【原】《Engineering Failure Analysis》：混凝土保护层锈胀开裂细观力学模拟

导读

钢筋混凝土结构由于良好的塑性和材料的就地性，在建筑结构当中应用广泛，但钢筋锈蚀导致保护层的锈胀开裂现象极大的危害了结构的安全性和耐久性。细观层次下，混凝土是由粗骨料、砂浆和二者界面区组成的三相复合材料，其中界面区是最薄弱的环节，因而锈胀裂缝也往往在此处萌生和扩展。为研究细观层次下保护层的锈胀开裂过程，北京工业大学的杜修力（第一作者）和金浏（通讯作者）两位学者采用基于ABAQUS建立了用以计算保护层锈胀开裂细观有限元模型，并在《Engineering Failure Analysis》上发表了题为“Meso-scale numerical investigation on cracking of cover concrete induced by corrosion of reinforcing steel”的研究成果。有限元模型中，粗骨料采用随机骨料的投放方法，骨料体积含量高达46.5%。并讨论了保护层厚度，骨料分布和钢筋位置对于保护层锈胀开裂过程力学反应的影响。

内容简介

现有的预测保护层锈胀开裂数值模型中，大多采用宏观模型，即假设混凝土为均质材料，而实际上混凝土是是由粗骨料、砂浆和二者界面组成的多相复合材料。在宏观层次下，无法体现各相材料对于保护层锈胀裂缝萌生和扩展的影响，因此有必要采用细观力学模型研究保护层的锈胀开裂过程及力学反应。作者所建立的不同保护层厚度下钢筋混凝土细观数值模型如图1所示，其中混凝土模型的截面尺寸为150mm×150mm，钢筋直径为16mm，骨料体积含量为46.5%，保护层厚度分别为20-40mm。

图1　不同保护层厚度下的钢筋混凝土细观模型

不同保护层厚度下混凝土保护层的开裂模式如图2所示，其中（a）~（d）为各细观模型对应的混凝土宏观模型，可以看出宏观和细观模型的开裂形态差别很大，宏观模型下保护层的锈胀裂缝（损伤）呈现出连续的区域性分布，而在细观模型下由于骨料的阻碍作用和界面区的薄弱性，锈胀裂缝呈现分散的形态，而且分布裂缝长度也较宏观模型要长。

图2　混凝土保护层宏观模型和细观模型锈胀开裂形态对比

作者对每组保护层厚度的钢筋混凝土试件建立了8个不同骨料分布的数值模型，计算所得钢筋边界锈胀力-径向位移曲线如图3所示，可以看出在同保护层厚度不同骨料分布下曲线存在差异，这表明骨料分布对保护层锈胀开裂力学反应有影响。

图3　各保护层厚度不同骨料分布下的锈胀力-径向压力曲线

角部钢筋的保护层锈胀开裂模拟结果如图4所示，可以看出，角部钢筋处保护层的开裂形态与中部钢筋有明显不同，出现了混凝土角状脱落的现象，相较于中部钢筋情形更加危险。

图4　角部钢筋混凝土保护层开裂形态

原始文献：Du X, Jin L. Meso-scale numerical investigation on cracking of cover concrete induced by corrosion of reinforcing steel [J]. Engineering Failure Analysis, 2014, 39: 21-33.