混凝土结构锈裂、剥落机理及预测模型研究结题摘要

本项目对混凝土结构保护层的锈胀开裂、发展直至剥落的损伤全过程进行研究。利用扫描电镜观测干湿循环环境中劣化多年的锈蚀钢筋混凝土试件，研究钢筋/混凝土界面锈层填充周边混凝土的动态发展行为，首次定量测试填入界面混凝土孔隙的钢筋锈蚀产物。运用损伤力学对混凝土构件进行锈胀开裂全过程分析，重新构建混凝土表面锈裂预测模型，可更准确地预测混凝土表面锈裂时刻。研究干湿循环环境中劣化多年的锈蚀钢筋混凝土试块，分析锈蚀钢筋与混凝土界面处的非均匀锈层分布规律，建立了基于高斯函数的混凝土内钢筋锈层非均匀几何分布模型，模型参数均具有明确的物理意义，模型参数均具有明确的物理意义并得到了数学验证；提出了多重高斯模型，以表征多条锈胀裂缝所对应的多个锈峰。研究混凝土锈胀裂缝发展过程，建立了考虑箍筋约束作用的表面裂缝宽度预测模型以及表征锈胀裂缝从钢筋表面到保护层表面各点宽度的裂缝形态模型；提出表面开裂时裂缝宽度不为0，建议取值0.1 mm，该成果被编入浙江省规范《混凝土结构耐久性技术规程》；提出了以裂缝面积作为损伤参数来表征混凝土构件的损伤情况。研究表明环境与荷载耦合作用对混凝土构件造成的裂缝损伤大于单一环境和单一荷载所造成的损伤之和；箍筋的锈蚀会对纵筋的锈蚀及纵向裂缝的发展造成影响。通过有限元建模，考虑保护层厚度、钢筋直径和间距等构件几何尺寸因素，分析混凝土内的锈胀裂缝分布形态，进行混凝土保护层锈裂剥落的破坏类型分析；结合试验研究，判断混凝土剥落的临界状态，并结合损伤力学建立混凝土保护层剥落的预测模型。 本项目的研究对于完善混凝土结构耐久性分析理论体系具有重要的作用，对实际混凝土工程锈裂、剥落状态的预测与控制也具有重要的应用价值。基于上述研究成果，发表13篇标注本项目资助学术论文，其中SCI收录论文7篇（其中5篇在影响因子为5.154的高水平国际期刊上发表）。获批1项发明专利，完成1部英文专著Steel corrosion-induced concrete cracking。 2100433B

混凝土结构保护层的锈胀开裂、发展直至剥落的损伤全过程对混凝土结构的服役性能和使用寿命均有着重要的影响。但就目前已取得的研究成果，尚无法准确预测混凝土表面锈裂时刻；而混凝土保护层剥落机理和预测方面工作鲜见文献报道。因此，本项目拟考虑混凝土结构受外部荷载和非均匀钢筋锈蚀作用等实际情况，从结构工程、材料学和力学原理等学科的交叉领域，研究非均匀锈蚀受荷混凝土构件的锈裂、剥落行为，建立与实际工程情况相符合的混凝土结构构件表面锈裂预测模型；基于锈裂形态模型，研究锈胀裂缝在混凝土表面处裂宽的发展规律，建立与荷载、环境和时间相关的混凝土表面锈裂宽度预测模型；研究荷载作用下锈蚀混凝土构件保护层剥落机理，建立混凝土保护层剥落极限状态方程和预测模型。本项目的研究工作对于完善混凝土结构耐久性分析理论体系具有重要的作用，对实际混凝土工程锈裂、剥落状态的预测与控制也具有重要的应用价值。

由于对工程结构物的性能有较大影响，徐变一直以来都是混凝土结构与材料研究的重点和难点课题之一。但由于徐变的复杂性，国内外尚未对其产生机理达成共识，特别是从微观尺度上的研究十分有限。考虑到影响混凝土宏观性能的机理大都发生在微米、纳米级别上，本项目从微观本源上探究徐变发生机理，在此基础上建立预测模型。.本项目拟从下述方面展开研究：a）纳米尺度上C-S-H凝胶体徐变的直接测量及分析方法；b）材料、环境、荷载变量对C-S-H凝胶体徐变行为的影响规律；c）以C-S-H凝胶体为最小单元的多级徐变预测模型。.本项目的研究成果将为进一步研究其他类型混凝土的徐变行为提供理论基础及先行研究方法；对探索从周期短的微观试验研究来推知大型结构物长期服务性能的研究方式具有重要意义；为铁路、公路桥梁设计规范中桥梁变形、预应力损失等的相关计算参数修订提供指导。

混凝土结构中钢筋脱钝至钢筋锈蚀导致混凝土保护层表面开裂这个过程对混凝土结构的使用性能和寿命有着重要的影响；但就目前已取得的研究成果，尚无法全面揭示混凝土结构锈裂全过程机理，也无法准确预测混凝土表面锈裂时刻。由于混凝土锈裂模型中尚未解决的问题多集中在钢筋锈蚀以后钢筋/混凝土的界面行为，因此本项目拟以混凝土结构锈裂全过程为研究主线，以理论分析、实验研究和数值模拟相结合为研究手段，从结构工程、材料学和力学原理等学科的交叉领域，对锈裂过程中钢筋/混凝土界面行为进行深入研究，实现对该过程中钢筋/混凝土界面行为的机理描述，揭示界面钢筋锈蚀产物组份、微观力学性能及其在锈裂过程中的动态发展规律，建立混凝土结构因钢筋锈蚀而引发的混凝土内裂阈值与表面开裂时刻的预测模型。本项目的研究对于完善混凝土结构耐久性分析理论体系具有重要的作用，对实际混凝土工程锈裂状态的预测也具有重要的应用价值。 2100433B