鋼筋銹蝕膨脹對鋼筋-混凝土抗拔性能的三維數值分析

徐 進 趙宴增 周逸楓

(南京工業大學， 江蘇 南京 211816）

0 引言

地下結構物長期處于地下水環境，當其承受拉應力時，鋼筋表面混凝土保護層容易開裂[1]，具有一定腐蝕性的地下水和空氣能沿著混凝土裂縫侵入內部，導致鋼筋發生銹蝕，其銹蝕產物體積膨脹而引起混凝土產生銹脹應力[2]。若銹脹應力超過混凝土材料強度，混凝土裂縫會進一步發展，鋼筋與混凝土接觸面積減小，鋼筋-混凝土界面粘結強度、摩擦力和機械咬合力下降[3]，水、氣更容易侵入地下結構物，導致地下結構物的承載力和耐久性同時下降[4-5]。不少學者通過數值軟件模擬分析鋼筋銹蝕引起的鋼筋-混凝土界面粘結強度的變化規律，但此類研究往往通過修改鋼筋-混凝土界面的彈簧剛度大小實現兩者界面粘結強度的變化，較難反映銹脹引起的混凝土開裂現象。

針對鋼筋銹蝕產物引起混凝土開裂的情況，本文將采用ABAQUS 數值軟件，借助動力顯式算法開展鋼筋-混凝土拉拔試塊的三維大變形建模，通過引入混凝土損傷模型，模擬混凝土銹脹效應和鋼筋拉拔過程中混凝土損傷開裂和實體單元刪除，得到了相應的混凝土應力云圖和鋼筋拉力-位移曲線，分析不同鋼筋銹蝕膨脹情況下鋼筋-混凝土抗拔性能。

1 鋼筋-混凝土數值試驗模型

本文開展鋼筋-混凝土拉拔試驗的C30 混凝土試塊為150×150×150mm，選取直徑為16mm 的Q235 鋼筋，總長度為150mm，其粘結段的長度為80mm。混凝土模型考慮了損傷塑性，其彈性模量為34MPa，泊松比為0.2，密度為2420kg/m3，膨脹角為30°，摩擦系數為0.667；鋼筋為彈塑性，其彈性模量為20.6GPa，泊松比為0.3，密度為7890kg/m3，為模擬鋼筋銹蝕膨脹，設置了鋼筋的膨脹系數。

進行網格劃分，混凝土主體為六面體，而鋼筋肋紋咬合的混凝土部分為四面體，鋼筋為六面體，單元類型均設置為C3D8R。根據規定，鋼筋肋紋間距應小于鋼筋直徑的0.7 倍，取鋼筋肋紋之間的距離為10mm，鋼筋肋紋高寬為1mm。選定動力顯式求解并考慮單元刪除，網格劃分圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土試塊網格劃分圖

2 鋼筋-混凝土拉拔數值模擬結果

圖2 是鋼筋未發生銹蝕時，鋼筋拉拔量分別為0.1mm、0.2mm、0.3mm時所對應的混凝土應力云圖。混凝土應力沿著鋼筋-混凝土粘結界面擴散，在拉拔量為0.1mm 時，鋼筋與混凝土粘結界面的粘結應力主要集中于前半段而中后段粘結應力較小，隨著鋼筋拉拔的進行，前半段的粘結應力開始向中后段傳遞，混凝土沿著粘結界面的應力分布趨于平均。

圖3 是鋼筋銹蝕（初始膨脹率為0.6%）后，鋼筋拉拔0.1mm、0.2mm、0.3mm 時的混凝土應力云圖。由于鋼筋銹蝕膨脹的存在，拉拔前期，混凝土中已產生一定的銹脹應力，在拉拔的過程中界面粘結應力能夠較為均勻地在混凝土試塊中擴散。這主要歸因于鋼筋銹蝕后，銹蝕產物對混凝土產生膨脹應力，當銹脹應力超過混凝土強度后，鋼筋邊緣砂漿受擠壓破碎，錨固段鋼筋與砂漿之間的界面粘結強度降低，當鋼筋受拉時，沿鋼筋長度方向的粘結界面較早進入屈服狀態，粘結應力從開始就出現較為均勻分布現象。

圖2 鋼筋未銹蝕狀態下進行拉拔引起混凝土應力云圖

圖3 鋼筋膨脹率為0.6%時進行拉拔引起混凝土應力云圖

另一方面，鋼筋拉拔過程中會引起混凝土的材料損傷。圖4 和圖5 分別給出了鋼筋未膨脹狀態和膨脹率為0.6%時混凝土的應力損傷云。未拉拔之前，鋼筋銹蝕會導致初始的混凝土應力損傷(圖5a)。在鋼筋拉拔過程中，在鋼筋肋紋與混凝土接觸的地方最先產生裂紋開裂，這主要是由于鋼筋肋紋與混凝土的錯動咬合會引起該區域顯著的應力集中。而隨著鋼筋拉拔量的增加，鋼筋肋紋與混凝土錯動量增大引起裂紋擴展延伸至混凝土試塊邊緣，最后形成倒錐形的破壞區域(圖4c，4d)。而鋼筋存在初始銹蝕會引起鋼筋周圍混凝土的局部破碎，在拉拔之前鋼筋肋紋與混凝土的機械咬合力有一定程度的降低，因此在鋼筋拉拔過程中鋼筋肋紋與混凝土的錯動也較難引起裂紋的擴展延伸。

圖4 鋼筋未銹蝕狀態下進行拉拔引起混凝土應力損傷云圖

圖5 鋼筋膨脹率為0.6%時進行拉拔引起混凝土應力損傷云圖

圖6 進一步給出了鋼筋銹蝕體積膨脹對沿鋼筋長度方向鋼筋-混凝土界面剪切應力的影響。未銹蝕的鋼筋受拉后，鋼筋與混凝土之間存在相對位移而引起剪應力，從加載端沿長度方向迅速增大至最值，然后逐漸降低至0。而鋼筋銹蝕后，由于銹蝕產物的體積膨脹增大了鋼筋與混凝土之間的握裹力；鋼筋體積膨脹率為0.2%和0.4%時，剪應力均有所增大。若鋼筋銹蝕加劇，銹蝕產物引起的膨脹應力超過混凝土材料強度，導致混凝土裂縫增多，鋼筋與混凝土接觸面積降低，鋼筋拉拔過程中膨脹率為1.0%的界面剪切力較膨脹率為0.4%有較大幅度的降低，且剪應力分布較為均勻。

圖6 不同鋼筋銹蝕膨脹率情況下鋼筋-混凝土界面剪切應力分布

3 結束語

針對鋼筋銹蝕膨脹對鋼筋-混凝土拉拔性能的影響，本文通過數值軟件建立鋼筋-混凝土試塊三維模型，開展了鋼筋-混凝土拉拔數值模擬，分析了不同鋼筋銹蝕膨脹率情況下混凝土應力分布和材料損傷情況以及沿鋼筋長度方向剪應力的變化規律。結果表明，在一定鋼筋銹蝕膨脹率情況下，鋼筋和混凝土的握裹力達到最大值，而隨著鋼筋銹蝕的進一步增加，鋼筋與混凝土之間的粘結強度會有大幅度降低。