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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。
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。
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. GU Shengren.Reinforcement corrosion rate under theaction of load［J］.Journal of Waterway and Harbor，1988（2）：10-16.［6］张俊芝，王梁英，刘华挺，等.弯曲荷载对混凝土氯离子扩散与钢筋初锈时间的影响［J］.自然灾害学报，2010，19（3）：13-18.ZHANG Junzhi，WANG Liangying，LIU Huating，et al.Influence of flexural loading on diffusion of chlorine ion and corrosion initiation time of steel bar in concrete ［J］.Journal of Natural Disasters，2010，19（3）：13-18.［7］崔衍强.荷载作用下钢筋混凝土构件氯离子扩散试验及耐久性计算方法［D］.天津：天津大学，2012：15.［8］ WANG Yuanzhan，LIN Chen′anpan，CUI Yanqiang. Experiments of chloride ingression in loaded concrete members under the marine environment［J］.Journal of Materials inCivilEngineering，2013，26（6）：04014012.［9］王军.荷载作用下钢筋混凝土结构耐久性分析方法研究［D］.天津：天津大学，2008：9. ［10］周海锋.海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀试验及耐久性计算方法［D］.天津：天津大学，2013：38.［11］金伟良.氯盐环境下混凝土结构耐久性理论与设计方法［M］.北京：科学出版社，2011：212，162，213，236.［12］中国建筑科学研究院.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准GB/T50082-2009［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009：64.［13］林龙缤，吕李青.钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀问题初探［J］.西部探矿工程，2005（11）：215-216.LIN Longbin，LU Liqing.The research of steel bar corrosioninconcretestructure［J］.West-China Exploration Engineering，2005（11）：215-216.［14］佘海龙，徐永模，黄春江，等.试验条件对线性极化法测定钢筋腐蚀速率的影响研究［J］.混凝土，2003 （6）：33.SHE Hailong，XU Yongmo，HUANG Chunjiang，et al. The influence of experiment condition on corrosion rate of rebars by linear polarization method［J］.Concrete，2003（6）：33.［15］安新豪，王书磊，姬永生，等.混凝土结构中钢筋锈蚀过程的研究现状与评述［J］.中国建材科技，2008，33 （2）：43.AN Xinhao，WANG Shulei，JI Yongsheng，et al.The research actuality and comment on rust process of steel bar in concrete structure［J］.China Building MaterialsScience&Technology，2008，33（2）：43.［16］徐港，卫军.钢筋均匀锈胀力的若干问题研究［J］.福州大学学报（自然科学版），2005，33（增刊1）：103.XU Gang，WEI Jun.Research on corroded expansive force of the concrete reinforced bar ［J］.Journal of Fuzhou University（Natural Science），2005，33（Sup1）：103. ［17］孙艺.海洋环境下高桩码头耐久性分析方法研究［D］.天津：天津大学，2005：29. ［18］LI Chunqing.Reliability based service life prediction of corrosion affected concrete structures［J］.ASCE J Structural Eng，2004（10）：1573［19］张宝兰，卫淑珊.华南海港钢筋混凝土暴露十年试验［J］.水运工程，1999（3）：11. ZHANG Baolan，WEI Shushan.Test for reinforced concrete stucture at sea port of south China after ten years’expose［J］.Port&Waterway Engineering，1999 （3）：11.。
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）。
一般大气环境混凝土中钢筋锈蚀量的估计2/(=7I第14卷第l期.1997年2且工程力学ENGINEERIN0MECHANICSV o1.14N仉2Feb.1997一般大气环境混凝土中钢筋锈蚀量的估计臻纛1王005林5)科提要本文根据大量工程调查结果.将—般大气环境分为一般室内环境和室外或室内潮湿环境两大类,基于腐蚀电化学原理,提出了预涸钢筋锈蚀量的数学模型.文中具体建立了两类裂后的锈蚀量计算公式.考虑环境相对湿度和水膜对氧气的吸收能力对公式进行了修正.最后分析了钢筋锈蚀量与各影响因素之间的关系.一,前言s203混凝土中钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最主要因素.钢筋锈蚀对耐久性的影响主要是两个方面,一是锈蚀引起钢筋截面减小I-是锈蚀体积膨胀(约2～d倍)引起的顺筋裂缝,保护层剥落.使混凝土和钢筋之间的粘结力下降.并加剧钢筋锈蚀的发展.形成恶性循环.其结果导致构件承载力下降,寿命降低.因此.如何评价钢筋锈蚀是工程界迫切需要解决的重要问题国内外在钢筋锈蚀试验[,工程调查[】,理论分析[等方面作了大量工作,提出了一些宏观定性评价钢筋锈蚀的方法眦和经验的定量评价方法嘲,文献[4]首次对钢筋锈蚀进行了理论分析,提出了预测结构使用寿命的方法.但如何建立锈蚀评价与混凝土构件基本参数的关系,并给出简单实用的方法还是有待解决的问题.本文将一般大气环境分为室外或室内潮湿环境和一般室内环境.利用腐蚀电化学原理建立锈蚀开裂前后定量评价钢筋锈蚀量的数学模型,以实际结构调查结果为基础,给出模型中参数的确定方法,为混凝土结构的耐久性分析提供实际可行的钢筋锈蚀量预测方法.本文收稿日期t1995年1】月孱豪咂啾课题85-924-0]一04—02—般大气环境混凝土中钢筋镑蚀量的估计93二,混凝土中钢筋锈蚀开始时间的确定1.混凝土中锕筋锈蚀的机理和条件混凝土中钢筋的锈蚀是电化学腐蚀.可简单表示为Pe—Fe+ze一(阳极反应)(J)2FIzO+O:+2e一一4OH一(阴极反应)(2)4Fe.+8OH一+Ol+21-[iO~4Fe(OH)j(3)根据以上反应过程,可得出钢筋腐蚀的条件为:④锕筋表面呈活化状态;@有反应所需的水和氧.2.环境条件对橱筋镑蚀的影响与镑蚀开始时闰(1)环境分类环境条件对钢筋锈蚀的影响主要取决于环境的供水程度.试验和调查结果表明,一般室内不易锈蚀.室外或室内潮湿环境锈蚀较快c”I].根据文献[3]的调查,一般皇内环境中的混凝土构件,并不是一碳化到钢筋表面即开始铸蚀,而是当硪化超过铜筋表面约20~30mm才发生镑蚀I而室外或室内蠢湿环境的混凝土构件,一般破化至锕筋表面即开始锈蚀.因此,本文将一般大气环境分为一般室内环境和室外或室内潮湿环境两大类.(2)锈蚀开始时间的确定根据一般大气环境锕筋锈蚀的条件,混凝土中钢筋镭蚀的开始时问可以表示为(未)㈨式中f.为锈蚀开始时间(I)FC,为等敷保护层厚度,对一般室内环境为=c+o,对室外或室内潮湿环境为q—c,c为混凝土保护层厚度(ram).为延迟钢筋锈蚀的碳化深度,可根据室内干燥程度取值(越干燥,o越大),本文臂取;?一20ram}.为混凝土磷化系数(ram/√),见文献[6].三,锈蚀开裂前钢筋锈蚀质量损失的理论分析锕筋在大气环境的腐蚀是金属电化学腐蚀中最普追形式之一,其基本特征有二:一是在钢筋表面水膜下的电化学腐蚀I二是阴极为溶解于永膜中的氧得电子反应口].假定;①混凝士碳化是钢筋表面活化的唯一方式,②空气中的氧通过扩散到达钢筋表面,后溶解于水膜.其扩鼓遵循Fick第一定律I@在环境相对温度大于腐蚀临界湿度时,锈蚀反应所需的水充足;@是徽电池腐蚀,阴阳极密接∞.根据电化学原理,I时封单位长度钢筋锯蚀质量损失可以表示为[I] :2M”.Dr上∞os_二土df(5)0J{/,工程力学式中M=55.8g/tool是铁的原子量f一=3是锈蚀产物中铁离子的电荷=4是氧得电子数f0=8.93×10一Stool/ram.是混凝土表面氧的浓度}口.是氧气在混凝土中的扩散系数(ram/s),见文献[9];为钢筋半径(ram)f是f时刻氧的扩散路径l是结构服役年限(a).1.室外或室内潮湿环境的锈蚀量估计此时式(5)中的,可以表示为.,=K.√7(6)将式(6)代入式(5)得n,’—’.’...........——————————’’—一W.=83.81D.而iT,[√.一+c—K.√丁)一-I-c—K√丁) a三](f>(7)arc.∞————一jU>f,J(7)2.一般室内环境的锈蚀量估计此时式(5)中的z.可以表示为,一K.√一o(8)将式(8)代入式(5),并剃用积分中值定理可得].=s.62Do南√丁一c.等}arc.os—R—+—c—,—--K——o~一‘T(9)式中;=(f,-I-t)/2.四,锈蚀开裂后钢筋锈蚀质量损失的理论分析1.锈蚀开裂耐问的确定钢筋锈蚀产生体积胀,当锈蚀量超过某一限值时,混凝土保护层就会开裂,产生顺筋裂缝.锈蚀引起混凝土保护层开裂的时间可以通过求解方程(10)得到..(.)=W(10)式中为锈蚀开裂时间(a);为混凝土保护层开裂时的锈蚀量(g/ram),可表示为[ut,,BBW=1.204RI1+÷】×10(11),n,式(1O)中的为随时间f变化的钢筋锈蚀质量损失,对于室外或室内潮湿环境和一般室内环境分别由式(7)或式(9)计算.求解式(10)即可得到锈蚀开裂时间2.锈蚀开裂后锈蚀质量损失的电化学分析混凝土保护层开裂后,空气中的水和氧更易到达锕筋表面,因此,锕觞锈蚀速度明显加快.产生顺筋裂缝后,钢筋锈蚀可以分为暴露于空气中的部分(裂缝位置)和混凝土中的锈蚀部分.—般大气环境混凝土中钢筋锈蚀量的估计假定:①空气中的氧通过腰筋裂缝到达钢筋表面,后沿钢筋周边在混凝土中扩散,其扩散服从Fick第一定律;②混凝土碳化路径沿钢筋周边发晨;③仍为傲电池腐蚀}④忽略暴露于大气中钢筋部分的锈蚀,这是由于锈蚀开裂时的截面损失率较小(约2～3)且裂缝宽度极小.以裂缝位置为坐标原点,式(5)中的,则为锈蚀点至裂缝位置的距离(沿钢筋周边).于是,锈蚀开裂后时刻钢筋锈蚀质量掼失(不包括开裂前的锈蚀量)可以表示为.w=_D.(I一)0>f.)02)五,一般大气环境钢筋锈蚀量的预测公式1.考虑环境相对湿度和水囊对曩气吸收能力的修正前述由电化学分析得到的式(7),(9),(12)是在环境相对湿度大于锈蚀临界相对湿度和扩散到钢筋表面的氧全部被诮耗这样的假定下得到的,没有考虑氧气在水膜中的溶解程度和环境相对湿度的实际状况.因此,对其进行修正是十分必要的.首先.考虑到只有被水膜吸收的氧才参加锈蚀反应,因此,必须在各式中乘上水膜对氧气的吸收系数(近似取为氧气在一般水中的落解度0.028)I其次,环境相对湿度并非总大于腐蚀临界相对湿度,并且环境湿度还具有很大的随机性.本文将环境相对湿度作为一个随机变量,以大于腐蚀临界湿度的概率Pn对钢筋锈蚀的持续时间进行修正.2.钢筋镑蚀量的预测公式综上所述,一般大气环境钢筋锈蚀量的计算公式可以表示为室外或室内潮湿环境:I2.35PjjD.[√:一+c—K.√丁)一(+c—K.√丁)ln.wi.1](ttarcc~≤f≤?n.l——————一j{E{E?l+1.173P二_D.0一c一)(I>)一般室内环境:l2.23‰D.知√T一+￡.In坠]l●’Iarc~og(≤f≤n’In{w.+1.173PD.0一f.)(f>0)式中P是环境相对湿度大于腐蚀临界湿度的概率,根据具体环境由统计分析确定.本文对西安地区空气相对湿度(1988年)进行统计分析,得到周平均相对湿度服从正态分布(_D.=O.16l<Dn=O.189)工程力学3.结果分析从式(13),(14)可以看出.钢筋锈蚀量(开裂前)与混凝土强度,钢筋直径,混凝土保护层厚度,环境湿度及服役时间等有关.其变化曲线如图l一图4所示.从图中可以看出:①在锈蚀初期,锈蚀量与时间大致呈抛物线关系.在后期大致呈直线关系}②混凝土强度对锈蚀量影响显着随混凝土强度增大,锈蚀量显着减小;③保护层厚度对锈蚀量亦有显着影响,随保护层厚度增大.锈蚀量显着减小.但当保护层厚度超过某一界限后.其对锈蚀量的影响甚小}④锈蚀量随钢筋直径增大增加,但影响不是太大臣暑●l.一×IHoXf/mm图3锈蚀量随保护层厚度的变化2.?2?X1.暑2l.1vX,/MPa图2锈蚀量与湿凝土强度的关系R/mm图4锈蚀量随钢筋半径变化曲线六,与实际工程检测结果的对比分析实际工程中钢筋锈蚀的机理非常复杂,影响因素很多,离散性也较大.为了使理论分析—般大气环城混凝土中锕筋镑烛量的估计结果尽量接近实际工程,将其与工程检测结果进行对比分析是非常必要的.陕西锕厂一轧车间钢筋混凝土挡风柱.混凝土强度等级C18,钢筋直径l2,为西安地区室外环境,服役时间35n.根据我们对西安地区环境相对温度的统计分析,取锈蚀临界相对湿度为8O,则P日=0.787.表1列出了用式(13)计算的结果和计算值与实滔值的比值.经计算,实测值与计算值比值的平均值为0.266,标准整为0.086.表l理论计算与实际检测结果对比实测保护镑蚀开始镑蚀开袭开裂后截面损失事(%)里层厚度(nm)时闻(1)时问)T”T_15.5000儿.63Ⅱ518.038226.14904.6120m176417.30oo14.488621.913120.89568.16oom390515-20oo11.184617.427826.97487.8400m290B17.600014.995522.5g43t9.97037.0380m352416.800013.663220.800322.t0617.03800.31119.oo017.47602丘906115.{65B&9100m3821 15.20oo11.184617.427828.97488.4790m3143 15.40oo11.t80917.833426.42619.9¨0m374818.0O∞l5.68蚰23.518218.71464.45oom龆78 11.40oo6-291l10.579236.19295.1oo0m140911.60∞6.51t010.898635.76558.3190m232617.600014.995522.594319.97036.7160m3363 17.000013.990521.2t2021.8067&9570m4107 1m00004.84108.472339.003512.12oom310718.20oo16.035323.986918.07734.9380m273219.00(1017.476025.906115.46564.2860m2771 16.800013.663220.800322.t0617.03800-3141 11.4咖6-2914l0.579236.19295-58600-1543l17.0口ool3.990521.2北021.80676-7160m3080 17.40001t.656622.139120.58877.3590m3574l8.0000l5.684823.51821&71466.8780m367511.4Ooo6.291410.579236.19297.3440m202912.60oo7.685612.564433.53165.91O0m176317.00013.990521.242021.80675.4240m248717.500014.995522.594319.97034.2860214612.60007.6踮612.564433.53164.61200.137512.40007.443512.222033.99144.32300.127216.00oo12.3g2919.078024.74l03.9600m160117.00oo13.990521.2t2021.80673.8730m177618.00oo15.684823.5182l8.71464.2860m2290工程力学七,结语本文根据工程调查结果把一般大气环境分为两类,给出了钢筋锈蚀开始时间的确定方法}刺用腐蚀电化学原理,分别建立了两类环境混凝土中锕筋锈蚀量的预测模型,并给出了简单实用的估计公式.为钢筋混凝土结构的耐久性分析与寿命顼澜奠定了基础.但由于目前实测数据较步,与工程检测结果比较分析还需做大量工作.参考文献1惠云玲.锈蚀钢筋力学性能变化韧探.工业建筑,1992~22(10】33—36 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