考虑氯离子扩散的二维钢筋混凝土锈胀开裂数值模拟方法

摘要

近年来，在世界范围内混凝土结构中钢筋锈蚀问题越发严重，钢筋锈蚀导致混凝土保护层剥落，结构承载力能力降低等收到业界人士的关注。氯离子对钢筋的锈蚀是造成钢筋锈蚀的首要原因。随着锈蚀程度的加大，混凝土保护层开裂，对结构使用寿命造成较大的影响。因此，研究氯离子侵蚀下，钢筋锈蚀膨胀混凝土开裂的结构耐久性问题具有极其重要的意义。
　　本文主要研究钢筋混凝土结构在氯离子侵蚀下钢筋锈胀开裂的问题。通过编写程序，实现氯离子在混凝土中的扩散及钢筋锈蚀膨胀混凝土开裂的数值模拟。并且研究了骨料、钢筋直径、温度、湿度对氯离子的扩散的影响，钢筋直径、保护层厚度对混凝土保护层锈胀开裂的影响。
　　通过介绍扩散的基本理论及预测模型，分析氯离子扩散的影响因素，建立多种因素下的氯离子扩散模型。模型考虑了温度、湿度、水灰比、氯离子浓度对扩散系数的影响，分析了骨料边界层对氯离子扩散的影响。建立了氯离子扩散的锈蚀形态模型。根据钢筋混凝土氯离子扩散模型，计算钢筋表面氯离子浓度值，提出了氯离子对钢筋锈蚀计算模型。以氯离子锈蚀钢筋模型为基础，研究了钢筋保护层厚度、钢筋直径、钢筋位置对钢筋锈蚀的影响。
　　结合钢筋锈蚀量计算模型，提出了锈蚀膨胀压力计算方法。钢筋锈蚀产物膨胀，但由于周围混凝土的约束，锈蚀产物与未锈蚀的钢筋组成的混和系统受压收缩。由混合系统等效的弹性模量及应变计算钢筋锈蚀膨胀压力值。建立格构式开裂模型，计算模型中钢筋节点的膨胀压力。由于钢筋为非均匀锈蚀，锈蚀膨胀压力值随着钢筋量而变化，根据氯离子扩散模型计算的钢筋锈蚀膨胀压力，转换到格构式模型钢筋节点位置的等效压力值。根据格构式模型的基本原理，在混凝土随机骨料模型基础上建立二维混凝土格构式模型，并由钢筋锈蚀形态计算锈胀压力，以施加膨胀压力方法模拟混凝土的锈胀开裂。
　　利用完善后的程序对钢筋混凝土的锈胀开裂进行模拟，研究钢筋直径、保护层厚度、钢筋位置对保护层开裂的影响，并以该方法模拟自然锈蚀实验，将模拟结果与实验结果进行对比分析，论证本方法的可行性及其存在的缺陷。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1研究背景、意义

1.2混凝土中氯离子扩散理论研究

1.3钢筋锈蚀保护层开裂理论研究

1.4钢筋混凝土锈蚀胀裂破坏实验研究

1.5本文主要研究内容

2 氯离子扩散数值模拟

2.1氯离子扩散模型

2.2氯离子扩散数值模拟方法

2.3骨料边界层对氯离子的扩散影响

2.4氯离子扩散实例

2.5本章小结

3 钢筋锈蚀膨胀数值模拟

3.1考虑氯离子扩散的钢筋锈蚀模拟

3.2钢筋锈蚀形态影响因素分析

3.3本章小结

4 混凝土保护层开裂数值模拟

4.1基于格构式模型的混凝土保护层锈胀开裂数值模拟方法

4.2钢筋锈胀压力计算

4.3自由网格模型与格构式模型钢筋锈胀节点力转换

4.4钢筋混凝土保护层开裂

4.5本章小结

5 主要结论与展望

5.1全文总结

5.2本文创新点

5.3研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间的发明专利

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目