考虑氯离子侵蚀与混凝土碳化的公路桥梁时变可靠度分析

基于国内外对氯离子侵蚀和混凝土碳化环境下钢筋锈蚀速率的最新研究成果,建立了混凝土构件在氯离子侵蚀下考虑坑蚀和在混凝土碳化下考虑平均锈蚀的弯曲抗力退化模型,用Monte Carlo方法和统计回归法编制了退化钢筋混凝土构件及系统的时变可靠度计算程序。以北京地区一座公路桥为算例,结果表明:在氯离子侵蚀下考虑坑蚀的桥梁承载能力时变可靠度在30年左右即下降到设计目标可靠度,在混凝土碳化下考虑平均锈蚀的桥梁承载能力时变可靠度在50年左右即下降到设计目标可靠度,从而需要补强,这表明考虑主筋锈蚀后我国钢筋混凝土公路桥一般达不到100年设计使用期;对因主筋锈蚀导致混凝土保护层胀裂而言,构件达到抗裂正常使用极限状态远远早于达到承载能力极限状态,建议将混凝土保护层开裂时间作为桥梁检查/维修参考点。     

受荷混凝土中钢筋锈蚀速率计算方法

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.     

海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀机理及监测技术概述

2014年我国由于腐蚀产生的损失约为21 278亿元,占国家GDP的3.34%。海洋环境中氯离子渗透至混凝土内部导致钢筋锈蚀是海洋环境下混凝土结构损伤的重要原因。海洋不同腐蚀区域的离子浓度、氧气浓度及海水干湿循环作用时间各不相同,这使得海洋不同腐蚀区域中暴露混凝土的氯离子传输速度和分布规律、钢筋锈蚀产物及锈蚀模式、钢筋锈蚀速率存在显著差异。其中海洋浪溅区和高潮位区域因氧气充足、海水干湿循环作用剧烈及浪溅作用导致钢筋混凝土更易破坏。钢筋锈蚀产物体积是原始体积的2~6倍,持续增加的锈蚀产物将导致混凝土开裂、保护层剥落并进一步加速钢筋锈蚀;考虑钢筋非均匀锈蚀、锈蚀产物填充效应、钢筋及混凝土性能的钢筋混凝土锈胀开裂模型将更加精确。根据海洋不同腐蚀区带特点、钢筋混凝土性能及受荷情况,建立不同腐蚀区域中混凝土的氯离子传输模型,钢筋锈蚀速率模型和混凝土锈胀开裂模型有助于准确预测海洋环境下钢筋混凝土的服役寿命。 通过对混凝土中钢筋锈蚀的检测与监测有助于实时了解混凝土的服役状态。采用线性极化、电化学噪声和电化学阻抗谱等电化学方法可以较好地检测钢筋锈蚀状态、获得混凝土中钢筋的锈蚀速率。基于电化学原理开发的阳极梯和环形电极、基于钢筋锈胀应力测试的光纤监测技术以及基于数字图像技术获得混凝土中钢筋锈蚀应力应变场,有助于实现对混凝土中钢筋锈蚀的监测,并且部分已应用于海洋工程。相比于普通钢筋,锈蚀钢筋的导电率和导磁率均显著降低,采用电磁感应原理开发钢筋锈蚀装置实现了暴露在海水中的普通钢筋和耐蚀钢筋磁通量变化值与钢筋质量损失线性关系的建立。这也为更精确监测混凝土中钢筋锈蚀全过程、实现混凝土中钢筋锈蚀源定位及损伤程度识别提供可能。因此,综合利用氯离子、pH微电极等实现混凝土内部微环境监测,开发先进的钢筋锈蚀监测传感器实现混凝土中钢筋锈蚀源和锈蚀速率监测,通过图像监测技术实现钢筋锈蚀诱导混凝土开裂过程监测。综合上述措施将实现对钢筋混凝土结构腐蚀的全过程监测,并为海洋钢筋混凝土服役寿命预测模型的验证与修正提供依据,同时为海洋环境混凝土的耐久性评估系统提供预警机制。     

考虑钢筋锈蚀的复合受扭混凝土箱梁时变承载力研究

对考虑钢筋锈蚀的复合受扭钢筋混凝土箱梁时变承载力进行研究。针对复合受扭混凝土箱梁中混凝土开裂面与钢筋斜交的情况,推导了综合考虑钢筋混凝土粘结滑移效应及正交配筋效应的钢筋修正本构模型。引入钢筋和混凝土材料的时变劣化模型,结合复合受扭钢筋混凝土箱梁的修正板-桁架模型,编制了复合受扭钢筋混凝土箱梁时变承载力的计算程序。与纯扭锈蚀构件和复合受扭构件的试验对比,验证了所提出钢筋修正本构模型的适用性较好。算例结果表明:在假定的一般大气环境和受力条件下,考虑钢筋锈蚀的复合受扭钢筋混凝土箱梁构件100年后抗扭强度降低约15%。     

高性能钢筋混凝土结构的耐久性研究

为了研究硫酸根离子对混凝土强度的影响以及氯离子浓度对钢筋锈蚀的影响,基于钢筋混凝土结构腐蚀破坏试验数据,运用人工神经网络方法建立了评估钢筋混凝土结构强度和氯离子含量的物理模型。同时,采用实验方法测试混凝土结构的强度和不同深度的氯离子含量。结果表明:该物理模型的预测值与实验值吻合较好。将为沿海地区的钢筋混凝土工程的耐久性设计规范的修订提供了有力的参考依据。     

考虑氯离子侵蚀维度的钢筋混凝土码头服役寿命预测

合理评估和预测海洋环境下考虑氯盐侵蚀的钢筋混凝土(RC)码头结构服役寿命,对港口正常、安全运营意义重大.根据混凝土多相复合材料的细观组成结构,建立考虑粗骨料为凸多边形的混凝土细观数值模型.基于氯离子侵蚀混凝土的有限元数值模拟仿真方法,评估得到混凝土细观模型中氯离子一维、二维侵蚀的浓度分布,并建立氯离子一维、二维侵蚀模型.以沿海某RC高桩码头工程中方桩构件为例,根据建立的氯离子侵蚀模型并结合钢筋锈蚀速率模型,预测RC方桩构件的服役寿命.结果表明:在氯离子二维侵蚀下RC方桩的服役寿命预测值较一维侵蚀提前了约34％,RC结构的服役寿命大幅缩短.建议在RC码头耐久性设计过程中充分考虑氯离子侵蚀维度对结构物服役寿命的影响,以保障RC码头结构的运营安全.     

盐渍土环境下钢筋混凝土腐蚀的研究进展

钢筋混凝土在盐渍土和盐湖环境下的腐蚀包括硫酸根离子和镁离子对混凝土的侵蚀以及氯离子对混凝土中钢筋的锈蚀。简要介绍了盐渍土环境中钢筋混凝土结构腐蚀失效原理,并综述了国内外近年来对盐渍土钢筋混凝土腐蚀机理研究的相关情况。     

锈蚀钢筋混凝土柱的修正压-剪-弯分析模型研究

随着服役时间的增加,混凝土结构中钢筋易发生锈蚀,引起混凝土结构承载性能下降,严重影响工程结构的继续使用。该文在分析纵筋锈蚀后的屈曲效应、箍筋锈蚀后的约束效应、混凝土和钢筋材料性能劣化的基础上,建议了考虑锈蚀影响的钢筋、混凝土及锈蚀钢筋与混凝土界面粘结性能的本构模型,以锈蚀钢筋混凝土柱为研究对象,对反复荷载作用下钢筋混凝土柱的分析模型进行修正,建立了锈蚀钢筋混凝土柱压-剪-弯交互作用下极限承载力计算模型,并通过21根锈蚀混凝土柱的试验结果对建议分析模型进行了验证。研究结果表明:锈蚀钢筋混凝土柱极限承载力试验值与计算值之比的平均值为1.021,方差为0.014,建议模型极限承载力预测值与试验结果吻合较好,可用于低周反复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土柱的承载力分析。     

基于锈蚀开裂准则的砼结构寿命评估

钢筋锈蚀是一般大气环境混凝土构件耐久性损伤的主要原因。本文总结了我们在钢筋锈蚀量评估模型及开裂时的锈蚀量等方面的工作,在此基础上,分析了各模型的统计特征,在此基础上建立了混凝土结构基于锈蚀开裂准则的耐久极限状态方程,进一步概率方法分析了混凝土结构件的锈蚀开裂寿命。     

锈蚀钢筋混凝土构件基于地震损伤的恢复力模型研究

为建立锈蚀钢筋混凝土构件恢复力模型,本文通过对6个锈蚀钢筋混凝土受弯构件低周反复荷载试验,得到不同锈蚀程度的各试件的滞回曲线及骨架曲线,分析了钢筋锈蚀对试件抗震性能的影响。根据试验成果,结合钢筋锈蚀引起结构破坏形态的改变,综合考虑钢筋锈蚀后引起结构截面几何损伤、钢筋和混凝土力学性能降低、粘结滑移性能劣化以及结构刚度退化等各种耐久性损伤因素,并考虑箍筋锈蚀引起结构延性的影响,提出了锈蚀钢筋混凝土构件基于地震损伤的恢复力模型的确定方法。通过与试验进行对比分析表明模型描绘的骨架曲线和滞回曲线与试验结果总体吻合较好,所描述的现象与试验一致,该恢复力模型可在损伤钢筋混凝土结构地震反应分析中采用。     

受腐蚀钢筋混凝土构件破坏过程的分形行为

本文根据试验资料，分析了受腐蚀钢筋混凝土构件在荷载作用下开裂及裂纹的演化、分布特性，证明了受腐蚀钢筋混凝土构件表面裂缝具有分形特征。利用分形几何学研究受腐蚀钢筋混凝土构件开裂及破坏过程,讨论了受腐蚀钢筋混凝土构件表面裂缝的分维数与构件中混凝土及钢筋的腐蚀损伤程度之间的关系及其延性系数降低量之间的关系。研究表明该分维数可作为构件受腐蚀程度的衡量指标,并可用来评估不同腐蚀程度钢筋混凝土构件的力学性能，从而为受腐蚀钢筋混凝土构件的剩余寿命评价提供了一个新的途径,为受腐蚀钢筋混凝土结构的承载力研究建立了一定的理论基础。     

Influence of long-term chloride diffusion in concrete and the resulting corrosion of reinforcement on the serviceability of RC beams

This paper presents the chloride penetration and the effect of chloride ingress on the serviceability of reinforced concrete (RC) beams. A series of experimental studies were carried out on beams with various corroded ages up to 28 years. The chloride content in different locations were tested during various periods. Different states influencing the serviceability of the corroded beams were investigated, including the maximum width of the corrosion-induced cracks of the concrete cover, the mid-span deflection of the beams under the service load and their load-bearing capacity. Based on the results available from this programme, the service life of corroded beams was predicted by the corrosion process of the reinforcement. The results showed that the chloride corrosion could significantly deteriorate the serviceability of the beams. The current criteria concerning the chloride content at the level of the reinforcement of the concrete beams and the maximum width of the corrosion-induced cracks appear to be very conservative.     

考虑锈蚀黏结退化的钢筋混凝土桥墩抗震性能分析

受氯离子腐蚀作用影响,钢筋混凝土结构的抗震性能在其服役期内会发生退化。以钢筋混凝土桥墩为例,采用OpenSees有限元软件模拟了非锈蚀足尺桥墩的振动台试验以及锈蚀缩尺桥墩的拟静力试验结果,后者引入了氯离子腐蚀作用模型,同时考虑了桥墩的纵筋力学性能衰减以及粘结退化问题。随后基于概率地震需求模型对足尺桥墩的三种纵筋腐蚀工况进行了易损性分析。研究结果表明:采用非线性梁柱单元与零长度截面单元串联方式建立的数值模型能够有效模拟钢筋混凝土桥墩的足尺振动台试验结果和缩尺锈蚀拟静力试验结果;当纵筋腐蚀率较小时,纵筋的性能退化对墩顶最大位移影响不大,但基底剪力和基底弯矩下降明显;轻微破坏状态下,桥墩的抗震性能受纵筋锈蚀的影响不明显,随着破坏程度的加深,纵筋锈蚀对桥墩抗震性能的影响逐渐显著,较小的腐蚀率能导致桥墩的破坏概率发生较为明显的提高。研究内容可为考虑全寿命周期内性能退化的钢筋混凝土结构抗震设计提供参考。     

纤维增强聚合物基复合材料加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压性能

为了给纤维增强聚合物基复合材料（FRP）加固腐蚀环境下钢筋混凝土圆柱的设计和施工提供参考,促进FRP加固钢筋混凝土圆柱的应用,本文通过加速腐蚀得到类似实际环境中已锈损钢筋混凝土圆柱,采用碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）条带和玻璃纤维增强聚合物基复合材料（GFRP）条带分别对锈蚀钢筋混凝土圆柱进行加固,最后对加固后圆柱进行轴心受压试验,重点研究钢筋锈蚀率、FRP层数和种类对钢筋混凝土圆柱受压承载力的影响;基于对FRP条带间隔约束效应、钢筋锈蚀对混凝土截面及钢筋力学性能影响的研究与分析,提出FRP条带间隔约束锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压承载力计算模型。试验实测值与模型计算值之比的平均值为1.020,变异系数为0.063,二者符合较好。     

Significance and influence of the ambient temperature as a rate factor of steel reinforcement corrosion

The rate of corrosion of reinforcement being an electrochemical process, undoubtedly is dependent even on the level of the ambient temperature. Therefore, the ambient temperature seems to be an important factor of the corrosion rate and the durability of the reinforced concrete structures in aggressive environment. The present data on the influence and significance of the ambient temperature in the process of corrosion of reinforcement of the reinforced structures are surprisingly limited and poor. It seems that it is supposed to be a simple increase of corrosion rate when the ambient temperature is increased. The lack of information was a motivation for the present study. It was aimed at the experimental research of the influence of the increase of the ambient temperature on the rate of chloride induced corrosion of steel reinforcement. The results obtained show that the influence of the studied factor is more complex showing an acceleration effect till a temperature of 40°C diversified by the inhibition effects with further increase of the ambient temperature.     

Multiprobe chloride sensor for in situ monitoring of reinforced concrete structures

In situ monitoring of the chloride content is one of the most important procedures in preventing and controlling chloride-induced corrosion in reinforced concrete structures. Thus, the development of chloride sensors is of paramount importance for the continuous monitoring of concrete structures. The sensors must present long lifetime and reliability and operate in a wide range of chloride concentrations.The present work aims at developing and testing a sensor based on Ag/AgCl electrodes for in situ monitoring of chloride ions in reinforced concrete structures. Although these electrodes are widely used in analytical experiments due to their sensitivity to the chloride ion, little is known on their behaviour during exposure to alkaline environments, such as those existing in concrete.The multiprobe sensor presented in this work was tested in mortar and concrete specimens, revealing good stability. The results reveal that the Ag/AgCl sensor presents good sensitivity in a wide range of chloride concentrations.