混凝土中钢筋锈蚀速率的预测模型
基于数值模拟的混凝土钢筋锈蚀损伤分析
基于数值模拟的混凝土钢筋锈蚀损伤分析一、研究背景混凝土结构是现代建筑中广泛使用的一种结构，而钢筋则是混凝土结构中的重要组成部分。
但是，在实际的使用过程中，混凝土结构可能会受到钢筋锈蚀的影响，从而导致结构的损坏和安全隐患。
因此，对混凝土钢筋锈蚀损伤进行数值模拟研究，对保障混凝土结构的安全性具有重要意义。
二、钢筋锈蚀损伤机理钢筋锈蚀是指钢筋表面被氧化物覆盖，从而导致钢筋表面出现裂纹、脱落等现象。
钢筋锈蚀是由于混凝土结构中的水、氧气和二氧化碳等物质与钢筋表面的铁离子反应产生的。
这种反应会导致钢筋表面的碱度下降，从而使得钢筋表面易受到氧化物的侵蚀。
三、数值模拟方法数值模拟是一种研究物理问题的有效方法。
在混凝土钢筋锈蚀损伤分析中，数值模拟可以通过计算机模拟混凝土结构中钢筋的锈蚀过程，从而预测钢筋锈蚀对混凝土结构的影响。
数值模拟方法可以分为有限元方法和离散元方法两种。
四、有限元方法有限元方法是一种常用的数值模拟方法，它将实际问题抽象成为一个由许多小单元构成的问题，每个小单元的行为可以通过简单的数学方程来描述。
在混凝土钢筋锈蚀损伤分析中，有限元方法可以通过建立混凝土结构的有限元模型，计算钢筋锈蚀对混凝土结构的影响。
五、离散元方法离散元方法是一种基于颗粒模型的数值模拟方法，它将物质看作是由颗粒组成的离散体系，通过对颗粒间相互作用力的计算来模拟物质的运动和变形。
在混凝土钢筋锈蚀损伤分析中，离散元方法可以通过建立混凝土结构的离散元模型，计算钢筋锈蚀对混凝土结构的影响。
六、模型建立在进行混凝土钢筋锈蚀损伤分析时，需要建立混凝土结构的数值模型。
模型建立的过程包括建立混凝土结构的几何模型、确定材料参数和边界条件等。
在建立混凝土结构的几何模型时，可以采用CAD软件进行建模。
七、结果分析通过数值模拟可以得到混凝土结构中钢筋锈蚀对结构的影响。
在结果分析中，可以将结构的应力、位移等参数与钢筋锈蚀的程度进行对比，从而分析钢筋锈蚀对结构的影响。
考虑荷载影响的钢筋混凝土构件钢筋锈蚀模型
（． １天津 大学 建 筑工 程学 院 天 津市港 口与海洋 工程 重点实验 室， 津 ３ ０ ７ ； 天 ０ ０ ２ ２ 中交第 四航务 工程勘察 设计 院 ， ． 广州 ５ ０ ３ ） ｌ２ ０
摘 要： 对现有典型钢筋锈蚀模型进行了比较分析 ， 选择考 虑因素较全面合理的 Ｙ ｕ ｉ ｉ ｏｐｎ Ｌｕ指数模型作 ｇ
第３ ２卷第 ３ 期
２ １ 年 ６ 月 ０ １Biblioteka 水道港 口
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Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ａ ｅ ｗａ ｎ ｒ ｏｒ ｏ ｒ ａ ｔ ｒ ｙ ａ ｄ Ｈａ ｂ ｏ Ｗ
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考 荷 影 的筋 凝 构 钢 锈 模 虑 载 响钢 混 土 件 筋 蚀 型
《 混凝土结构耐久．评定标准》 Ｉ 生 中建议 的公式没有考虑时间因素的影响 ， 但是各种实验都表明在混凝土
保护 层开 裂前 ， 钢筋 的锈蚀 率是 随时 间下 降的 。 １ 蒋 德稳经 验模 型 ． ２ 蒋 德稳 等 ｌ 在 人 工气 候环 境 实验 室 ， 不 温度 、 对 湿度 、 凝 土水 灰 比 、 护层 厚 度等 因素 对混 凝 ２ 对ｊ 境 相 混 保
立 了考 虑荷 载影响 的钢筋锈 蚀模 型 。
ｌ 混凝 土保 护层 开 裂 前钢 筋 锈 蚀模 型
１ 《 凝土结 构耐 久性评定 标 准》 Ｃ Ｃ ２ ０ ２ ０ ） 型 ． 混 １ （ Ｅ Ｓ ２ ：０ ７ 模
我 国《 混凝 土结构 耐久性 评 定标 准》 议 渗透 型氯 腐蚀环 境 下普通 硅 酸盐混 凝 土钢筋 锈蚀 速率 按 照 建 在
为渗透 型腐 蚀环 境混凝 土 制备 时 已含 有 的部分 氯离子 含 量 ，ｇｍ ； ｋ／’ ｐ为混 凝土 电阻 率 ，ｎ・ｍ， 按实 测 Ｋ ｃ 可
混凝土中钢筋长期锈蚀的模拟
Ｔｏ ｇｉＵｎｖ ｒ ｉ ，Ｓ ａ ｇ ａ ２ ０ ９ ｎｊ ｉｅｓｔ ｙ ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ０ ２，Ｃｈｎ ） ｉａ
Ａｂ ｔａ ｔ ｉ ｕａ ｉｎｏ ｏ ｇｔ ｒ ｃ ｒｏ ｉｎ ｏ ｅ ａ ｎｃ ｎ ｒ ｔ ｓｃ ｒｉｄ ｏ ｔ ｙｍｅ ｎ ｆａ ｏ ｓｒ ｃ ：Ｓｍ ｌｔ ｆ ｎ ｅ ｍ ｏ ｒ ｓｏ ｆ ｂ ｒｉ ｏ ｃｅ ｅｗａ ａ ｒｅ ｕ ａ ｓｏ ｎ ｄ ｏ ｌ ｒ ｂ
锈 蚀 时间 的延长 ， 钝化 膜渐 渐损 坏 ， 筋表 面 的局部腐 蚀逐 步扩 大 ； 钢 由于 钢筋表 面的不 均 匀性 ， 钢筋 锈蚀 往 往仅 在某些 局 部 区域 发 生 ， 在发 生这些 点蚀 的地 方 ， 而 钢筋锈蚀 速 率 （ 即腐蚀 电流 密度 ） 往往
很 大． 本文 的 目的在 于对上 述情 况 进 行 模 拟 ， 即模 拟 钢 筋 在 长 时 间 的锈 蚀 过 程 中其 锈蚀 速 率 的变
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暴露 面积 为 １ ｎ。 （ ） ０Ｃ ｌ ２ 钢筋长 期 锈蚀 的模 拟 以混 凝 土钢 筋 为 阳极 ， ． 以一钢 棒 为阴 极 ， 后 长 时 然 间通 以 ２ｍＡ 的直流 电流 ， 步腐蚀 钢筋 阳极 ． 逐 钢筋腐 蚀 量 以 ｍＡ ・ ｈ计 ． 由于钢筋 在 自然状 态下 的
腐蚀 速率 以 肚 计 ， １ｍＡ ・ｈ的 电量 相 当 于钢 筋 在 自然 状态 下 １ １５月 的 腐 蚀 量 ． ３ 仪 Ａ 故 ～ ． （）
收 稿 日期 ：０ ４ ０ １ ；修 订 日期 ：０ ４ ２ ０ ２ ０ —１ ３ ２０ ～１ － １ 作者简介： 张震 雷 （９ ９ ）女 ， 南 人 ， 济 大学 助 教 ． 士 １７ ～ ， 河 同 硕
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第 ９卷 第 ２期 ２ ０ 年 ４月 ０６
受荷混凝土中钢筋锈蚀速率计算方法
受荷混凝土中钢筋锈蚀速率计算方法王元战;刘恒;周海锋;林陈安攀【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2015(023)006【摘要】为研究荷载对钢筋锈蚀速率及结构耐久性的影响,在潮汐区与盐雾区开展不同荷载条件下氯离子扩散试验,荷载大小分别为无荷载、0.3倍和0.5倍混凝土抗折强度.在混凝土中掺入氯盐,开展不同浓度氯盐条件下的钢筋锈蚀试验.通过氯离子扩散试验得到荷载对氯离子扩散影响系数与荷载大小的关系,修正菲克第二定律中的氯离子扩散系数.钢筋锈蚀试验中测试不同时间下混凝土构件中钢筋的锈蚀电流密度,拟合出钢筋锈蚀电流密度与氯盐浓度和锈蚀时间之间的关系.结合混凝土中考虑荷载影响的氯离子扩散模型与钢筋锈蚀模型,给出荷载作用下混凝土中钢筋锈蚀速率的计算方法.该方法对于海洋环境中荷载作用下钢筋混凝土结构耐久性寿命计算具有重要意义.【总页数】6页(P12-17)【作者】王元战;刘恒;周海锋;林陈安攀【作者单位】水利工程仿真与安全国家重点实验室(天津大学) ,天津300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,天津300072;水利工程仿真与安全国家重点实验室(天津大学) ,天津300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,天津300072;江苏省交通规划设计院股份有限公司,南京210014;中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广州510230【正文语种】中文【中图分类】TU528【相关文献】1.海洋环境下受荷混凝土中钢筋锈蚀研究 [J], 徐亦斌;董江云;傅兴有2.受荷锈蚀钢筋混凝土构件保护层纵向开裂时钢筋锈蚀深度的分析计算 [J], 王小惠;刘西拉3.混凝土中钢筋锈蚀速率的时变模型 [J], 耿欧;袁迎曙;蒋建华;鲁彩凤;张风杰4.粉煤灰对混凝土中钢筋锈蚀速率影响试验研究 [J], 俞激;金骏;许晨;张建东;刘朵5.混凝土中钢筋锈蚀速率的预测模型 [J], 卫军;桂志华;王艺霖因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
混凝土构件锈蚀胀裂时的钢筋锈蚀率
2、锈蚀膨胀
钢筋发生锈蚀后，铁离子逐渐转化为铁氧化物，导致钢筋体积膨胀。根据文 献资料，钢筋锈蚀速率与氯离子浓度、环境湿度等因素有关。一般情况下，锈蚀 速率随着环境湿度的增加而加快，而氯离子浓度对锈蚀速率的影响具有双重性。 在低浓度范围内，氯离子促进钢筋锈蚀；而在高浓度范围内，氯离子则抑制锈蚀。
1、平截面假定：
Δt = α × 2.33 × √[c(0.65 × Δt0 + 1.75 × Δt1)]
其中，Δt为锈蚀深度，α为锈蚀因子，c为氯离子浓度，Δt0和Δt1分别为 混凝土保护层厚度和有效裂缝间距。
2、有限元模拟：
Ecorr = E0 × exp{-γ × (1 - pcl/p0)}
3、保护层胀裂
随着钢筋锈蚀的加剧，钢筋体积膨胀逐渐增大。当膨胀压力超过混凝土保护 层的约束力时，保护层胀裂。根据实际工程案例，保护层胀裂通常发生在梁、板 等水平构件的下部，并沿竖向钢筋发展。
影响因素
钢筋锈蚀导致混凝土构件保护层胀裂的影响因素主要包括环境因素、混凝土 保护层厚度、混凝土强度等级、钢筋直径及间距等。环境因素主要包括环境湿度、 氯离子浓度、氧气供应等；混凝土保护层厚度和混凝土强度等级直接影响着钢筋 锈蚀的速率和保护层的约束力；钢筋直径及间距则与锈蚀膨胀压力的分布有关。
接下来，对钢筋锈蚀的原理和过程进行了理论分析，包括混凝土的组成、保 护层厚度、氯离子含量等因素对钢筋锈蚀率的影响。随后，介绍了计算钢筋锈蚀 率的方法和相关公式，其中包括最常用的平截面假定和有限元模拟等。最后，通 过实际案例分析，对混凝土构件锈蚀胀裂时的钢筋锈蚀率进行计算，并对其结果 进行讨论。
一、背景介绍
四、方法与公式
计算钢筋锈蚀率的方法有很多种，其中最常用的包括平截面假定和有限元模 拟等。平截面假定是一种简化计算方法，它基于平截面假说，认为锈蚀深度在垂 直方向上是一致的。有限元模拟方法则更加精确，它通过建立混凝土和钢筋的有 限元模型，模拟氯离子扩散和钢筋锈蚀的过程。以下是这两种方法的计算公式：
受荷混凝土中钢筋锈蚀速率计算方法
受荷混凝土中钢筋锈蚀速率计算方法王元战;刘恒;周海锋;林陈安攀【摘要】为研究荷载对钢筋锈蚀速率及结构耐久性的影响,在潮汐区与盐雾区开展不同荷载条件下氯离子扩散试验,荷载大小分别为无荷载、0.3倍和0.5倍混凝土抗折强度.在混凝土中掺入氯盐,开展不同浓度氯盐条件下的钢筋锈蚀试验.通过氯离子扩散试验得到荷载对氯离子扩散影响系数与荷载大小的关系,修正菲克第二定律中的氯离子扩散系数.钢筋锈蚀试验中测试不同时间下混凝土构件中钢筋的锈蚀电流密度,拟合出钢筋锈蚀电流密度与氯盐浓度和锈蚀时间之间的关系.结合混凝土中考虑荷载影响的氯离子扩散模型与钢筋锈蚀模型,给出荷载作用下混凝土中钢筋锈蚀速率的计算方法.该方法对于海洋环境中荷载作用下钢筋混凝土结构耐久性寿命计算具有重要意义.%To explore the effects of load on steel corrosion rate and structural durability, Chloride diffusion experiments under various load conditions were carried out in tidal zone and salt spray zone. The load sizes were 0 times, 0. 3 times, 0. 5 times the flexural strength. The steel corrosion experiments were conducted in concretes mixed with different concentrations of sodium chloride. The results of chloride diffusion experiments showed the relationship between chloride diffusion load coefficient and the load sizes. This could be applied to determine the chloride diffusion coeffients in Fick's second law. The current density of steel corrosion as a function of time were measured in steel corrosion experiments. A model could be be fitted to represent the relationship among the current density, chloride content and time could. The steel corrosion rate in concretes under the action of load could be calculated bypluging the chloride diffusion model and considering loading factor into the steel corrosion model. This method is important to calculate reinforced concrete structure durability under the action of load in marine environment.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2015(023)006【总页数】6页(P12-17)【关键词】海洋环境;钢筋混凝土;氯离子;荷载;锈蚀速率【作者】王元战;刘恒;周海锋;林陈安攀【作者单位】水利工程仿真与安全国家重点实验室(天津大学) ,天津300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,天津300072;水利工程仿真与安全国家重点实验室(天津大学) ,天津300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,天津300072;江苏省交通规划设计院股份有限公司,南京210014;中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广州510230【正文语种】中文【中图分类】TU528在沿海工程中，钢筋混凝土结构被大规模使用，钢筋混凝土耐久性问题是工程设计与建造中不可忽视的一大问题.混凝土中钢筋锈蚀速率模型是实现钢筋混凝土结构耐久性寿命评估和预测的关键之一.海洋环境下当钢筋表面氯离子浓度达到临界值时，钢筋钝化膜破坏，在水和氧气共同作用下钢筋发生锈蚀［1］.Liu［2］通过试验发现，钢筋锈蚀速率随钢筋表面氯离子浓度增大而增大. Francois等［3］初步研究发现，氯离子在受拉混凝土中的渗透显著大于受压混凝土中的渗透.可见，混凝土所受荷载对钢筋锈蚀速率及其耐久性寿命有一定影响.何世钦等［4］认为，钢筋混凝土构件都是负载工作的，未加载试件锈蚀试验得到的结论不能全部反映实际结构中的钢筋锈蚀情况.顾绳仁［5］研究表明，荷载对钢筋锈蚀有明显影响，荷载作用引起混凝土细微结构变化，进而对氯离子在混凝土中的扩散系数产生影响，从而影响钢筋锈蚀速率.张俊芝等［6］研究得出，混凝土中钢筋初始锈蚀时间随着压应力的增加而延长.但是，现有的研究均未得出荷载作用下钢筋锈蚀速率的计算方法.由于现有的研究缺乏荷载作用下氧气和水分的扩散模型，本文只考虑氯离子传输这一影响因素，对钢筋锈蚀速率进行近似计算.故本文通过在室内环境下内掺不同含量的氯盐加速钢筋锈蚀的试验，得出钢筋锈蚀电流密度与钢筋表面氯离子浓度、时间的关系.结合前期完成的受荷混凝土中氯离子扩散试验，将荷载作用下钢筋表面氯离子浓度代入钢筋锈蚀模型，从而计算出荷载作用下钢筋锈蚀速率.通过计算荷载作用下某高桩码头基桩耐久性寿命，说明荷载作用对海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性寿命有一定影响，在进行结构设计时需要考虑.试验共浇筑了40根尺寸为100 mm× 100 mm×400 mm的素混凝土梁.混凝土配合比及性能见表1.浇筑完成后，所有试件在混凝土标准养护箱中养护24 h后拆模，接着在饱和氢氧化钙溶液中养护28 d.开始试验之前，留出上表面作为混凝土的渗透面，其余面用环氧树脂密封.选择三分点自锚加载法作为本次试验加载方式［7］，采用2种荷载水平进行加载分别模拟拉应力区和压应力区.荷载大小分别为无荷载、抗折强度的30%、抗折强度的50%，加载装置示意图见图1.将试件分别放置在多功能海洋环境自动化模拟试验设备的主腐蚀箱和盐雾箱中，分别模拟水位变动区的潮汐循环和盐雾区的氯离子扩散环境.测试时间分别为35、70、120、180 d.采用多功能混凝土钻孔取芯机钻取直径为10 mm的芯样，并沿深度方向每隔5 mm分层对芯样取混凝土粉末.通过CL-E氯离子含量快速测定仪测量其浓度，具体试验分析见文献［8］.根据Fick第二定律的解析模型，对试验数据进行非线性回归拟合，得到如下公式.根据氯离子扩散模型［9］提出荷载作用下氯离子扩散系数公式［8］以及f（δ）计算公式：潮汐区拉应力，潮汐区压应力，盐雾区拉应力，盐雾区压应力，式中：Cs为混凝土表面氯离子浓度；Dc为氯离子扩散系数；D0为28 d时氯离子扩散系数；m为常数；δ=P/Pu；P为混凝土所受的实际应力，Pu为混凝土构件的抗折强度；f（δ）为荷载对氯离子扩散的影响系数；t为氯离子开始渗透的时间.将式（2）～（6）代入式（1）即可计算荷载作用下的氯离子扩散系数.2.1 试验材料及参数试验共制作24个100 mm×100 mm×200 mm的混凝土梁，水泥选用天津水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为细度模数2.6左右的河砂，粗骨料为最大粒径20 mm的碎石，钢筋选用长250 mm、直径16 mm的HRB335钢筋，钢筋保护层厚42 mm.混凝土配合比及力学性能见表2［10］.本试验为了简化人工气候环境控制，采用内掺法将氯盐掺入混凝土内搅拌.这样在混凝土构件养护硬化时，钢筋钝化膜已经开始破坏［11］.将试件依次编号A～H，分为8个组，每组3个试件，每组分别掺入占水泥质量0、1.0%、1.5%、2%、3%、4%、5%、5.5%的NaCl，试件编号及数量见表3，每个编号对应的构件数量均为1个.2.2 试件制作截取24根长度250 mm、直径16 mm的HRB335钢筋.在钢筋一端焊接电线，为防止焊点及裸露钢筋与空气接触腐蚀，将焊点及裸露的钢筋用环氧树脂密封［1，12］.将浇筑完成的试件放入混凝土标准养护箱中养护24 h后脱模，并立即给试块编号，随后将试件放入饱和氢氧化钙溶液中养护28 d.养护完成后，取出试件放置在室内环境下，并用塑料管垫高，保证底部空气流通.2.3 试验仪器该试验采用的CS354电化学工作站由武汉科斯特仪器有限公司生产.目前常用来表征钢筋锈蚀程度的参数主要分为反映钢筋平均锈蚀程度的参数和反映钢筋局部坑蚀程度的参数［11］，本文主要研究钢筋混凝土耐久性寿命，所以选用钢筋平均锈蚀程度的参数来对钢筋锈蚀程度进行评价.通过测量钢筋腐蚀的自然电位（Ecorr）、混凝土电阻率（ρ）、腐蚀电流密度（icorr），来评价钢筋腐蚀状况和腐蚀速度［13］.本试验选用将参比电极与辅助电极直接放置外部的试验方式，如图2所示，其中工作电极即为钢筋，辅助电极为中心开圆孔的不锈钢矩形薄钢片，其大小为100 mm×200 mm，参比电极为饱和甘汞电极，阴影部分为混凝土试件.2.4 钢筋腐蚀电流密度的测量本试验用含NaCl溶液的海绵垫提高辅助电极与混凝土间的接触，溶液中NaCl质量分数为1%.利用线性极化方法，从养护完成后第7天开始每周测量一次不同氯盐掺量的混凝土构件中钢筋的极化电阻，并记录钢筋的锈蚀电流密度，直至第98天.具体动电位线性极化试验参数设置如下［14］：采用相对于开路电位±10 mV的极化区间.极化方向从相对于开路电位+10 mV至-10 mV.采用10 mV/min的扫描速率.极化时间为120 s.3.1 钢筋锈蚀速率时变过程已知钢筋锈蚀速率和钢筋锈蚀电流密度成正比［15］，在后文中，用钢筋锈蚀电流密度表征钢筋锈蚀速率.不同氯盐含量的混凝土中钢筋锈蚀电流密度变化规律如图3所示，横坐标以养护28 d完成开始计算.由图3可以看出，混凝土内的钢筋锈蚀速率经历了锈蚀初期的下降阶段以及保护层开裂前的平稳发展阶段.3.2 钢筋锈蚀速率模型3.2.1 钢筋锈蚀电流密度与氯离子含量变化关系曲线图4为不同时刻钢筋锈蚀电流密度与混凝土中氯离子含量（占水泥质量分数）关系曲线.从图4可以看出，在其他条件相同时，氯离子含量越高，钢筋锈蚀电流密度越大.3.2.2 拟合经验公式由图3可以看出，钢筋锈蚀速率初期减少较快，逐渐趋于稳定，选择指数小于0的幂函数拟合钢筋锈蚀电流密度与时间关系y=axb（b＜0）；由图4可以看出，钢筋锈蚀电流密度随着氯离子含量增长而增长，选用指数大于零的幂函数拟合锈蚀电流密度与氯离子含量关系y=axb（b＞0）.对幂函数y=axb线性化，利用试验所测数据进行多元线性回归得钢筋锈蚀电流密度与氯离子含量、时间之间的关系为式中：i为锈蚀电流密度，μA/cm2，用来表示锈蚀速度；t′为混凝土内钢筋开始锈蚀后的天数，d；w（Cl-）为钢筋表面混凝土中氯离子质量分数，以水泥重计，%；R为相关系数.4.1 荷载作用下钢筋锈蚀电流密度计算将式（1）代入式（7）可得，荷载作用下钢筋锈蚀电流密度计算公式为式中：i′为荷载作用下钢筋锈蚀电流密度，μA/cm2；tcr为钢筋开始锈蚀的临界时间，d；t′为混凝土内钢筋开始锈蚀后的时间，d.4.2 钢筋开始锈蚀时间tcr计算钢筋开始锈蚀时间计算式为式中：tcr为钢筋表面氯离子浓度达到钢筋锈蚀临界值的时间；C（x，tcr）由式（1）～（6）计算可得；Ccr为临界氯离子浓度，以质量分数计.4.3 混凝土保护层锈胀开裂时间ta计算［11］采用弹性力学方法，考虑混凝土环向不均匀拉应力，混凝土保护层开裂时刻钢筋锈胀力为［11］式中：q*为混凝土保护层开裂时刻钢筋锈胀力；c为钢筋保护层厚度；ftk为混凝土抗拉强度；d为钢筋直径.基于钢筋锈蚀量的平均锈蚀率η可以按下式计算［11］：式中：N为钢筋的摩尔质量，取为0.056 kg/mol；F为法拉第常数，1F=26.8 A·h/mol；t为锈蚀时间；S为混凝土中钢筋的表面积；icorr为锈蚀电流密度；g0为钢筋原始质量.则混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈蚀率表达式［11］为其中，式中：n为钢筋锈蚀后体积膨胀率，取为3；Ec和υc分别为混凝土的弹性模量（MPa）和泊松比；R为钢筋半径；c为混凝土保护层厚度；Er和υr分别为铁锈的弹性模量和泊松比，取Er=120 MPa，υr= 0.49［16］.通过式（12）可求出混凝土保护层锈胀开裂时的平均锈蚀率ηs，代入式（11）即可求出ta.4.4 耐久性极限状态时间tb计算将混凝土保护层裂缝宽度达到1 mm时作为混凝土结构达到耐久性寿命极限状态的标志［17］.混凝土胀裂宽度与钢筋截面锈蚀率公式选为［11］混凝土保护层开裂后的钢筋锈蚀模型选用Chun Qing Li模型［18］：通过式（13）可求出混凝土结构达到耐久性寿命极限状态时的平均锈蚀率ηs，代入式（11）、（14）即可求出tb.某钢筋混凝土高桩梁板码头，基桩混凝土强度等级为C35，水灰比0.48，配有Φ18钢筋，钢筋保护层厚度60 mm，基桩所处的海洋环境为潮汐区.取潮汐区钢筋锈蚀临界氯离子质量分数Ccr= 0.3%［19］（占混凝土质量分数）；t28为28 d；m= 0.2［8］；D0=10-10.90m2/s［8］；Cs=0.519%［17］；x= 60 mm；胶凝材料占混凝土质量分数为18.9%.取拉应力下δ分别等于0、0.3、0.5.则该码头在荷载作用下耐久性计算结果如表4所示.由表4可以算出，当δ等于0.5时，钢筋开始锈蚀时间、混凝土保护层锈胀开裂时间和耐久性寿命分别比没有荷载时提前了18.8%、18.2%和13.3%，可见荷载对海洋环境下的钢筋混凝土结构耐久性寿命有一定影响.1）将荷载作用下的混凝土中氯离子扩散模型代入混凝土中钢筋锈蚀模型，给出计算受荷混凝土中钢筋锈蚀电流密度的计算模型.2）通过室内加速试验验证了在水灰比、外在环境等条件相同时，钢筋锈蚀速率与氯离子含量之间成对数线性关系，混凝土内的氯离子含量越高，钢筋的锈蚀速率越大.3）通过实际算例体现了荷载对结构耐久性寿命存在一定影响.对于海洋环境下的钢筋混凝土结构，需要考虑荷载对结构耐久性寿命的影响.【相关文献】［1］桂志华.氯离子侵蚀条件下混凝土中钢筋锈蚀模型研究［D］.武汉：华中科技大学，2005. ［2］ LIU Youping.Modeling the time-to-corrosion cracking ofthecoverconcreteinchloridecontaminated reinforced concrete structures［D］.Virginia：Virginia Polytechnic Institute and State University，1996.［3］ FRANCOIS R，MASO J C.Effect of damage in reinforced concrete on carbonation or chloride penetration ［J］.Cement Concrete Research，1988，18（6）：961-970.［4］何世钦，贡金鑫.负载钢筋混凝土梁钢筋锈蚀及使用性能试验研究［J］.东南大学学报（自然科学版），2004，34（4）：474-479.HE Shiqin，GONG Jinxin.Experimental studies on steel bar corrosion and serviceability of reinforced concrete beam under service loading［J］.Journal of Southeast University （Natural Science Edition），2004，34（4）：474-479.［5］顾绳仁.荷载对钢筋锈蚀速度的影响［J］.水道港口，1988（2）：10-16. 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混凝土钢筋锈蚀寿命预测方法研究
混凝土钢筋锈蚀寿命预测方法研究第一章绪论混凝土钢筋锈蚀是混凝土结构中普遍存在的问题，它会引起钢筋表面膨胀、裂缝、脱落等损伤现象，甚至会导致混凝土结构的完全破坏。
因此，对混凝土钢筋锈蚀寿命预测方法的研究具有重要的意义。
本文主要介绍混凝土钢筋锈蚀寿命预测的研究方法。
第二章混凝土钢筋锈蚀寿命预测模型混凝土钢筋锈蚀寿命预测模型是预测混凝土结构中钢筋锈蚀寿命的重要手段。
目前，传统的预测方法主要是基于经验公式或大量试验结果进行处理，具有一定的不确定性。
近年来，随着计算机技术的发展，数值模拟方法逐渐得到应用，如有限元分析、神经网络、决策树等方法，可以更加准确地预测混凝土钢筋锈蚀的寿命。
第三章有限元方法在混凝土钢筋锈蚀寿命预测中的应用有限元方法是一种广泛应用于工程领域的数值分析方法，可以较好地模拟混凝土结构中钢筋的腐蚀过程。
借助有限元方法，可以分析混凝土结构中的应力、应变、变形等物理量，了解钢筋在腐蚀过程中的变化规律，预测钢筋锈蚀导致混凝土结构破坏的时间。
例如，可以基于有限元分析的结果对混凝土结构进行加固，提高其抗锈蚀性能。
第四章神经网络在混凝土钢筋锈蚀寿命预测中的应用神经网络是一种基于生物神经系统研究得到的模拟人脑运算过程的数学模型，可以学习从输入到输出之间的非线性映射。
在混凝土钢筋锈蚀寿命预测中，神经网络可以根据已知的数据建立预测模型，通过反向传播算法不断优化模型，进一步提高预测准确性。
与传统的经验公式相比，神经网络模型更加可靠，适用于多种复杂的预测问题。
第五章决策树在混凝土钢筋锈蚀寿命预测中的应用决策树是一种基于树形结构的分类算法，适用于数据量较小、特征属性不多的情况。
在混凝土钢筋锈蚀寿命预测中，可以根据已知的数据建立决策树模型，根据不同的特征属性将数据进行分类，并最终预测钢筋锈蚀的寿命。
与神经网络相比，决策树更加人性化，易于理解和应用。
第六章结论混凝土钢筋锈蚀是混凝土结构中常见的问题，预测其寿命对于保护混凝土结构的安全和使用寿命具有重要的意义。
2.2混凝土中钢筋的锈蚀
2.2混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中水泥水化后在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，故在正常情况下钢筋不会锈蚀，但钝化膜一旦遭到破坏，在有足够水和氧气的条件下会产生电化学腐蚀。
由于钢筋锈蚀，一方面使钢筋有效截面减小，另一方面，锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落，钢筋与混凝土的粘结作用下降，破坏它们共同工作的基础，从而严重影响混凝土结构物的安全性和正常使用性能。
钢筋锈蚀在房屋建筑、公路、桥梁、大坝等混凝土结构中大量存在，是混凝土结构耐久性破坏的主要形式之一。
美国标准局1975年的调查表明，美国全年各种因腐蚀造成的损失达700多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占40％，英国、德国、前苏联、日本等国每年均花巨资用于混凝土结构的耐久性修复，其中钢筋锈蚀占有相当大的比例。
华盛顿林肯纪念馆、杰佛逊纪念馆、柏林议会大厦等重要建筑物都曾发现钢筋锈蚀引起的损坏现象。
可见钢筋锈蚀是世界范围内广泛存在、严重威胁结构物安全的一个耐久性问题。
我国一些早期建造的钢筋混凝土建筑物相继进入老化期，不少发生了自然条件下的钢筋锈蚀与老化现象，由于材料使用不当导致服役时间不长的建筑物因钢筋锈蚀而失效的事故也有报道，钢筋锈蚀的研究和防治显得越来越紧迫。
国内外学者对钢筋锈蚀的研究包括锈蚀机理、影响钢筋锈蚀的因素。
钢筋锈蚀的检测方法与预测模型、锈蚀对钢筋力学性能和钢筋与混凝土粘结力的影响、锈蚀钢筋对混凝土构件受力性能的影响、钢筋锈蚀的防治措施、钢筋锈蚀结构构件的加固修复方法等。
在20世纪80年代以前，钢筋锈蚀仅引起我国为数不多的材料和结构工程学者的兴趣，研究内容主要在钢筋锈蚀的影响因素研究、工程调查和经验模型的建立等方面。
90年代后，国内不少高校和科研单位的结构工程学者相继开展钢筋锈蚀的研究，研究的范围和深度不断扩大，并逐渐从材料层次向构件和结构层次的研究延伸。
混凝土结构耐久性特别是钢筋锈蚀已成为国内结构工程研究的一个热门领域。
混凝土结构中的钢筋锈蚀可分为自然电化学腐蚀和杂散电流腐蚀，对于预应力混凝土结构，还可能发生应力腐蚀（腐蚀与拉应力作用下钢筋产生晶粒间或跨晶粒断裂现象）或氢脆腐蚀（由于H2S与铁作用或杂散电流阴极腐蚀产生氢原子或氢气的腐蚀现象）。
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1 锈蚀速率预测模型
根据以上思路 ,结合 Liu T[ 1 ] 等的研究成果 , 建立一个新的钢筋锈蚀速率预测模型 。Liu T 等通过对实 测的混凝土内钢筋锈蚀速率 、 钢筋表面氯离子浓度 、 温度及混凝土电阻值进行回归分析 ,得到公式 ( 1) ln 1 . 08 i = 8 . 37 + 0 . 618ln 1 . 69 CCl - 3 034 / T - 0 . 000 105 R c + 2 . 32 t - 0 . 215 2 3 μA/ cm ) ; c Cl 为钢筋周围的氯离子含量 ( kg/ m ) ; T 为钢筋周围的 K 氏温度 ; R c 式中 , i 为腐蚀电流密度 ( 为混凝土表面和钢筋之间的电阻值 ; t 为混凝土内钢筋开始锈蚀后的年数 。式 ( 1 ) 的明显缺陷是只考虑了
W EI J u n , GU I Zhi2hua , W A N G Y i2li n
( School of Civil Engineering and Mechanics ,Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , China )
Key words : chloride2induced ; corrosion rate of steel ; cCl - / cOH - ; concrete ohmic resistance
氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀问题是混凝土结构耐久性研究的一个重要方面 。这个过程所受的影响因素 众多 ,但基本上可分为外界环境条件与混凝土自身渗透性 2 大类 。环境条件包括温度 、 湿度 、 混凝土周围氯 离子浓度及氯盐种类等 ; 混凝土的渗透性则包含水灰比 、 掺合料的种类和数量 、 碱度等影响因素 。实际上 ,影 响钢筋锈蚀速率最直接的因素是钢筋周围的一些参数 ,包括表面氯离子浓度与氢氧根离子浓度比值 、 钢筋周 围的温度及钢筋至混凝土表面间混凝土电阻值等 ,前面列出的因素只是间接地反映到这 3 个因素之中 。 钢筋表面游离 Cl - 浓度越大 ,则其对钝化膜的破坏作用越大 , 钢筋的活性越强 , 锈蚀速率也越大 。同时 钢筋的活性还受到表面 OH - 浓度的影响 ,OH - 浓度越高 ,钝化膜的稳定性越好 ,破坏钝化膜所需的 Cl - 浓度 就越大 。因此用 c Cl - / cOH - 来表征钢筋的活性比只用 cCl - 合理 。对于温度 ,其影响具有双面性 : 一方面 ,温度 升高使水分蒸发加快 ,造成混凝土的孔隙率增大 ,渗透性增加 ,从而加快了钢筋的锈蚀速率 ; 另一方面 ,温度 升高使混凝土的水化速率加快 ,致密性增加 ,又会减缓钢筋锈蚀速率 。但从长期效果看 , 温度升高使 Cl - 活 动能力增强 ,最终会加速钢筋锈蚀 。对于混凝土电阻 ,它主要受内部毛细孔的饱水率 、 孔结构 、 孔隙液溶盐量 和温度等因素影响 。孔结构又反映了水胶比 、 掺合料种类及用量 、 胶凝材料用量 、 水化程度等因素的作用 。
第 27 卷 第6期
2005 年 6 月
武 汉 理 工 大 学 学 报
JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOG Y
Vol. 27 No. 6 J un. 2005
混凝土中钢筋锈蚀速率的预测模型
卫 军 ,桂志华 ,王艺霖
( 华中科技大学土木工程与力学学院 ,武汉 430074)
Abstract : Firstly , t he critical factors influencing corrosion rate of steel in concrete were analysed in t his paper , which in2
cluded cCl - / cOH - on steel surface , t he temperature on steel surface and concrete ohmic resistance between steel in concrete and concrete surface. And t hen , since such an important influencing factor as cCl - / cOH - was not considered in previous models , t his article aimed at establishing a new model on predicting chloride - induced corrosion rate of steel in concrete based on t he model from Liu T and Weyers R W. The model was proved reasonable by experimental results.
∫
式 ( 1) 可变为 V corr = 14 . 7e ( 8 . 37 - 3 034/
( 4) ・ - 2 . 32 t - 0. 215 e 利用式 ( 4) 建立锈蚀速率与 cCl - / cOH - 的关系 。具体方法是先设定一个系数 α, 根据钢筋锈蚀速度与 ( 8 . 37 - 3 034/ T - 0 . 000 105 R ) c ・ α( c Cl - / cOH - ) ( 5) c Cl - / cOH - 成线性关系 V corr = 14 . 7e
摘 要: 首先从机理上分析了影响钢筋锈蚀速率的关键因素 ,主要包括钢筋表面氯离子浓度与氢氧根离子浓度比值
( cCl - / cOH - ) 、 钢筋表面温度及钢筋至混凝土表面间混凝土电阻值等 3 个因素 ; 然后针对以往锈蚀速率模型都没有考虑
cCl - / cOH - 这一重要影响因素的研究现状 ,对 Liu T 和 Weyers R W 所作模型进行修正 ,建立 1 个新的预测模型 ,试验证明
具有较好的合理性 。 关键词 : 氯离子侵蚀 ; 钢筋锈蚀速度 ; cCl - / cOH - ; 混凝土电阻值 中图分类号 : TU 528. 571 文献标志码 : A 文章编号 :167124431 ( 2005) 0620045203
Modeling on Predicting Steel Corrosion Rate in Concrete
因此混凝土电阻综合反映了混凝土自身的多种性质 。作者欲建立渗透环境下钢筋锈蚀速度预测模型 ,考虑 的因素为以上 3 个因素 。目前 ,建立模型主要有 2 种方法 : 一种是基于理论和机理分析 ,通过试验确定关键 参数 ,最终建立模型 ,这类模型的特点是机理明确 ,理论严密 ,不会出现不合理预测结果 ,但由于公式多较繁 琐 ,实际工程中使用不便 ; 另一种是完全依赖试验数据和工程数据 ,通过回归分析建立模型 ,这类模型的特点 是简单 、 使用方便 ,但预测结果跟实际偏差很大 。作者扬长补短 ,基于 3 个影响因素建立钢筋锈蚀速率预测 模型 ,既可简化模型的形式 ,又具有较高的准确性 ,便于实际应用 。
收稿日期 :2005201229. 基金项目 : 国家自然科学基金 ( 50278039) 1 作者简介 : 卫 军 ( 19572) ,男 ,教授 ,博导 . E2mail :juneweii @public. wh. hb. cn
武 汉 理 工 大 学 学 报 2005 年 6 月 46
T - 0 . 000 105 R c)
c Cl -
0 . 618
α( c Cl - / cOH- ) = c Cl - 0 . 618 / e - 2 . 32 t
[5 ]
- 0. 215
( 6)
根据钢筋锈蚀的临界条件可确定 α的数值 。资料表明 ,由于不同混凝土中碱度差别不大 ,取混凝土的 p H 值为 12. 8 ,则 cOH - = 10 - 1. 2 = 0. 06 。在自然扩散下氯离子与氢氧根离子临界比值为 3 ,从而可算出临界氯离 子浓度为 0. 18 mol/ L ,即为 6. 38 kg/ m3 。临界时刻 t 取为 0 ,可得 α值为 1. 049 ,代入式 ( 6) 可得如下关系式 ( 即氯盐侵蚀下钢筋锈蚀速率预测模型)
ln V corr = ln ( c Cl - / cOH - ) - 3 034 / T - 01000 105 R c + 1111
( 7)
2 模型验证
为了验证上述模型 ,作者制作了 18 个 100 mm × 100 mm × 100 mm 钢筋混凝土试块 ,将成型后的试块经
第 27 卷 第 6 期 卫 军 ,等 : 混凝土中钢筋锈蚀速率的预测模型
cf = c0 + ( c s - c0 )
1 - erf 2
c KD 0 t 0 t1(1 + R) (1 - m )
m m
( 2)
式中 , c0 、 cf 、 c s 分别是混凝土中初始 cCl - 、 钢筋表面 c Cl - 和混凝土表面 c Cl - ; c 为混凝土保护层厚度 ; t 0 为混 凝土初始龄期 ( 28 d) ; R 为氯离子结合能力 ,可取为 3 [ 2 ] ; K 为混凝土的劣化系数 1 2 [ 1 000 ( w / c) - 1 050 ( w / c) + 287 ] w / c ≤0 . 5 K = 3 410 w / c > 0. 5 [3 ] - 8 2 m 为扩散系数的时间依赖性指数 ; m = 0 . 8 - w / c ; D 0 为混凝土初始氯离子扩散系数 ( 10 cm / s) ; D 0 = 2 u - x2 ( 34 . 776 w / c - 6 . 448 ) ; erf 为误差函数 , erf u = e d x 。利用式 ( 2 ) 即可算出不同时刻的钢筋表面氯 π0 离子浓度 。钢筋表面的氢氧根离子浓度可采用滴定法获得 ,简单易行 。 对于钢筋锈蚀速度与 c Cl - / cOH - 关系 ,印度著名学者 Thangavel K 经过多年的试验研究发现 , 当把钢筋 混凝土试块放在氧气充足的环境中 ( 保证阴极反应的顺利进行) 时 ,钢筋锈蚀速度与 c Cl - / cOH - 成线性关系 。 1. 2 计算模型的推导 μm/ a) ( 3) 通过 Stern2 Geary 公式把腐蚀电流密度 i 换算成单位时间锈蚀量 [ 4 ] V corr = 11 . 5 i (