏特征和抗震性能,对钢筋未锈蚀、锈蚀而保护层未开裂、平均锈胀裂缝宽度为0.2mm及平均锈胀裂缝宽度为0.4mm四种情况下的再生混凝土及普通混凝土框架边节点,进行了低周反复荷载对比试验;观察节点的受力过程及破坏形态,分析试件的荷载—位移滞回曲线、承载能力、强度和刚度退化、延性以及耗能能力等力学特性.结果表明:相同锈蚀程度下,再生混凝土节点的强度比普通混凝土节点小,再生混凝土节点的刚度退化比普通混凝土节点严重,再生混凝土节点表现出更好的延性,再生混凝土耗能较普通混凝土耗能弱;随着钢筋锈蚀程度的增加,再生混凝土与普通混凝土节点的强度降低,刚度减小,延性减小,耗能能力降低.     

开裂混凝土中钢筋加速锈蚀方法适用性

采用4种不同的外加电流加速锈蚀方法对荷载作用下混凝土中钢筋的锈蚀过程进行模拟,分析锈蚀后钢筋表面形态特征及锈蚀产物的形貌和成分.试验结果表明:预设辅助电极外加电流加速锈蚀方法,几乎不存在溢锈现象,锈胀力发展快,因此锈胀裂缝发展迅速;采用半浸泡外加电流加速锈蚀方法,锈胀裂缝发展速度次之,存在溢锈现象,如不及时清除会影响氧气的扩散性能,从而影响锈胀力的发展速度;采用贴面外加电流加速锈蚀方法,锈胀力发展速度较慢;全浸泡外加电流加速锈蚀方法,由于锈蚀过程中锈蚀产物不断被水带走,导致锈胀力发展最慢,通电时间最长,锈胀裂缝发展最慢,无法达到预期裂缝宽度.加速锈蚀方法的理论锈蚀质量高于实际试验锈蚀质量.     

氯盐与硫酸盐复合侵蚀下钢筋混凝土锈裂行为

为评估海洋、盐湖等环境中钢筋混凝土结构耐久性,通过试验与理论相结合探究氯盐与硫酸盐复合侵蚀下钢筋混凝土锈裂特性。通电腐蚀5%(质量分数)NaCl、5%NaCl+5%Na₂SO₄溶液中钢筋混凝土试件,对比分析混凝土表观形貌、钢筋锈蚀特征。设计伴随的混凝土腐蚀试验,类比保护层腐蚀劣化,分析混凝土力学性能。结果表明：硫酸盐的存在改变胀裂前混凝土形貌,使得单一氯盐侵蚀下的“白须”消失,表面粉化并出现盐结晶,延长胀裂时间;复合侵蚀下钢筋锈蚀率低于单一氯盐侵蚀,二者均显著低于法拉第定律理论值;锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率线性相关,硫酸盐的存在增大裂缝随钢筋锈蚀发展的速率;通电环境中,受腐蚀混凝土的抗压强度先升高后降低,劈裂抗拉强度不断降低。提出受腐蚀混凝土的抗拉强度演化经验公式。在经典锈胀模型的基础上考虑锈蚀产物对裂缝的填充作用,并将硫酸盐的影响考虑至混凝土抗拉强度、钢筋腐蚀电流密度中,建立复合侵蚀下钢筋混凝土胀裂时间预测模型,并验证了模型的有效性。     

锈蚀钢筋横截面积分布规律统计分析

检测确定钢筋的锈蚀特征参数是进行锈蚀钢筋混凝土结构性能评定的基础。通过电化学加速锈蚀试验获得不同锈蚀程度的钢筋,采用三维激光扫描技术建立锈蚀钢筋的三维几何模型,并提取相关的锈蚀特征参数。然后基于概率理论统计分析锈蚀钢筋平均截面锈蚀率与最大截面锈蚀率、锈蚀不均匀系数之间的相关性,建立了锈蚀不均匀系数的概率分布模型。研究表明:随着锈蚀程度的增大,最大截面锈蚀率和锈蚀不均匀系数均呈幂函数增长,并与锈蚀钢筋的直径有关;锈蚀不均匀系数服从广义极值分布,其概率分布的形状参数、尺度参数和位置参数均随锈蚀程度的增大而线性增大,并与锈蚀钢筋的直径和单元长度有关。     

基于非均匀锈蚀的带肋钢筋黏结性能

根据钢筋的非均匀锈蚀特征,研究锈蚀带肋钢筋与混凝土间的黏结性能.基于未锈蚀带肋钢筋黏结强度的微观受力模型与均匀锈蚀带肋钢筋黏结性能模型,考虑钢筋的实际锈蚀为非均匀锈蚀,利用弹性力学方法建立带肋钢筋黏结强度的预测模型,推导出锈蚀带肋钢筋与混凝土间的极限黏结强度.分析无横向约束的锈蚀钢筋极限黏结强度,对混凝土开裂时刻钢筋的临界锈蚀深度进行预测.试验结果与理论预测结果吻合良好,采用该模型可以较准确地反映钢筋实际锈蚀后黏结强度的变化情况.     

钢筋加速非均匀锈蚀试验方法和锈蚀形态研究

采用自主发明的通电加速钢筋非均匀锈蚀试验方法,以不锈钢丝作为辅助电极对混凝土试件进行通电加速锈蚀,利用三维激光扫描技术获得不同锈蚀率下锈蚀钢筋的三维几何模型,研究采用该方法时锈蚀钢筋的不均匀性. 研究发现,由此可以得到与实际自然锈蚀情况相似的不均匀锈蚀现象,即靠近不锈钢丝一侧锈蚀比较严重,远离不锈钢丝一侧锈蚀较少. 根据对锈蚀钢筋纵向截面积的分析,建立不均匀系数R的概率分布模型,其值满足Gumbel极值分布;将模型与实际自然锈蚀的钢筋不均匀系数R的概率分布进行比较,进一步验证该方法用于评估钢筋混凝土构件承载力的可行性.     

基于钢筋锈蚀膨胀的混凝土应力分析方法

分析了自然气候中混凝土内钢筋锈蚀的机理,对混凝土内钢筋表面的锈蚀特征有了明确的认识,确定钢筋锈蚀主要在靠近混凝土保护层一侧产生;进而应用ANSYS有限元分析软件,对钢筋不均匀锈蚀膨胀引起的混凝土应力进行非线性有限元分析,总结了混凝土主拉应力的分布规律,并以此推断和解释混凝土的开裂趋势。     

考虑均匀/非均匀锈蚀特征参数的钢筋力学与变形性能

开展了45个混凝土试件中135根加速锈蚀钢筋的单轴拉伸试验,分别建立了均匀/非均匀锈蚀特征参数与锈蚀钢筋的力学性能参数和变形性能参数之间的定量关系,进而提出了基于均匀/非均匀锈蚀特征参数的锈蚀钢筋应力应变关系模型。结果表明：锈蚀钢筋的力学和变形性能参数与锈蚀特征参数之间的相关性较大,随着质量锈蚀率、最大截面锈蚀率和最大锈蚀深度相对值的增加呈现线性减小趋势,而随着最小剩余截面积相对值和面积点蚀因子的增大呈现线性增大趋势;随着钢筋锈蚀程度的增加,锈蚀钢筋的屈服平台会出现明显退化现象,当质量锈蚀率、最大截面锈蚀率和最大锈蚀深度相对值分别大于20%、60%和40%左右或最小剩余截面积相对值和面积点蚀因子分别小于40%和60%左右时,屈服平台基本消失;轻度锈蚀钢筋可以利用均匀和非均匀锈蚀特征参数来描述应力应变关系曲线,而重度锈蚀钢筋采用非均匀锈蚀特征参数来描述应力应变关系曲线更合理。     

锈蚀钢筋与高强再生混凝土的黏结性能试验

为研究锈蚀钢筋与高强再生混凝土之间的黏结滑移性能,采用通电加速锈蚀法获得36个中心拉拔钢筋被锈蚀的试件并进行中心拉拔试验.试件设计参数有5个:再生粗骨料取代率、钢筋外形、钢筋直径、锚固长度和钢筋锈蚀率.依据试验结果,对试件的黏结破坏形态和每个设计参数对锈蚀钢筋与高强再生混凝土间黏结性能的影响进行分析.结果表明:锈蚀钢筋与高强再生混凝土间的黏结破坏形式有3种,即钢筋拔断、钢筋拔出和混凝土劈裂;高强再生混凝土与锈蚀后螺纹钢筋间的黏结强度要明显高于锈蚀后光圆钢筋;锈蚀钢筋与高强再生混凝土间的黏结强度,随着再生粗骨料取代率的增加整体呈减小趋势,随着钢筋直径的增大而减小,随着锚固长度的增大而减小,随着钢筋锈蚀率的增大而减小,但当钢筋锈蚀率达到某一界限后这种减小便不明显.     

考虑钢筋锈蚀的RC梁承载力的非线性有限元分析

在考虑锈蚀引起的钢筋横截面损失和粘结强度下降的前提下,利用非线性弹簧单元模拟锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结滑移性能,建立了锈蚀钢筋混凝土梁的有限元分析模型。对锈蚀钢筋混凝土梁承载力进行仿真分析,讨论了钢筋截面损失和锈蚀率对钢筋混凝土梁承载力的影响。