鋼筋混凝土銹脹開裂研究現狀

李潤宇

華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510641

引言

混凝土是目前應用最廣泛的建筑結構材料，鋼筋混凝土結構則是當前土木工程領域應用最頻繁的結構，不論是海底隧道、房屋住宅抑或是道路橋梁，都可以發現鋼筋混凝土的大量使用。同時，在海洋環境、鹽堿地帶等使用場景中鋼筋混凝土也常常充當大規模開發的基礎材料。

在腐蝕環境下服役的鋼筋混凝土結構中，鋼筋銹蝕是造成結構耐久性不足的主要外在因素。通常情況下，混凝土內部的鋼筋會受到表面穩定的惰性氧化膜的保護而不發生銹蝕。然而，鈍化膜可能會因為氯化物的侵蝕而受損。一旦鋼發生去鈍化反應，在有足夠的水分和氧氣的情況下就會開始發生腐蝕反應。隨著鋼的消耗，腐蝕產物逐漸形成并膨脹，使得鋼筋周圍的混凝土承受徑向壓力，并進一步在混凝土保護層中產生拉應力。一旦應力達到混凝土的抗拉強度，結構就會形成裂縫，并最終導致保護層的分層或剝落。

1 理論研究

在鋼筋混凝土銹脹開裂的理論模型中，大多數都由彈性力學解下的厚壁圓筒模型推導得到。在厚壁圓筒模型中，鋼筋周圍的混凝土被簡化為空心圓柱體結構，其壁厚等于鋼筋周圍所有側面的最小保護層厚度。該模型假定鋼筋銹蝕均勻，通過將均勻的銹脹壓力或位移邊界作用在空心圓柱體的內邊界，模擬銹蝕產物的膨脹和對混凝土的擠壓作用。1979年，Ba?ant[1]基于電化學原理，提出了海洋環境下服役的鋼筋混凝土結構銹蝕的平面應力物理模型，并分析了保護層開裂的兩種破壞模式——順筋破壞和分層破壞。1998年，Liu等人[2]在沒有考慮開裂混凝土的剩余剛度的前提下，假設鋼筋周圍混凝土在保護層開裂破壞時，各點環向應力在同一時刻達到抗拉強度，由平衡條件計算得到破壞時刻下的銹脹力。2001年，Pantazopoulou等人[3]將混凝土假設為各向異性材料，通過對由鋼筋徑向位移表示的控制方程用有限差分法進行離散，給出了保護層開裂的臨界銹蝕質量估計式。2005年，Bhargava等人[4]將混凝土與銹蝕產物視為一個整體，具有相同的彈性模量與泊松比，求解了由徑向位移邊界表示的邊值問題，提出了預測保護層開裂時間的模型。2007年，Maaddawy等人[5]基于法拉第定律建立了鋼筋的質量損失與界面銹脹壓力的關系，預測了銹脹開裂的時間。2010年，Chernin等[6]采用雙層厚壁圓筒模型，將混凝土劃分為已經開裂和尚未開裂的兩部分，假設了沿半徑方向變化的環向彈性模量來考慮裂縫擴展的情況。

盡管與相關領域文獻中的實驗結果相比，上述分析模型在開裂時間或開裂時的鋼材損失量上可以獲得相當的一致性，但上述模型均具有一個共同特點，即將裂縫的影響彌散在整個圓周上，假設應力和裂縫沿混凝土周向均勻分布，這顯然無法捕捉到裂縫的局部化機制，也就無法合理地描述裂縫的開展方式。同時，理論模型較為復雜且許多參數（如鋼筋-混凝土界面的空隙厚度與氧化產物的體積膨脹率等）尚未有明確取值，這也降低了理論公式的實用性。

2 試驗研究

由于自然環境中的鋼筋混凝土銹脹開裂的發生通常需要較長時間（幾年到幾十年不等），自然環境下的銹脹開裂試驗需要耗費大量的人力物力，因此學界常采用通電加速銹蝕方法、機械加壓擴孔模擬膨脹及人工氣候加速試驗方法來等效考慮自然環境下的鋼筋銹蝕膨脹作用，試驗目標主要集中在研究銹脹開裂的裂縫開展方式、裂縫寬度及試件開裂時間的變化規律。

1993年，Andrade等[7]進行了鋼筋通電加速銹蝕試驗，發現僅需要很小的銹蝕量便可以使混凝土保護層產生寬度約為0.1mm的微裂縫，并且基于法拉第定律給出了銹蝕深度與時間的計算公式。1998年，Alonso等[8]也通過通電加速銹蝕的方式討論了不同的保護層厚度與鋼筋直徑的比值c/d和鋼筋澆筑的位置對保護層開裂的影響。2000年，Williamson等[9]對混凝土試件進行鉆孔，通過對孔邊進行加壓模擬銹蝕產物膨脹，觀察了不同的保護層厚度與鋼筋直徑比值c/d下的構件裂縫開展方式以及最大銹脹壓力的變化。2007年，袁迎曙等[10]基于人工氣候加速試驗，對加速銹蝕的試件進行了切面觀察，發現了銹蝕主要發生在鋼筋面臨保護層的一側半圓周上，且產物呈現半橢圓分布。2011年，Tran等[11]通過人工氣候加速試驗，記錄了裂縫的開展方式和裂縫寬度的變化。2012年，姬永生等[12]進行了通直流電加速試驗方法與人工氣候加速試驗方法的對比試驗，提出通直流電模擬銹蝕狀態下的產物分布近似于均勻分布，而人工氣候加速試驗方法下的產物分布為非均勻分布，與自然銹蝕狀態下的情況相近。2017年，Perdrosa等[13]進行了恒電流加速腐蝕試驗，考慮不同電流密度對腐蝕速率和裂縫開展的影響，給出了裂紋寬度隨腐蝕速率的關系式。

需要指出的是，由于通電銹蝕及人工環境加速銹蝕都涉及銹蝕產物的生成與膨脹，而銹蝕產物往往會填充到混凝土的微孔洞與裂縫中，這將對鋼筋混凝土銹脹開裂的試驗分析及數值模擬造成較大影響，而這種影響又是較難量化與估計的。同時，鋼筋混凝土銹脹開裂試驗涉及混凝土的材料摻和比、相對保護層厚度、鋼筋尺寸及位置、環境介質濃度、電流大小等多種因素，這也導致了不同學者所得到的試驗結果一致性較差[14]。

3 數值模擬

20世紀以來，隨著計算機技術的飛速發展，具有可重復性高、成本低、分析效率高、可排除偶然因素對結果的影響等諸多優點的數值模擬正逐漸成為分析鋼筋混凝土銹脹開裂破壞的有力工具。

在考慮銹蝕產物的對混凝土的擠壓作用時，國內外學者主要通過在鋼筋-混凝土界面上施加徑向位移邊界、徑向壓力以及溫度膨脹等形式來等效氧化產物的膨脹效應，從而得到混凝土的開裂發展規律及結構響應。

1992年，Dagher[15]等采用彌散裂縫模型，通過施加節點位移來模擬銹蝕產物的體積膨脹導致的混凝土破壞過程。1999年，張偉平[16]將銹蝕產物的體積膨脹作用等效為溫度膨脹環，通過改變膨脹環的厚度來考慮不同程度的銹蝕，同時也討論了不同保護層厚度和鋼筋半徑及鋼筋位置對銹脹力的影響。2011年，Tran[17]等基于剛體彈簧法（RBSM），將鋼筋混凝土分為三相材料來模擬鋼筋腐蝕引起的裂縫開展。2012年，邱兆國[18]等基于塑性損傷理論，通過等效的位移邊界來考慮鋼筋的銹脹作用，分析了保護層厚度及鋼筋直徑對臨界銹蝕率的影響。2013年，朱杰[19]等基于非均勻銹脹理論，采用擴展有限元方法（XFEM）建立了鋼筋混凝土銹脹開裂模型，發現預裂紋的產生抑制了混凝土的起裂。2017年，汪奔[20]等基于商用軟件Abaqus和等效銹脹位移邊界建立了鋼筋均勻銹蝕和非均勻銹蝕的混凝土開裂模型，并發現保護層發生內裂時，非均勻銹蝕下的臨界銹蝕位移要遠大于均勻銹蝕下的情況。2019年，王坤[21]等基于黏聚力單元建立了鋼筋混凝土銹脹開裂模型，討論了箍筋、保護層厚度等參數對裂縫開展的影響。2020年，胡志堅[22]等基于塑性損傷理論，采用有限元軟件Abaqus模擬了銹脹產物的均勻膨脹，建立了最大銹脹力的計算公式。上述數值模擬中涉及的固體開裂模擬方法大多數都需要網格重劃分或預定義的裂紋擴展路徑，這極大地限制了其在鋼筋銹脹等復雜作用下結構開裂損傷問題中的應用。

上述模型大多屬于在力場作用下的銹脹開裂模型，然而鋼筋混凝土銹脹開裂問題本身是一個涉及力場、化學擴散及電化學過程的多場耦合問題。有害介質的擴散引起了腐蝕反應的發生，進而改變了混凝土力場的分布，并最終導致了裂縫的開展；裂縫的開展同時加速了有害介質的化學擴散作用，也降低了材料的力學性能。該耦合影響機制將加速結構的開裂破壞，降低結構的使用壽命。當前，能夠合理考慮不同物理場之間的復雜耦合關系與影響機制的數值模型相對較少。

4 結束語

盡管相對于試驗研究及理論研究，數值模擬能夠以低成本、分析效率高等優點更好地分析鋼筋混凝土銹脹開裂問題，當前的數值模型并不能合理考慮該問題涉及的多物理場耦合背景。因此，開展多物理場耦合作用下的鋼筋混凝土銹脹開裂數值模擬具有重要意義，亟須提出能夠合理考慮多物理場復雜相互作用的鋼筋混凝土銹脹開裂數值模型。