钢筋锈蚀膨胀导致混凝土开裂的有限元分析（论文）.pdf

建 筑 技 术 开 发 Building Technology Development 建筑材料 Building Materials 第44卷第 l3期 2017年7月 钢 筋 锈 蚀 膨 胀 导 致 混 凝 土 开 裂 的 有 限 元 分 析 覃 JIil，2 (1．广 西建筑新 能源 与节 能重 点试 验 室 ，广西桂 林 541004；2．桂 林理 工 大学 土木 与建 筑 工程 学 院 ，广 西桂 林 541004) [摘 要]采用有限元数值模拟的方法并结合试验室钢筋混凝土加速锈蚀试验研究钢筋锈蚀机理及混凝土保护层开裂的全过 程。ABAQUS CAE中的扩展有限单元法 (XFEM)被运用于钢筋锈蚀导致混凝土开裂的模拟中。钢筋的锈蚀模拟假设为非均匀 锈蚀，结果表面扩展有限单元法能够很好地模拟混凝土保护层的开裂及裂纹的发展 ，并且避免了常规有限元方法需要 网格重划 分的问题。 [关键词 ]钢筋混凝土 ；钢筋锈蚀 ；扩展有限元法 ；裂缝扩展 [中图分类号 ]Tu375 [文献标志码 ]A [文章编号 ]1001—523X (2017)13-0099-02 Finite Elem ent Analysis of Concrete Cracking Due to Reinforcem ent Corrosion Qin Chuan [Abstract]In this Paper，the finite element numerical simulation method iS used to study the corrosion mechanism of reinforced concrete and the whole process of concrete cover cracking．The extended finite element method(XFEM)in ABAQUS CAE is applied to the simulation of concrete cracking due to steel corrosion．Corrosion that the reinforcement for non-uniform corrosion，the surface of extended finite element method Can be a good simulation of protective layer of concrete cracking and crack development，and avoid the conventional finite element method requires remeshing problem． [Keywords]reinforced concrete；steel corrosion：extended finite element method；crack propagation 钢筋混凝土是一种经济，通用且获得成功的结构工程材 料。混凝土具有产量大，坚硬，耐用以及持久等多种优 良性能， 并有潜力抵御各种恶劣环境对其性能和结构造成的影响。然 而，钢筋混凝土在某些恶劣环境中，仍然会逐渐丧失原有的 能力。造成钢筋混凝土性能退化的原因是多种多样的，但公 认的主要原因之一是混凝土中的钢筋发生锈蚀引起的。 国内外许多学者对 由于钢筋锈蚀导致混凝土的性能下降 进行了多样研究并取得一定成果。 Coronelli和 Gambarova对锈蚀钢筋混凝土梁的性能进行 了评估。 Patil进行了受到锈蚀影响情况下钢筋混凝土梁的抗弯强 度研究。 Castel研究了锈蚀钏筋混凝土梁的表现机理。 牛荻涛采用电化学腐蚀原理分析并建立了在室内环境中 钢筋混凝土开裂的钢筋质量损失模型。 金伟 良研究了钢筋均匀锈蚀情况下锈蚀膨胀应力的计算 模型。 李海波在试验室中对混凝土试块进行加速锈蚀，并给出 了开裂时刻影响钢筋锈蚀率的相关关系参数。 王森对钢筋混凝土进行试验并采用有限元进行了验证， 并给予了评价。 吴瑛瑶将理论与试验相结合，深入研究了混凝土结构的 锈蚀机理和再生混凝土锈裂性能损失，提出讨论 了 “二阶段 理论”。 收稿日期 ：2O17 4_J03 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51268009)；广西自然科学 基金创新研究团队项目(2012GXNSFGA060001)：广西矿 冶与环境科学试验中心重点项目 (KH2O13zDo05) 作者简介 ：覃JII(1989一)，男，广西桂平人，主要研究方向为混凝 土耐久性。 这些研究从不同的角度方向对钢筋混凝土锈蚀机理作出 相应的分析和解释。然而，大部分研究是基于钢筋发生均匀 锈蚀的假设上进行的。这种假设具有一定缺陷，因为非均匀 锈蚀与锈蚀产物沿着钢筋的产生具有的随机性相关，所有当 采用均匀锈蚀方法研究锈蚀物扩散以及混凝土开裂过程与真 实情况会有一定的差别。 因此，本文结合现有研究成果，通过扩展有限元数值模 拟和实际试验结果对 比，对钢筋锈蚀引起的混凝土开裂破坏 过程进行探讨。 1 试验室试验 为了便于课题组后续锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能研究， 先期浇筑制作 150cm3的混凝土试件，采用20mm直径的月牙 纹三级钢筋放置于试件中部，钢筋两端伸出混凝土表面。试 块浇筑完成后，按国家混凝土试验规范标准，养护28d。 为加快混凝土锈蚀速度，在浇筑混凝土过程中，使用 5％ 浓度的氯化钠溶液替代普通水作为溶液，提高混凝土的导电 性能和氯离子浓度。此外，其余混凝土制备的配合比见表 l。 表1 试件混凝土的配合比 石粒／ 用砂量／ 水泥／ 含砂率／ 5％氯化钠／ 混凝土强度 水灰比 (kg／m ) (kg／m ) (kg／m3) ％ (kg／m3) C30 l108 623 404 36 210 O．52 养护后，取出作为对照组的试块进行抗压强度试验，试 验结果显示，试验制作的钢筋混凝土试块平均抗压强度为 31．4MPa。