混凝土結構鋼筋銹蝕與裂縫擴展時變模型研究

鋼筋銹蝕造成的鋼筋混凝土結構耐久性退化問題已成為耐久性研究領域的重點研究問題，但目前主要研究成果仍主要集中于沒有裂縫的混凝土構件。對于使用期間帶裂縫或鋼筋銹蝕產(chǎn)生順筋裂縫的構件，其裂縫的擴展和鋼筋的銹蝕是一個交互作用、加速發(fā)展的動態(tài)過程。本課題針對這一過程，以金屬腐蝕電化學基本理論和混凝土斷裂力學為基礎，利用人工氣候環(huán)境實驗室模擬自然氣候環(huán)境，通過掃描電鏡、X衍射、熱重分析等微觀分析儀器測試混凝土裂縫特征與鋼筋銹蝕產(chǎn)物主要成分及其在裂縫區(qū)域的分布規(guī)律，從而確定混凝土裂縫擴展與鋼筋銹蝕交互作用的發(fā)展規(guī)律；再利用數(shù)值模擬等手段，建立混凝土裂縫區(qū)鋼筋銹蝕和裂縫擴展的時變模型。在此基礎上，針對裂縫區(qū)域鋼筋銹蝕和裂縫擴展的特點，提出工程結構是否需要加固修復的判據(jù)，并探索經(jīng)濟合理的結構修復技術，為實際工程結構中混凝土裂縫區(qū)域鋼筋銹蝕速率預計、結構剩余壽命預測以及選擇合理的維修加固技術提供科學的依據(jù)。 2100433B

在一定應力腐蝕條件下，混凝土裂縫尖端的微裂縫會萌生、擴展、貫通和匯合促成斷裂過程區(qū)的演變及裂縫的亞臨界擴展，此過程長期發(fā)展累積有可能引發(fā)失穩(wěn)斷裂。因而可以認為斷裂過程區(qū)及裂縫亞臨界擴展的時變規(guī)律決定了混凝土材料的延遲斷裂行為。為此，本項目將基于斷裂、損傷力學和亞臨界擴展理論，采用理論分析、試驗測試與數(shù)值計算相結合的方法，對該問題進行深入研究。開展混凝土基本力學試驗和I型、II型及I-II復合型裂縫的亞臨界擴展試驗，獲取基本力學參數(shù)、裂縫擴展準則和亞臨界擴展速度參數(shù)，觀測斷裂過程區(qū)的時變規(guī)律，建立既能考慮微裂縫隨機分布、材料成份各向異性，又能模擬特定荷載下斷裂過程區(qū)及裂縫亞臨界擴展隨時間而變的精細化數(shù)值模型，預測混凝土的延時斷裂行為，揭示混凝土斷裂過程區(qū)及裂縫亞臨界擴展的時變機理。成果有望為裂損混凝土結構裂縫的長期擴展及穩(wěn)定性分析提供一種新的方法。

傳統(tǒng)的強度理論認為，當瀝青罩面層中某點的臨界應力超過瀝青混凝土本身的極限強度時，瀝青罩面層即達到破壞狀態(tài)。實際上并非如此，瀝青罩面層中的反射裂縫從其產(chǎn)生到整個路面破壞，中間要經(jīng)歷一個裂縫擴展階段，即反射裂縫在罩面層厚度方向上的縱向擴展和在其表面的橫向擴展。

反射裂縫的縱向擴展

斷裂力學認為，裂縫的擴展有三種位移模式：張開模式、剪切模式和撕開模式。其中溫度應力對反射裂縫影響的模式為張開模式，行車荷載對反射裂縫影響的主要模式是張開模式和剪切模式。當車輪駛經(jīng)裂縫的正上方時，以張開模式來引起反射裂縫，當車輪駛在裂縫之前和之后的位置時，以剪切模式影響反射裂縫。撕開模式在罩面層中不常出現(xiàn)。與張開模式相對應的溫度型反射裂縫通常產(chǎn)生于罩面層的底部，而后向上逐漸擴展到罩面層頂面。Rigo等人應用SAPLI5程序模擬溫度應力作用下反射裂縫的擴展路徑，幾乎是垂直向上擴展的，但當氣溫非常低時，Haas認為，裂縫產(chǎn)生在罩面層的頂面和底面，而后向罩面層中間擴展，裂縫的這種擴展方式在Button的“罩面試驗”中得到驗證。對于正荷載作用下的張拉位移模式所對應的反射裂縫，一般產(chǎn)生于罩面層的底面，在周期性荷載的作用下垂直向上擴展。Brown和Caltabiano在室內(nèi)試驗都證實了裂縫的這種擴展模式。在偏荷載作用時，反射裂縫以剪切模式在罩面層中向上擴展，Rigo等人對其擴展路徑進行了分析，認為裂縫在罩面層中是沿45.角的方向向上擴展的。當車輪荷載（偏荷載）和溫度應力共同作用于復合罩面結構時，Rigo等人的分析結果顯示，裂縫的擴展介于偏荷載和溫度應力單獨作用時裂縫擴展路徑之間，比偏荷載作用時的裂縫擴展途徑更垂直一些 。

反射裂縫的橫向擴展

反射裂縫在瞬間是不可能貫穿整個路面寬度，除非在應力作用時，裂縫的長度已經(jīng)等于或大于相對整個路面寬度的臨界長度（這里的臨界長度是指當裂縫的長度接近或大于該長度時，裂縫的擴展非?？於沂遣环€(wěn)定的）。較為合理的發(fā)展過程是裂縫首先在路表面某些位置產(chǎn)生，然后再向兩側擴展。一般情況下，反射裂縫多出現(xiàn)在輪跡處，因為溫度對反射裂縫的影響在整個路面寬度內(nèi)都是相同的，而行車荷載則是以一定的頻率分布在車道上的，尤其在渠化交通的道路上。與罩面層開裂有關的問題是環(huán)境因素的負效應，反射裂縫一經(jīng)出現(xiàn)，水分的浸入、氧化以及行車的反復作用，常常使得反射裂縫加速向四周擴展，即使裂縫貫穿整個路面寬度，也不會立即影響到行車的舒適性。同時，如果在罩面層與舊路面板之間加入了防反措施，如土工織物、SAMI等不透水材料，即使反射裂縫出現(xiàn)在罩面層頂面，如果這些不透水材料仍不破裂，那么就可以減少環(huán)境因素的影響，使罩面層保持在一定的使用水平，直到反射裂縫處的材料出現(xiàn)惡化。因此，即使罩面層中出現(xiàn)了裂縫，路面并不就因此而“破壞”了，如何定義路面的損壞將直接關系到罩面層的設計壽命 。2100433B