混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕與裂縫擴展時變模型研究項目摘要

鋼筋銹蝕造成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化問題已成為耐久性研究領(lǐng)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(gòu)件。對于使用期間帶裂縫或鋼筋銹蝕產(chǎn)生順筋裂縫的構(gòu)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(xué)基本理論和混凝土斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，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(chǔ)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(jié)構(gòu)是否需要加固修復(fù)的判據(jù)，并探索經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)，為實際工程結(jié)構(gòu)中混凝土裂縫區(qū)域鋼筋銹蝕速率預(yù)計、結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測以及選擇合理的維修加固技術(shù)提供科學(xué)的依據(jù)。 2100433B

在一定應(yīng)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(xué)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(jié)合的方法，對該問題進行深入研究。開展混凝土基本力學(xué)試驗和I型、II型及I-II復(fù)合型裂縫的亞臨界擴展試驗，獲取基本力學(xué)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(yù)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(jié)構(gòu)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(dāng)瀝青罩面層中某點的臨界應(yīng)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(xué)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)用SAPLI5程序模擬溫度應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)車輪荷載（偏荷載）和溫度應(yīng)力共同作用于復(fù)合罩面結(jié)構(gòu)時，Rigo等人的分析結(jié)果顯示，裂縫的擴展介于偏荷載和溫度應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(cè)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(guān)的問題是環(huán)境因素的負效應(yīng)，反射裂縫一經(jīng)出現(xiàn)，水分的浸入、氧化以及行車的反復(fù)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(guān)系到罩面層的設(shè)計壽命 。2100433B