鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)去鈍化過程的研究

崔寶慧 徐 立

(1.淮安經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)經(jīng)濟發(fā)展總公司 江蘇 淮安)(2.國網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司 四川 成都 610000)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)去鈍化過程的研究

崔寶慧1徐 立2

(1.淮安經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)經(jīng)濟發(fā)展總公司 江蘇 淮安)(2.國網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司 四川 成都 610000)

以COMSOL Multiphysics大型多物理場耦合有限元軟件為媒介，將溫度傳遞和水分運輸?shù)冗^程進行多場耦合，模擬了鋼筋去鈍化前的過程。

溫度傳遞;水分運輸;多場耦合;去鈍化

一、研究背景

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕過程可分為介質(zhì)侵蝕、鋼筋腐蝕膨脹和保護層開裂三個階段。鋼筋腐蝕膨脹過程研究集中于鋼筋腐蝕速率和腐蝕產(chǎn)物形狀分布等;保護層開裂過程研究集中于鋼筋腐蝕開裂的臨界腐蝕量和混凝土保護層的極限裂縫寬度等。

二、多場耦合模型

混凝土中的鋼筋表面覆有一層鈍化膜，其功能主要是抑制鋼筋的銹蝕。隨著腐蝕過程的進行，在鋼筋周向?qū)⑿纬筛g產(chǎn)物，會對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹壓力，并造成混凝土保護層開裂。

(一)侵蝕模型

本文考慮溫度傳遞和水分運輸過程，建立相應(yīng)的偏微分方程，通過求解偏微分方程組實現(xiàn)不同過程的多場耦合。

1.熱傳遞方程

將質(zhì)量守恒定律與傅里葉傳熱定律結(jié)合，可描述混凝土結(jié)構(gòu)的溫度分布:

式中:ρco為混凝土密度，2450kg/m3;cq為混凝土比熱容，960J/(mol·K);λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，2.94W/(m·K);T為混凝土內(nèi)部溫度，K。

2.水分運輸過程

將質(zhì)量守恒定律和廣義達西定律相結(jié)合，可描述混凝土結(jié)構(gòu)中的水分分布:

式中:itotal為總體腐蝕電流密度，A/m2;t1為鋼筋腐蝕開始的時間，s;AFe為鐵原子量，55.85g/mol;ZFe為陽極反應(yīng)化合價，2;ρs為鋼筋密度，7800kg/m3。

不同銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹率β取值各不相同，本文依據(jù)Kumiko Suda的試驗研究［1］，取β=3。不計腐蝕產(chǎn)物和鋼筋之間的壓縮變形，腐蝕層厚度r2(m)表達式為:

三、求解

對于偏微分方程的耦合，國內(nèi)外學(xué)者多采用有限元法和有限差分法，通過編寫程序完成。步驟復(fù)雜且可操作性差。本文基于COMSOL Multiphysics的數(shù)學(xué)模塊，通過直接自定義偏微分方程、初始條件和邊界條件來建立一個App應(yīng)用程序。在程序的建模、計算和可視化方面，可直接借助COMSOL軟件的前處理模塊、求解器模塊和后處理模塊，簡單方便且保證精度。

基于COMSOL Multiphysics軟件，針對本文模型，將熱傳遞、水分運輸偏微分方程進行耦合求解，得到不同時刻不同位置的氯離子侵蝕濃度;將不同時刻的腐蝕產(chǎn)物分布作為位移載荷，模擬相應(yīng)時刻的開裂情況，確定混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的時間。

四、建模

對于鋼筋/混凝土邊界的電化學(xué)邊界條件，采用通量形式定義［2］。

式中:Dh為水分擴散系數(shù)，m2/s;θw為孔隙水體積分數(shù);h為孔隙相對濕度。

(二)腐蝕開裂模型

根據(jù)法拉第定律，沿鋼筋周向的鋼筋半徑減小值r1表達式為:本文添加兩個輔助函數(shù)u1(Cc)和u2(Cc)［2］，形式如下:

圖1 鋼筋腐蝕率時程曲線

圖2 面主應(yīng)力分布時程圖

鋼筋腐蝕率隨時間變化情況見圖1，其近似成線性分布，且后期腐蝕率逐漸趨于平穩(wěn)。從第5.1年的腐蝕開始，到全截面腐蝕的第47.6年，腐蝕率增加到了5.047%，對結(jié)構(gòu)造成了顯著的影響。

圖2描述了面主應(yīng)力的分布情況，沿鋼筋環(huán)向的深紅色線條代表最大主應(yīng)力［3］，色澤越淺的線條其主應(yīng)力也越小。由于混凝土裂縫出現(xiàn)的隨機性和突發(fā)性，以主應(yīng)力大小來反映裂縫出現(xiàn)的概率更加符合工程實際。

五、結(jié)論

基于COMSOL軟件，考慮水分運輸、溫度傳遞和氯離子運輸?shù)亩鄨鲴詈希奢^準(zhǔn)確的預(yù)測出鋼筋去鈍化并開始腐蝕的時間。對于電化學(xué)腐蝕，很多學(xué)者均假定活化區(qū)/鈍化區(qū)比為定值，本文考慮活化區(qū)/鈍化區(qū)比的連續(xù)變化過程，模擬得到的鋼筋腐蝕過程更符合實際情況。

［1］ Zhang R，Castel A，F(xiàn)ran?ois R.Concrete cover cracking with reinforcement corrosion of RC beam during chloride－induced corrosion process［J］.Cement and Concrete Research，2010，40(3):415 －425.

［2］ Crete D.General Guidelines for Durability Design and Redesign［S］ ［J］.The European Union － Brite Eu Ram III，Project No.BE95 －1347:Probabilistic Performance Based Durability Design of Concrete Structures，Document，2000，15.

［3］姬永生，袁迎曙.恒定氣候混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕速率的時變特征與機理［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，36(2):153－158.

［4］袁迎曙，姬永生，牟艷君.混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕層發(fā)展和銹蝕量分布模型研究 ［J］.土木工程學(xué)報，2007，40(7):5－10.

崔寶慧 (1988－)，女，漢，山東青島平度市，助理工程師，碩士研究生，淮安經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)經(jīng)濟發(fā)展總公司;徐立 (1991－)，男，漢族，山東青島，碩士，國網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司，結(jié)構(gòu)工程。