混凝土結(jié)構(gòu)銹裂過(guò)程中鋼筋與混凝土的界面行為研究

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋脫鈍至鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土保護(hù)層表面開(kāi)裂這個(gè)過(guò)程對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能和壽命有著重要的影響；但就目前已取得的研究成果，尚無(wú)法全面揭示混凝土結(jié)構(gòu)銹裂全過(guò)程機(jī)理，也無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混凝土表面銹裂時(shí)刻。由于混凝土銹裂模型中尚未解決的問(wèn)題多集中在鋼筋銹蝕以后鋼筋/混凝土的界面行為，因此本項(xiàng)目擬以混凝土結(jié)構(gòu)銹裂全過(guò)程為研究主線，以理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合為研究手段，從結(jié)構(gòu)工程、材料學(xué)和力學(xué)原理等學(xué)科的交叉領(lǐng)域，對(duì)銹裂過(guò)程中鋼筋/混凝土界面行為進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)該過(guò)程中鋼筋/混凝土界面行為的機(jī)理描述，揭示界面鋼筋銹蝕產(chǎn)物組份、微觀力學(xué)性能及其在銹裂過(guò)程中的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律，建立混凝土結(jié)構(gòu)因鋼筋銹蝕而引發(fā)的混凝土內(nèi)裂閾值與表面開(kāi)裂時(shí)刻的預(yù)測(cè)模型。本項(xiàng)目的研究對(duì)于完善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析理論體系具有重要的作用，對(duì)實(shí)際混凝土工程銹裂狀態(tài)的預(yù)測(cè)也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

本項(xiàng)目對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的銹脹開(kāi)裂、發(fā)展直至剝落的損傷全過(guò)程進(jìn)行研究。利用掃描電鏡觀測(cè)干濕循環(huán)環(huán)境中劣化多年的銹蝕鋼筋混凝土試件，研究鋼筋/混凝土界面銹層填充周邊混凝土的動(dòng)態(tài)發(fā)展行為，首次定量測(cè)試填入界面混凝土孔隙的鋼筋銹蝕產(chǎn)物。運(yùn)用損傷力學(xué)對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行銹脹開(kāi)裂全過(guò)程分析，重新構(gòu)建混凝土表面銹裂預(yù)測(cè)模型，可更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)混凝土表面銹裂時(shí)刻。研究干濕循環(huán)環(huán)境中劣化多年的銹蝕鋼筋混凝土試塊，分析銹蝕鋼筋與混凝土界面處的非均勻銹層分布規(guī)律，建立了基于高斯函數(shù)的混凝土內(nèi)鋼筋銹層非均勻幾何分布模型，模型參數(shù)均具有明確的物理意義，模型參數(shù)均具有明確的物理意義并得到了數(shù)學(xué)驗(yàn)證；提出了多重高斯模型，以表征多條銹脹裂縫所對(duì)應(yīng)的多個(gè)銹峰。研究混凝土銹脹裂縫發(fā)展過(guò)程，建立了考慮箍筋約束作用的表面裂縫寬度預(yù)測(cè)模型以及表征銹脹裂縫從鋼筋表面到保護(hù)層表面各點(diǎn)寬度的裂縫形態(tài)模型；提出表面開(kāi)裂時(shí)裂縫寬度不為0，建議取值0.1 mm，該成果被編入浙江省規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)規(guī)程》；提出了以裂縫面積作為損傷參數(shù)來(lái)表征混凝土構(gòu)件的損傷情況。研究表明環(huán)境與荷載耦合作用對(duì)混凝土構(gòu)件造成的裂縫損傷大于單一環(huán)境和單一荷載所造成的損傷之和；箍筋的銹蝕會(huì)對(duì)縱筋的銹蝕及縱向裂縫的發(fā)展造成影響。通過(guò)有限元建模，考慮保護(hù)層厚度、鋼筋直徑和間距等構(gòu)件幾何尺寸因素，分析混凝土內(nèi)的銹脹裂縫分布形態(tài)，進(jìn)行混凝土保護(hù)層銹裂剝落的破壞類(lèi)型分析；結(jié)合試驗(yàn)研究，判斷混凝土剝落的臨界狀態(tài)，并結(jié)合損傷力學(xué)建立混凝土保護(hù)層剝落的預(yù)測(cè)模型。 本項(xiàng)目的研究對(duì)于完善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析理論體系具有重要的作用，對(duì)實(shí)際混凝土工程銹裂、剝落狀態(tài)的預(yù)測(cè)與控制也具有重要的應(yīng)用價(jià)值?；谏鲜鲅芯砍晒?，發(fā)表13篇標(biāo)注本項(xiàng)目資助學(xué)術(shù)論文，其中SCI收錄論文7篇（其中5篇在影響因子為5.154的高水平國(guó)際期刊上發(fā)表）。獲批1項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，完成1部英文專(zhuān)著Steel corrosion-induced concrete cracking。 2100433B

混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的銹脹開(kāi)裂、發(fā)展直至剝落的損傷全過(guò)程對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能和使用壽命均有著重要的影響。但就目前已取得的研究成果，尚無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混凝土表面銹裂時(shí)刻；而混凝土保護(hù)層剝落機(jī)理和預(yù)測(cè)方面工作鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本項(xiàng)目擬考慮混凝土結(jié)構(gòu)受外部荷載和非均勻鋼筋銹蝕作用等實(shí)際情況，從結(jié)構(gòu)工程、材料學(xué)和力學(xué)原理等學(xué)科的交叉領(lǐng)域，研究非均勻銹蝕受荷混凝土構(gòu)件的銹裂、剝落行為，建立與實(shí)際工程情況相符合的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面銹裂預(yù)測(cè)模型；基于銹裂形態(tài)模型，研究銹脹裂縫在混凝土表面處裂寬的發(fā)展規(guī)律，建立與荷載、環(huán)境和時(shí)間相關(guān)的混凝土表面銹裂寬度預(yù)測(cè)模型；研究荷載作用下銹蝕混凝土構(gòu)件保護(hù)層剝落機(jī)理，建立混凝土保護(hù)層剝落極限狀態(tài)方程和預(yù)測(cè)模型。本項(xiàng)目的研究工作對(duì)于完善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析理論體系具有重要的作用，對(duì)實(shí)際混凝土工程銹裂、剝落狀態(tài)的預(yù)測(cè)與控制也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本項(xiàng)目以海砂混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能為研究主題。實(shí)驗(yàn)研究海砂混凝土的物化組成、微孔形貌和應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律；結(jié)合理論分析探討海砂混凝土腐蝕行為和鋼筋銹蝕形態(tài)，掌握銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系變化特征，獲得鋼筋銹蝕速率計(jì)算模型；提取定量表征結(jié)構(gòu)性能演化的序參量，建立海砂混凝土微觀腐蝕與結(jié)構(gòu)宏觀性能的邏輯關(guān)聯(lián)；基于劣化結(jié)構(gòu)基本單元?jiǎng)恿π阅艿哪Ｐ驮囼?yàn)結(jié)果，構(gòu)建能夠較好反映鋼筋銹脹引起的海砂混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層開(kāi)裂與脫落、粘結(jié)失效與滑移機(jī)制的有限元分析模型，實(shí)現(xiàn)海砂混凝土梁柱構(gòu)件恢復(fù)力特性的合理推定；借助商用有限元分析軟件進(jìn)行海砂混凝土框架結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析，探討劣化海砂混凝土結(jié)構(gòu)正常使用和倒塌失效準(zhǔn)則下的抗震能力衰變規(guī)律，掌握地震作用下處于不同劣化狀態(tài)的結(jié)構(gòu)失效機(jī)制和重要失效模式。為系統(tǒng)開(kāi)展既有海砂混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估與加固、提升新建海砂混凝土結(jié)構(gòu)抗震可靠性提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)海砂資源化利用。