鋼筋在環境-應力耦合作用下的鏽蝕特徵及演化規律

《鋼筋在環境-應力耦合作用下的鏽蝕特徵及演化規律》是依託浙大寧波理工學院，由徐亦冬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鋼筋在環境-應力耦合作用下的鏽蝕特徵及演化規律
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：徐亦冬
• 依託單位：浙大寧波理工學院

項目摘要

根據金屬應力腐蝕理論，應力狀態下的鋼筋在一定腐蝕環境中將表現出多場耦合行為，其鏽蝕特性較單一環境因素作用時不同。本項目採用多因素耦合與多尺度分析的理念，研究鋼筋在環境-應力耦合作用下的鏽蝕特徵及演化規律。首先將不同環境因素與拉應力相耦合，正確模擬混凝土內鋼筋鏽蝕過程的實際工況，從微-細-巨觀尺度對不同條件下鋼筋的鏽蝕特徵進行系統研究；其次將分形理論與定量體視學相結合，探求不同腐蝕條件下鋼筋不均勻鏽蝕的定量表征指標，基於粗糙表面分形模擬技術及時間序列方法，實現鋼筋鏽蝕過程中表面形貌演化過程的數值模擬；最後結合損傷力學與分形理論，提出一種兼顧鋼筋不均勻鏽蝕損傷細觀特徵描述與巨觀損傷力學分析需要的分形損傷變數，建立宏-細觀結合的鋼筋鏽蝕損傷演化方程與內蘊損傷變數的本構關係，為混凝土結構耐久性評估、壽命預測及數值模擬提供理論指導。

結題摘要

課題圍繞不同腐蝕條件下鋼筋不均勻鏽蝕特徵的科學表征及其本構關係這一中心問題，主要結論如下： ①建立了鋼筋不均勻鏽蝕性狀的科學表征方法：將體視學方法、分形理論及粗糙度技術用於鏽蝕鋼筋平面形態與蝕坑深度的表征。結果表明，蝕坑形貌同時具有單一分形與多重分形的特徵，多重分形譜寬度可更為靈敏的表征鋼筋表面不均勻鏽蝕程度；鏽蝕鋼筋的表面輪廓曲線具有單一分形的特徵，但不具備多重分形的特徵，表面粗糙度可用於蝕坑深度不均勻分布的定量表征。基於上述成果，創建了兼顧鋼筋不均勻鏽蝕特徵描述和力學分析需要的鏽蝕損傷變數。 ②揭示了不同腐蝕條件下混凝土中鋼筋的不均勻鏽蝕特徵：基於上述表征方法，探明了氯鹽、雜散電流與碳化三種化學因素及其與拉應力耦合作用對混凝土內鋼筋鏽蝕性狀的影響。結果表明，化學-力學因素的耦合作用導致鋼筋蝕坑形狀趨於複雜。各組試件的蝕坑深度均優先符合Weibull分布，據此建立了蝕坑深度的預測模型；雜散電流環境下鋼筋表面粗糙度最大，氯鹽其次，碳化最小；拉應力的引入導致氯鹽與碳化環境下鋼筋輪廓各個面間的不均勻程度顯著增加，而雜散電流對鏽蝕鋼筋的表面粗糙度和斷口形貌起主導作用，與應力是否引入關係甚微；鏽蝕損傷變數可以靈敏的表征混凝土內鋼筋不均勻鏽蝕幾何特徵，並從金屬腐蝕過程中的化學-力學耦合效應出發闡明了機理。 ③探明了不同鏽蝕特徵對鋼筋拉伸性能的影響：運用有限元分析了蝕坑深度、形狀及鏽蝕率對鋼筋力學性能的影響。結果表明，蝕坑深度與形狀對鋼筋力學性能影響顯著；在鏽蝕率相近的情況下，鏽蝕鋼筋的最大等效塑性應變隨表面粗糙度的增加而增大。通過對不同鏽蝕性狀鋼筋的彈性模量、屈服與抗拉強度、強化與極限應變進行統計分析，探明了上述指標與鏽蝕損傷變數之間的關係，建立了巨觀損傷本構模型。 ④實現了鏽蝕鋼筋拉伸全過程的細觀數值模擬：將GTN細觀損傷本構模型引入鏽蝕鋼筋拉伸的有限元模擬，通過正交試驗校準GTN模型參數，並結合實測數據確定了適用於鏽蝕鋼筋的模型參數取值，有限元計算得到的名義應力-應變曲線與實測曲線吻合較好。 ⑤提出了混凝土中鋼筋鏽蝕程度的無損檢測手段：將超音波檢測與人工神經網路相結合，用於混凝土內鋼筋的鏽蝕損傷診斷。結果表明，鋼筋鏽蝕導致超音波在混凝土中傳播速度顯著降低，且超音波速分布變得不均勻。通過建立BP與RBF人工神經網路，成功對混凝土內鋼筋的鏽蝕率與鏽蝕損傷變數進行了預測。