混凝土结构钢筋锈蚀与裂缝扩展时变模型研究项目摘要

钢筋锈蚀造成的钢筋混凝土结构耐久性退化问题已成为耐久性研究领域的重点研究问题，但目前主要研究成果仍主要集中于没有裂缝的混凝土构件。对于使用期间带裂缝或钢筋锈蚀产生顺筋裂缝的构件，其裂缝的扩展和钢筋的锈蚀是一个交互作用、加速发展的动态过程。本课题针对这一过程，以金属腐蚀电化学基本理论和混凝土断裂力学为基础，利用人工气候环境实验室模拟自然气候环境，通过扫描电镜、X衍射、热重分析等微观分析仪器测试混凝土裂缝特征与钢筋锈蚀产物主要成分及其在裂缝区域的分布规律，从而确定混凝土裂缝扩展与钢筋锈蚀交互作用的发展规律；再利用数值模拟等手段，建立混凝土裂缝区钢筋锈蚀和裂缝扩展的时变模型。在此基础上，针对裂缝区域钢筋锈蚀和裂缝扩展的特点，提出工程结构是否需要加固修复的判据，并探索经济合理的结构修复技术，为实际工程结构中混凝土裂缝区域钢筋锈蚀速率预计、结构剩余寿命预测以及选择合理的维修加固技术提供科学的依据。 2100433B

在一定应力腐蚀条件下，混凝土裂缝尖端的微裂缝会萌生、扩展、贯通和汇合促成断裂过程区的演变及裂缝的亚临界扩展，此过程长期发展累积有可能引发失稳断裂。因而可以认为断裂过程区及裂缝亚临界扩展的时变规律决定了混凝土材料的延迟断裂行为。为此，本项目将基于断裂、损伤力学和亚临界扩展理论，采用理论分析、试验测试与数值计算相结合的方法，对该问题进行深入研究。开展混凝土基本力学试验和I型、II型及I-II复合型裂缝的亚临界扩展试验，获取基本力学参数、裂缝扩展准则和亚临界扩展速度参数，观测断裂过程区的时变规律，建立既能考虑微裂缝随机分布、材料成份各向异性，又能模拟特定荷载下断裂过程区及裂缝亚临界扩展随时间而变的精细化数值模型，预测混凝土的延时断裂行为，揭示混凝土断裂过程区及裂缝亚临界扩展的时变机理。成果有望为裂损混凝土结构裂缝的长期扩展及稳定性分析提供一种新的方法。

传统的强度理论认为，当沥青罩面层中某点的临界应力超过沥青混凝土本身的极限强度时，沥青罩面层即达到破坏状态。实际上并非如此，沥青罩面层中的反射裂缝从其产生到整个路面破坏，中间要经历一个裂缝扩展阶段，即反射裂缝在罩面层厚度方向上的纵向扩展和在其表面的横向扩展。

反射裂缝的纵向扩展

断裂力学认为，裂缝的扩展有三种位移模式：张开模式、剪切模式和撕开模式。其中温度应力对反射裂缝影响的模式为张开模式，行车荷载对反射裂缝影响的主要模式是张开模式和剪切模式。当车轮驶经裂缝的正上方时，以张开模式来引起反射裂缝，当车轮驶在裂缝之前和之后的位置时，以剪切模式影响反射裂缝。撕开模式在罩面层中不常出现。与张开模式相对应的温度型反射裂缝通常产生于罩面层的底部，而后向上逐渐扩展到罩面层顶面。Rigo等人应用SAPLI5程序模拟温度应力作用下反射裂缝的扩展路径，几乎是垂直向上扩展的，但当气温非常低时，Haas认为，裂缝产生在罩面层的顶面和底面，而后向罩面层中间扩展，裂缝的这种扩展方式在Button的“罩面试验”中得到验证。对于正荷载作用下的张拉位移模式所对应的反射裂缝，一般产生于罩面层的底面，在周期性荷载的作用下垂直向上扩展。Brown和Caltabiano在室内试验都证实了裂缝的这种扩展模式。在偏荷载作用时，反射裂缝以剪切模式在罩面层中向上扩展，Rigo等人对其扩展路径进行了分析，认为裂缝在罩面层中是沿45.角的方向向上扩展的。当车轮荷载（偏荷载）和温度应力共同作用于复合罩面结构时，Rigo等人的分析结果显示，裂缝的扩展介于偏荷载和温度应力单独作用时裂缝扩展路径之间，比偏荷载作用时的裂缝扩展途径更垂直一些 。

反射裂缝的横向扩展

反射裂缝在瞬间是不可能贯穿整个路面宽度，除非在应力作用时，裂缝的长度已经等于或大于相对整个路面宽度的临界长度（这里的临界长度是指当裂缝的长度接近或大于该长度时，裂缝的扩展非常快而且是不稳定的）。较为合理的发展过程是裂缝首先在路表面某些位置产生，然后再向两侧扩展。一般情况下，反射裂缝多出现在轮迹处，因为温度对反射裂缝的影响在整个路面宽度内都是相同的，而行车荷载则是以一定的频率分布在车道上的，尤其在渠化交通的道路上。与罩面层开裂有关的问题是环境因素的负效应，反射裂缝一经出现，水分的浸入、氧化以及行车的反复作用，常常使得反射裂缝加速向四周扩展，即使裂缝贯穿整个路面宽度，也不会立即影响到行车的舒适性。同时，如果在罩面层与旧路面板之间加入了防反措施，如土工织物、SAMI等不透水材料，即使反射裂缝出现在罩面层顶面，如果这些不透水材料仍不破裂，那么就可以减少环境因素的影响，使罩面层保持在一定的使用水平，直到反射裂缝处的材料出现恶化。因此，即使罩面层中出现了裂缝，路面并不就因此而“破坏”了，如何定义路面的损坏将直接关系到罩面层的设计寿命 。2100433B