（固体力学专业论文）机敏混凝土在钢筋锈蚀监测与防护中的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文的主要工作分为两部分：一部分是用机敏混凝土的压敏性进行钢 筋混凝土结构中钢筋锈蚀监测：另一部分是用机敏混凝土p n 结进行钢筋锈 蚀防护。针对这两部分工作，分别进行了如下的研究： 一、应用机敏混凝土压敏性进行钢筋锈蚀监测： 1 、在分析钢筋锈蚀膨胀研究现状的基础上，建立了新的钢筋锈蚀膨胀模型。 由于混凝土拉压性能的不同，应用各向异性本构关系，并考虑保护层开 裂以后，钢筋的锈蚀产物会有部分渗透到裂缝中，降低锈蚀产物对保护 层的膨胀压力，对钢筋锈蚀膨胀应力进行了计算。 2 、研究探讨了c f r c 的压敏机理及应用其压敏性进行钢筋锈蚀监测的方 法，结果表明用c f r c 包裹层能有效地监测钢筋的状态。 二、应用机敏混凝土进行钢筋锈蚀的防护研究： 1 、试验研究了s f r c 的导电能力。s f r c 的导电能力比素混凝土有所提高， 但是由于钢纤维的锈蚀，s f r c 的电阻仍然很大。 2 、试验研究了由c f r c 和s f r c 制成的水泥基p n 结。水泥基p n 结有良好 的单向导电性，并且随时间的增加反向饱和电流越小。且反向饱和电流 的大小和纤维掺量有关。 3 、利用机敏混凝土进行钢筋锈蚀防护进行了初步研究。由于c f r c 具 有良好的导电能力，利用c f r c 进行阴极防护，能有效的降低阴极防护 驱动电压；应用水泥基p n 结的自建电场进行钢筋锈蚀防护，能在不 降低结构性能的基础上提高钢筋的电子逸出功，使钢筋中的电子不易逸 出，达到钢筋锈蚀防护的目的。 关键词：本构关系，机敏混凝土，碳纤维混凝土，钢纤维混凝土，p n 结， 载流子 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a ( 丁 t h eb r i e fr e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o ni st w o f o l d ：o n ei st h em o n i t o r i n go f t h ec o r r o s i o no f r e i n f o r c e db a ri nc o n c r e t eb y u s i n g t h ec o m p r e s s i o n s e n s i b i l i t y o fs m a r tc o n c r e t e ；t h eo t h e ri st h ep r e v e n t i o no ft h ec o r r o s i o no fr e i n f o r e e db a r b yu s i n g t h es m a r tc o n c r e t ep n j u n c t i o n s d u et ot h et w os u b j e c t s ，t h ef o l l o w i n g r e s e a r c h e sa r ec a r r i e do u t 1 t h e m o n i t o r i n g o ft h ec o r r o s i o no fr e i n f o r c e db a rb y u s i n g t h ec o m p r e s s i o n s e n s i b i l i t y o fs m a r tc o n c r e t e ：1 ) an e wm o d e lo fc o r r o s i o n e x p a n s i o no f r e i n f o r c e db a ra r eu p b u i l tt oc a l c u l a t et h ec o r r o s i o ne x p a n s i b i l i t yb a s e do nt h e a n a l y s i so fr e s e a r c hs i t u a t i o no fr e i n f o r c e db a rc o r r o s i o n i nt h i s m o d e lt h e a n i s o t r o p i cc o n s t i t u t i v e m o d e l so fc o n c r e t ea r ei n t r o d u c e da c c o r d i n gt oi t s d i f f e r e n tb e h a v i o r su n d e rc o m p r e s s i v es t r e s sa n dt e n s i l es t r e s s a n di ti s c o n s i d e r e dt h a tac e r t a i na m o u n to fr u s tp r o d u c ti sc a r r i e da w a yf r o mt h er u s t l a y e ra r o u n dt h er e i n f o r c e m e n ta n dd e p o s i t e dw i t h i nt h eo p e nc r a c k sa f t e rt h e c o v e rc r a c k e d ，w h i c hw i l lr e d u c et h ee x p a n s i v ep r e s s u r e s 2 ) t h em e c h a n i s m s o fc o m p r e s s i o ns e n s i b i l i t yo fs m a r tc o n c r e t ea r es t u d i e d ，a n dt h em e t h o d so f a p p l y i n gi t sc o m p r e s s i o ns e n s i b i l i t y t om o n i t o rr e i n f o r c e m e n tc o r r o s i o na r e e x p l o r e d i ts h o w s t h a ti tc a l le f f e c t i v e l ym o n i t o rt h es t a t eo ft h er e i n f o r c e db a r b yb u n d l i n gu n i f o r m l ys m a r t c o n c r e t ea r o u n dt h er e i n f o r c e db a r 2 t h ep r e v e n t i o no ft h ec o r r o s i o no fr e i n f o r c e db a r b yu s i n g t h es m a r tc o n c r e t e p nj u n c t i o n s 1 ) t h ec o n d u c t i v i t yo fs f r c i st e s t e di ne x p e r i m e n t s t h et e s t s t u d i e ss h o wt h a ts f r ch a sb e t t e re l e c t r i cc o n d u c t i v i t yt h a np l a i nc o n c r e t e ， w h i l et h er e s i s t a n c ei ss t i l lr e m a r k a b l eb e c a u s eo ft h ec o r r o s i o no fs t e e lf i b e r a t t h eb e g i n n i n go ft h ec u r i n gp e r i o d ，t h er e s i s t a n c eo fs f r ci n c r e a s e sr a p i d l y , a n dt h e nt e n d st os t a b l e a n dt h er e s i s t a n c ew i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go f t h ev o l u m ef r a c t i o no fs t e e lf i b e r 2 、t h ec e m e n t b a s e dp n - j u n c t i o n sa l et e s t e d i ne x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec e m e n t b a s e dp n - j u n c t i o n sh a v ea g o o d u n i l a t e r a lc o n d u c t i v i t y t h ei n v e r s es a t u r a t i o nc u r r e n td e c l i n ea st i m eg o e s t t 武汉理工大学硕士学位论文 b ya n dd e p e n do nt h ev o l u m ef r a c t i o no ff i b e r 3 ) t h ea p p l i c a t i o n so fs m a r t c o n c r e t eo nt h ep r e v e n t i o no fr e i n f o r c e m e n tc o r r o s i o na r ep r i m a r i l ye x p l o r e d c f r cc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e t h e d r i v i n gv o l t a g er e q u i r e db y c a t h o l i c p r o t e c t i o n b e c a u s eo fi t s g o o d e l e c t r i c c o n d u c t i v i t y ；a p p l y i n g c e m e n t - b a s e dp n - j u n c t i o n so l lt h ep r e v e n t i o no fr e i n f o r c e m e n tc o r r o s i o n i nt h e i n t e r f a c eo fp - t y p er e g i o na n dn - t y p er e g i o no fp nj u n c t i o n sas e l f - b u i l te l e c t r i c f i e l dw i l lb ef o r m e d ，a n di t sd i r e c t i o ni sf r o mn - t y p er e g i o nt op - t y p er e 百o n i f t h er e i n f o r c e db a r sa r eb u n d l e du n i f o r m l yb yt h ec e m e n t - b a s e dp n - j u n c t i o na n d t h es f r ci sc l o s et ot h er e i n f o r e e db a r s ，w h i c hc a ne n h a n c et h ee l e c t r o nw o r k f u n c t i o nw i t h o u ta n yl o s so ft h ep e r f o r m a n c eo fs t r u c t u r e ，t h ec e m e n t b a s e d p n - j u n c t i o n s w i l lp r e v e n tt h er e i n f o r c e db a r sf r o mc o r r o d i n g k e yw o r d s ：c o n s t i t u t i v er e l a t i o n ，s m a r t c o n c r e t e ，c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e d c e m e n t ( c f r c ) ，s t e e l f i b e rr e i n f o r c e d c e m e n t ( s f r c ) ， p n - j u n c t i o n ，c a r r i e r i i l 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1研究背景 钢筋混凝土作为现代最主要的建筑材料，在工业、民用、运输和其它建 筑物的建设中已经得到了大规模的运用。但近年来的工程调查表明，由钢筋 混凝土结构腐蚀造成的后果非常严重，全世界每年用于混凝土结构的维修和 加固的费用数以千亿美元记【。而钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土结构耐久性失 效的最主要的因素f 1 , 1 2 , 1 3 】。因此对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀防护的研究具 有重要的实际意义，也成为这一领域研究最多的问题之一。 另一方面，随着现代电子技术和材料科学的迅速发展，促使社会及其各 个组成部分，如交通系统、办公场所等等向智能化方向发展，混凝土作为各 种建筑的基础材料，其智能化研究和开发自然成为人们关注的热点1 2 。碳纤 维增强混凝土( c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e 简称c f r c ) 和钢纤维增强混 凝土( s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e 简称s f r c ) 作为高性能混凝土，已经被 广泛地在建筑结构中采用。同时人们也发现c f r c 和s f r c 不仅具有强度高、 韧性好、抗冲击强等良好的结构性能【3 】，还发现它们也是很好的机敏( 智能) 材料，具有许多其它的智能特性，如低电阻【“，尤其是c f r c ，它还具有压 敏性1 5 , 6 1 、力电和电力效应f 8 】、电热效应 7 1 、s e e b e c k 效y 立t g j 等一些功能特性。 于是人们设想能否将上述材料的智能特性也应用在建筑结构中，使之在不仅 提高结构强度的条件下，同时使结构具有智能化特性，如自诊断、自调节、 自修复、自防护等功能【i o , n 。由于c f r c 和s f r c 与混凝土有很好地相容性， 是一种本征地机敏材料，因此是一种理想的结构一功能一体化材料，也成为 一个研究的热点。 本课题研究来源于国家自然科学基金重点项目“机敏混凝土及其结构” f 项目编号：5 0 2 3 8 0 4 0 ) 。重点开展有关如何应用机敏混凝土实现钢筋锈蚀的 智能监测和防护的研究，对提高以后的建筑结构的安全性，具有现实的重大 意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 钢筋锈蚀监测及防护研究现状 新拌混凝土由于含有大量o h 一离子，其p h 值一般可达1 2 5 1 3 5 。 钢筋在这样高碱性环境中表面就形成钝化膜，电化学腐蚀无法进行，从而防 止了混凝土中钢筋的锈蚀。然而，由于空气中的酸性气体的中和作用以及氯 离子的侵蚀，会降低混凝土的碱性，当混凝的碳化深度超过钢筋的保护层 厚度或在钢筋表面聚集的氯离子达到锈蚀临界值时，钢筋钝化膜变得不稳定 直至完全破坏，这时钢筋为阳极，溶解于钢筋表面水膜的氧气为阴极，发生 电化学反应，引起钢筋锈蚀埘。 钢筋锈蚀的非破损检测方法主要有分析法、视觉和声学方法、氯离子检 测方法、物理检测方法、电化学检测法1 1 3 l 等。1 ) 分析法：分析法的应用有 赖于建立合理可靠的钢筋锈蚀预测模型。刘西拉【1 4 】等对钢筋锈蚀进行了理 论分析，提出了基于混凝土碳化的钢筋锈蚀量预测模型；牛获涛【1 5 l 等给出 了混凝土开裂时钢筋锈蚀量的计算模型：霍达【1 6 1 等利用模糊综合评判方法 对混凝土内钢筋的锈蚀的定量评定和预测进行初步研究；陈海斌、张耀庭 1 7 , 1 8 】等尝试应用b p 网络建立评估混凝土开裂后钢筋锈蚀程度的人工神经 网络模型。但以上模型真正用于工程实践还需进一步的研究：2 ) 视觉和声 学方法：主要通过视觉观察钢筋表面是否有大量锈斑或通过敲击或用超声波 测试混凝土中的顺筋裂缝，来判断钢筋是否锈蚀；3 ) 氯离子检测方法主要 是通过监测混凝土中的氯离子浓度来检测钢筋是否锈蚀。4 ) 物理检测方法： 主要是通过测定与钢筋锈蚀一起的电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特 性的变化来反映钢筋的锈蚀状况，主要有电阻棒法、涡流探测法、射线法、 红外热像法、超声波检测法、冲击回波法、声发射探测法等1 1 ”。5 ) 电化学 检测法是通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋 的锈蚀程度或速度，主要有自然电位法、交流阻抗法、线性极化法、恒电量 法、电化噪声法、混凝土电阻法、谐波法等i l 。6 ) 其它方法：黎学明、李 学金【2 0 。2 2 1 等尝试将光纤腐蚀传感技术用于混凝土结构钢筋腐蚀在线监测，认 2 武汉理工大学硕士学位论文 为与传统腐蚀的监测技术相比有着显著的优越性，易于实现结构内部连续、 在线、分布式监测。 混凝土中钢筋的锈蚀属电化学腐蚀，防止钢筋锈蚀主要是减缓二氧化 碳、氧气、水、氯离子等腐蚀因子通过混凝土保护层向钢筋表面渗透扩散， 以及防止氯化物和硫酸盐在钢筋表面的积聚【2 3 矧。国内外目前保护钢筋的主 要技术措施，一般划分为两大类，即“基本措施”和“附加措施”。基本措 施主要通过仔细设计与施工，最大限度的提高混凝土本身的低渗透性，并在 使用中保持低渗透性，以限制环境侵蚀介质渗透混凝土，从而预防钢筋腐蚀， 如加厚保护层、降低水灰比等。附加措施主要有在混凝土表面涂刷有机高分 子涂层或做隔离层，在强腐蚀环境中，一般的防护涂层不能达到对钢筋混凝 土防护目的，可以采取隔离层的方法；在钢筋表面做防护层，一般分为金属 防护层( 如镀锌) 和有机防护层( 如环氧树脂涂层) ；从电化学的角度考虑口j ， 还可采用以下三种方法：( 1 ) 降低钢筋电势至免疫区一阴极保护；( 2 ) 提高钢 筋电势至钝化区，使阳极极化一阳极保护( 电化学脱盐) ：( 3 ) 提高媒质p h 值 至钝化区一原理同混凝土如何保护钢筋( 再碱化) 。 1 2 2 机敏混凝土研究现状 机敏混凝土是机敏材料的一个分支。机敏材料是一种具有感知或控制等 功能的材料。它既能感知环境状态，又能传输分析有关信息，同时作出类似 有生命物质的智能反应，如自防护、自诊断、自适应和自修复等【1 0 n j 。碳纤 维由于化学稳定性好，耐腐蚀，而且c f r c 具有低电阻和良好的压敏性、温 敏性等特性，在未来的智能结构中有广泛的应用前景，因此已成为研究最多 的机敏混凝土之一i z 7 j 。 关于c f r c 的导电机理，国内外已经作了大量的研究。张跃p 6 j 等研究 了碳纤维( l c f ) 无宏观缺陷( m d f ) 水泥基复合材料电学性能，提出c f r c 的隧道导电模型，即靠电子通过分散在基体中的导电材料形成网络，并通过 隧道效应连通网络之间的绝缘间隔而进行传导；王秀峰1 2 7 , 2 s 1 等提出了c f r c 的导电通道模型，即认为c f r c 中的碳纤维相互直接接触，形成连续的导电 网络，从而使导电离子流通形成导电；水中和、加拿大x i ep i n g l 2 9 , 3 0 1 等人发 3 武汉理工大学硕士学位论文 现c f r c 存在电导渗滤现象：当碳纤维掺量达到某一临界值( 渗滤阈值) 时 电阻率急剧减小，在超过临界值后，随纤维掺量的进一步增加，c f r c 电阻 率的减小趋于平缓。 关于碳纤维混凝土导电载流子类型，最初很多研究者认为是电子导电和 离子导电，前者是指碳纤维内离域的n 电子沿纤维网络进行传导，后者是指 水泥石液相水中的c a 2 + 、o t - r 、s 讲。、n a + 、k + 等离子在外加电场作用下 产生定向移动而导电【3 。武汉理工大学李卓球、孙明 3 2 3 3 】等研究后认为除了 离子导电和电子导电之外，还存在空穴导电，并且空穴导电是主要的导电形 式。美国纽约州立大学地d d l c h u n g j 3 4 , 3 司等人研究认为，c f r c 的导电主 要导电载流予随碳纤维的变化有一个转折点，在低的纤维含量下，c f r c 的 主要导电载流子是电子，随碳纤维含量的增加，空穴导电的成分也增加，当 纤维含量超过某一值后，空穴成为主要导电载流子。 钢纤维混凝土虽然在结构中应用更多，由于其电阻较大，关于其机敏性 的研究相对较少。1 9 9 1 年加拿大的n b a n t h i a 3 6 1 等人就研究了s f r c 的导电 性，发现随养护时间的增加，s f r c 电阻增加很大，到3 0 天时其电阻率增 加到了1 0 4 q c m ，随后其他的一些报道也具有相同的结果。d d l c h t m g 3 v 等根据素混凝土、碳纤维混凝土和钢纤维混凝土的载流子类型或浓度不同， 研究了水泥基p n 结，并得到了类似p n 结特性的伏安曲线，但是并没有得到 水泥基d n 结反向漂移电流的稳定值。 关于c f r c 的压敏性研究，我校沈大荣、李卓球、毛起熠1 3 8 1 等在1 9 9 6 年发现了机敏混凝土存在三个自诊断区域特性：安全区、损伤区和破坏区， 表明c f r c 能够感知自身从弹性阶段到破坏阶段的演变全过程。就电阻变化 来讲，c f r c 试件在受压过程中存在可逆感应区、平衡区、和剧增区三个区 域。并在此基础上，研究了压敏性与碳纤维掺量、工艺制度等的关系，并揭 示了c f r c 中的弹性体、初始空隙与缝隙、受压过程产生的新损伤和裂纹等 对其导电网络结构的影响规律，建立了力学模型。西安交通大学的王秀峰等 也研究了碳纤维增强水泥复合砂浆的制备、导电性与压敏性；同济大学的陈 兵、吴科如【3 8 驯等研究了c f r c 表观电导特性与其内部微观结构的关系，探 讨了电阻率的变化与材料所受外部简单荷载和循环荷载的关联性。结果表明 4 武汉理工大学硕士学位论文 c f r c 具有实时诊断内部损伤的机敏性：当c f r c 内部裂纹产生或扩展时电 阻率上升；而当c f r c 内部裂纹闭合时其电阻率下降c f r c 的电阻变化与 所受荷载呈良好的线形关系。 美国p u - w e ic h e n 、d d l c h u n g 4 “5 ，4 9 】等研究了短切碳纤维或连续碳纤 维水泥基复合材料在拉、压静载与循环动载作用下的压敏效应，说明体积电 阻率的变化与材料内部裂纹的闭合与扩展、碳纤维与水泥基界面强度减弱等 有关，从而可对碳纤维混凝土复合材料实施非破损的自诊断、运动车辆的重 量自检测等。他们还研究了材料养护及碳纤维表面处理等对第一个加卸载循 环过程中出现的电阻变化不可逆性、多次重复加卸载时感应的重复性等的影 响。采用臭氧处理、硅烷处理、掺入硅粉、胶乳液 4 6 , 4 s l 等方法来提高纤维与 水泥的界面粘接强度，并以此来探讨提高压敏稳定性和灵敏性的方法：他们 在机敏混凝土结构的应用方面也开展了初步研究【4 ”，采用机敏混凝土在交 通和载重量的监测方面的应用进行了实验研究，并探讨了碳纤维含量对在不 同应力不同速度下的稳定性。最近，他们还对含碳纤维0 5 ( 叭) 的机敏混凝 土在单向压缩作用下的轴向与横向应变所对应的电阻率变化进行了实验分 析f 5 0 l 。 尽管有关机敏混凝土的研究己取得了一些进展，但关于机敏混凝土的应 用研究任处在起步阶段。国内外所进行的也都是实验室的研究工作，并未进 入实际工程应用，也少见到有关机敏混凝土的实际应用的报道。加拿大的 x i ep i n g 、j j b e a u d o i n m l 等认为导电混凝土材料同时具有高的力学性能和好 的导电性，并对导电混凝土用于路面融雪化冰的有效性进行了研究；1 9 9 9 年美国的s h c r i f y e h i a 和c h r i s t o p h e ry t u a n l 5 1 - 5 2 j 在总结了3 0 余年来采用各 种方法进行有关路面化冰的研究进展后，提出利用钢纤维钢屑混凝土的导电 性，开展了关于桥梁路面除冰的实验研究；另外李卓球等对利用电沉积技术 对c f r c 地裂纹尖端实施自钝化进行了研究，表明这种方法不仅能使裂纹尖 端完全被覆盖，其成分与混凝土成分基本一致，且结构的强度得到很大的提 高；郑立霞等人对利用c f r c 的对钢筋锈蚀进行锈蚀监测进行了模拟试 验研究。结果表明，c f r c 具有较高的灵敏性，其电阻的减小量随钢筋锈蚀 层厚度的增加而线性增加，可根据c f r c 电阻的变化可以实时地、在线地、 武汉理工大学硕士学位论文 无损地、定量地检测钢筋地锈蚀情况【l l 】；武汉理工大学余建初吲对利用 c f r c 的导电性进行钢筋锈蚀的阴极防护进行了试验研究，结果表明，对埋 在c f r c 中的钢筋进行阴极防护时，能较大的降低驱动电压：美国 d d l c h u n g s 4 , s s 墩授对用c f i l c 对结构进行维修和加固后进行了试验研 究，结果表明，使用c f r c 不仅能有效的降低结构的体电阻和接触电阻，还 能根据结构的形状来计算和设计阴极防护所需要的外加电压。 所有的这些研究成果都为机敏混凝土的应用打下了良好的基础。但是由 于有许多关键性的问题有待解决，如碳纤维在混凝土中的分散性、机敏混凝 土所反映的信息的采集、碳纤维混凝土长期使用时的性能等。关于机敏混凝 土的应用研究还仅仅处在试验室阶段，距机敏混凝土的实际应用还有很多方 面需要具体研究。 1 3 1 研究内容 1 3 本文的研究内容与意义 本文以机敏混凝土为主要材料，围绕钢筋锈蚀的监测与防护进行了研 究。归纳起来，研究内容主要包括以下两点： 1 应用机敏混凝土进行钢筋锈蚀的实时监测。 曲建立钢筋锈蚀膨胀应力的计算模型，并计算钢筋的锈蚀膨胀应力。 b 1 建立应用c f r c 的压敏性进行钢筋的实时监测的模型。 2 应用机敏混凝土进行钢筋锈蚀的防护。 a 1 分析c f r c 和s f r c 的导电粒子类型，并试验研究钢纤维混凝土的导 电性。 b ) 试验研究用c f r c 和s f r c 制成的p n 结导电性能。 c ) 研究水泥基p n 结进行钢筋锈蚀防护的理论机制，并试验研究水泥基 d n 结在钢筋防护中的应用效果。 针对以上研究内容，本文采用以下的技术路线： 1 建立计算钢筋锈蚀膨胀应力理论模型，并与传统的弹性力学的计算结果 武汉理工大学硕士学位论文 相比较。初步建立应用机敏混凝土进行钢筋锈蚀实时监测的方法。 2 根据前人的研究结果，分析c f r c 和s f r c 的主要导电粒子，并通过试 验研究钢s f r c 的导电性。 3 根据s f r c 和c f r c 的导电粒子含量与纤维含量的关系，选择适当的纤 维含量的s f r c 和c f r c 研制水泥基p n 结。 4 用电化学方法研究用水泥基p n 结进行钢筋锈蚀防护的效果。 1 3 2 本文研究的意义 本课题将开展有关如何应用机敏混凝土实现钢筋锈蚀的智能监测，并重 点对水泥基d n 结及其在钢筋锈蚀防护中的应用进行研究。 随着现代社会和科技的发展，传统的作为结构材料的混凝土也在向高强 度、多功能和智能化的方向发展，传统的钢筋锈蚀的被动监测和防护已不能 满足智能化结构的要求。机敏混凝土作为一种全新的智能材料，在未来的智 能混凝土结构中有广泛的应用前景。它能制成集成化和小型化的智能组件应 用于智能结构中；能够在不影响结构的力学性能的前提下，拓宽智能混凝土 结构的功能，如使混凝土结构具有一些电学功能，如电信号处理、电磁辐射 的吸收或发射，或是制成太阳能电池发电装置等：能够实现实时、在线地监 测钢筋锈蚀，实现钢筋锈蚀的智能防护，对未来钢筋混凝土结构的安全性、 耐久性甚至是智能化具有重大意义。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章 应用机敏混凝土进行钢筋锈蚀监测研究 2 1 引言 钢筋发生锈蚀以后，其产生铁锈的体积是相应钢筋体积的2 4 倍【t 4 , 1 5 | ， 因而会向四周膨胀。由于钢筋四周的混凝土限制它的膨胀，在交界面上产生 了压力，这种压力就称为钢筋锈胀力。钢筋锈胀力会影响钢筋与混凝土的粘 结性能，导致混凝土保护层受拉而开裂。钢筋混凝土构件一旦受锈胀力开裂 以后，钢筋锈蚀速度加快，这对钢筋混凝土构件的耐久性是十分不利的。 由于钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂的过程相当复杂，国内外学者就此 进行了大量的试验研究和理论分析。现有研究方法根据其研究手段大致可分 两类：模拟试验法：m 酾n a g a 【5 6 l 采用空心圆柱体内部施加油压模拟钢筋均 匀锈蚀，研究了钢筋锈蚀量与混凝土表面开裂之间的关系；a i l a n ”j 贝0 通过 钢筋穿孔施加油压模拟局部锈蚀，建立了不同锈蚀量引起混凝土胀裂随时间 变化的概率分布模型。张伟平1 5 8 l 采用温度膨胀环模拟锈蚀产物，通过温度 膨胀模拟锈蚀产物的体积膨胀作用，对混凝土中钢筋锈胀过程进行了仿真计 算；力学分析法：b a z a n t 5 9 】用厚壁圆筒受内压模型对钢筋锈蚀膨胀作了简 单的弹性分析：a n d r a d e 、d a g h e r l 6 0 , 6 1 l 通过外加均布荷载模拟锈蚀产物的体 积膨胀作用，采用分稚裂缝模型，编制了锈胀损伤过程的有限元分析程序。 由于以上各种方法基本上是采用混凝土线弹性各向同性本构关系 6 2 l ， 假设混凝土沿钢筋环向拉应力达到抗拉极限强度的瞬间开裂，不考虑混凝土 开裂后的残余应力：假设锈蚀产物全沉积在钢筋周围，忽略混凝土开裂后钢 筋锈蚀产物在裂缝中的沉积。得到的混凝土保护层开裂速度比实际快，混凝 土与钢筋的界面膨胀压力比实测值低。 由于c f r c 具有良好的压敏性，根据c f r c 电阻随压力水平的变化， 存在三个自诊断区域特性：安全区、损伤区和破坏区，即能够感知自身在压 力作用下的从弹性阶段到破坏阶段的全过程。且在弹性阶段，在压力的作用 下，电阻产生可恢复的变化。所以可以利用c f r c 的压敏性，通过测量c f r c 武汉理工大学硕士学位论文 的电阻变化来感应钢筋的锈蚀膨胀应力，达到监测钢筋锈蚀状态的目的。 本章首先简要分析c f r c 的压敏机理：然后在考虑混凝土开裂后的残余 拉伸应力以及锈蚀产物向裂纹的渗透的基础上，计算了钢筋的锈蚀膨胀应力 和混凝土保护层的开裂过程；最后用本计算模型结合试验数据研究用c f r c 进行钢筋锈蚀监测的效果。 2 2c f r c 压敏机理 在低应力水平下，c f r c 的电阻随压力增加而减小，随拉力增加而增大， 即c f r c 具有压敏性。关于c f r c 的压敏机理，国内外学者进行了大量的 研究。首先根据c f r c 的导电机理，人们提出了导电通道模型例和隧道效 应模型 2 62 射，前者认为当c f r c 受压时，纤维的间距减小，使更多的纤维相 互搭接，纤维与纤维及混凝土接触更紧，所以电阻减小。而当c f r c 受拉时 则恰好相反；后者认为，纤维中的电子具备足够的能量时能越过纤维间的势 垒而实现导电，当c f r c 受压时，一方面原来相距较近的纤维能够相互搭接， 形成导电网络，使c f r c 电阻减小，另一方面原来相距较远的纤维间距减小， 使电子能以较小的能量越过纤维间的势垒而实现导电，使c f r c 电阻减小。 受拉时恰好相反。还有美国的d d l c h t m g 及p u w e ic h e n 4 l 两位教授提出 了碳纤维的插入、拔出效应模型。他们认为，在c f r c 的原始微裂纹中，碳 纤维可以连通裂纹，起着导电桥梁的作用。当c f r c 受压时，裂纹闭合，碳 纤维插入水泥石中，c f r c 电阻减小；当c f r c 受拉时，旧裂纹张开甚至扩 展，新裂纹的产生和蔓延，使碳纤维被从水泥石中拔出，于是电阻增大。武 汉理工大学的郑立霞【l l 】提出了c f r c 串连导电模型解释其压敏性，认为 c f r c 的电阻由碳纤维电阻、水泥浆体电阻和碳纤维与混凝土的接触电阻三 部分串连组成，当c f r c 受压时，碳纤维搭接增多，水泥浆体密度增加，以 及碳纤维与水泥浆体接触面增加、接触更紧，三方面的变化都使电阻减小， 从而使c f r c 总的电阻减小。还用b u r g e r s 流变模型模拟c f r c 本构关系， 计算了c f r c 中载流子数与应变的关系。 本论文认为，c f r c 的压敏性应该是以上各种机理共同作用的结果。当 9 武汉理工大学硕士学位论文 c f r c 受压时，纤维间距减小，且纤维与纤维及混凝土接触更紧，通道导电 更容易，同时隧道导电也会加强，在混凝土微裂纹中的纤维插入水泥石中， 也增加了c f r c 的导电性，以上作用的综合作用下c f r c 电阻减小。当c f r c 受拉时，受到以上机理的反作用而使c f r c 电阻增加。 2 3 钢筋锈蚀膨胀应力计算模型 2 3 1 简化模型【5 8 ，6 3 舯l 如图2 1 ，设钢筋原始半径为r ，混凝土保护层厚度为c 。取内径为r ， 外径为c 。一c + r 的厚壁圆筒作为分析模型( 图a ) 。钢筋锈蚀以后，锈蚀层 外径为r ，内径为r r 。( 图b ) ，设钢筋质量损失率为p ，锈蚀体积膨胀率为n ， 锈蚀层厚度为t ，若不考虑锈蚀产物向裂缝的渗透，且沿环向均匀锈蚀膨胀， 则有： r ，1r ，一。0 1 ) p 一玩 ( 2 1 a ) r n 。1 一p r ( 2 1 b ) 图2 1 ：钢筋锈胀应力计算的理想化厚壁圆筒模型 武汉理工大学硕士学位论文 由于混凝土的抗拉强度很低，在钢筋开始锈蚀后不久钢筋周围的混凝土 即将开裂。设混凝土各个方向沿径向的裂纹深度相同，如图2 1 ( c ) 所示， 裂纹前端离圆筒中心距离为r 。，在裂纹尖端的环向应变为混凝土极限拉应 变厶，厶和分别为混凝土抗拉极限强度和初始弹性模量。当r ；c 。 时混凝土保护层完全破裂。 考虑混凝土开裂后，部分锈蚀产物将会渗透到张开裂纹中，这部分锈蚀 产物对混凝土保护层不产生膨胀压力。可近似认为沿钢筋环向裂纹总宽度为 罗w ，玉瓯岛k ，其中。k 一“，r 。为锈蚀层前端环向应变，单位长度裂纹 总容量近似为了“r r ，) 2 ，考虑锈蚀产物向裂纹的渗透，单位长度锈蚀 产物的总体积为： a 石( r ；一r 三) + 艘，i ( r o r ，) ( 2 2 ) 式中“，k b r 以及r ，一r 。+ t r ，根据钢筋的锈蚀率与锈蚀膨胀率 可知一a n 脚：，最后沉积在钢筋周围的锈蚀产物厚度为： t 。竺鲤二盟二墨巡! 二生2 (23)r ( r o + r ) 在混凝土开裂以前，锈蚀产物厚度应通过( 2 1 ) 式计算，而当混凝土开 裂以后，钢筋周围的锈蚀产物厚度应通过( 2 3 ) 式计算。 2 3 2 基本方程f 酯删 根据以上分析知该计算模型为轴对称模型，厚壁圆筒沿环向受拉而沿径 向受压，由于混凝土的拉压性质不同，为各向异性非线弹性材料。则该问题 的基本方程如下： 应力平衡方程： 几何方程： 堡+ ! ! 二鱼。o( 2 4 ) d r7 。：车 a r s 。生 本构方程： e ，= 仃，一u r 0 一”。盯： ( 2 6 a ) 武汉理工大学硕士学位论文 、 e 日占pi 口口一 舟o r 一”盯z e ：s ：一盯：一 口1 7 r - - v 2 日盯口 将( 2 5 ) 式带入( 2 6 ) 式并解出应力： ( 2 6 b ) ( 2 6 c ) o r ，：_ 上( e ，0 + 。e o e o ) + 兰旦! 凸盯： ( 2 7 a ) 1 一蚱日z oi 一 ，e u a , 4去暖age+vet)+篙吒(27b)eva,l 一 ，l t ，口 廿 再带入( 2 4 ) 式得到该问题的控制方程。对于平面应力问题，盯：= 0 ：而对 于平面应变问题盯：一v z r o ，+ 吐9 。 平面应变模型： ( 1 一u * 属矿d z u , + 1 - 警- r e , ( 1 - z 0 r - - u o t p ，+ 也e ) ) + 岛p 扩”：a ) 】( 2 8 a ) 一鲁岛( 1 一 ，) l o 平面应力模型 争+ 吾等暇( 1 一) + 易q 。】一岛；0 另外，两个边界条件分别为： u ，| ，凡一r r b盯，i ，c z0 ( 2 8 b ) ( 2 9 a 、b ) 根据( 8 ) 式解出厚壁圆筒的径向位移表达式后，根据边界条件能确定 其中的待定系数，应用几何方程( 2 5 ) 和本构方程( 2 7 ) 可解得混凝土保 护层的应力应变分布。 2 、3 、3 混凝土本构模型【9 由于此模型为轴对称模型，混凝土厚壁圆简环向和径向为主方向。混凝 土环向受拉，且应力随半径得增大而减小；径向受压，应力也随半径增大而 武汉理工大学硕士学位论文 减小。当环向拉应力达到混凝土极限抗拉强度时混凝土开裂，环向应变沿圆 周的积分可认为是裂纹的张开位移。 混凝土本构模型如图2 2 所示。对于主压应力方向，普通混凝土应力应 交关系曲线可近似为抛物线，起初始弹性模量为e o 。2 ，c 店。，丘为混凝土 单轴压缩强度，f 。为相应的轴向压缩应变。普通混凝土6 0 大小在0 0 0 2 左 ( a ) 图2 2 ：混凝土本构模型：( a ) 主压应力方向；( b ) 主拉应力方向 右，计算时采用其初始弹性模量。对于主拉应力方向，假设在混凝土开裂前 为线弹性的，其弹性模量为。当混凝土拉应变如) 。；厶e o ，( 厶为 混凝单轴拉伸强度) 时混凝土开裂，将拉应变软化曲线近似为直线，则混 凝土拉应力并不立即变为零，它还能承受一定的残余应力，只有当e 。z8 。时 混凝土拉应力为零。与混凝土的强度、断裂能等因素相关，普通混凝土的 s 。大小一般在0 0 0 2 左右。 2 4 1 计算方法 2 4 计算方法及算例 为了简化计算，把本问题当平面应力问题计算。对与各向异性材料 有”，一q 。z e ，带入控制方程( 2 8 b ) 得到该问题的控制方程为： 多 ：【匕b k 砧 狐 澎一 武汉理工大学硕士学位论文 告弓等专鲁一。 在此问题中，求解区域被分为如下三个部分： 1 ) 在未开裂的混凝土中令： 易一e = e 。， 带入上式可解得位移为 “矿印+ 生 ， 2 ) 混凝土开裂且环向应变小于。时： e d 一 三! 型 一 ； l ! ! 壁： 一 j ( s 。一s 。) 。s 。一s ，( 。一s 。，s 。一g 。 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) f 2 1 3 ) 带入( 2 1 0 ) 式解得： 一bc o s ( 皿( r ) 】+ b z s i n 蛐( 蛐啬r ( 2 1 4 ) 式中 小痞 3 ) 混凝土开裂且环向应变大于8 。时：e a 一0 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) “，3 一c 1 + c 2 l n ( r )( 2 1 7 ) 求解时，随钢筋的锈蚀率的不同，混凝土保护层的开裂情况也不同， 分如下三个不同的过程来求解： 第一阶段，混凝土没有开裂，8 0 1 ( r b ) ts 。： 应用式( 2 5 ) ( 2 7 ) ( 2 1 2 ) 解得混凝土的应力、应变和位移，根据边界条件 ( 2 9 ) 可解出常系数a ，和以，从而得到问题在弹性阶段的解。 第二阶段，混凝土开裂，但是混凝土内壁的环向应变不超过s 。，即 s d 2 ( r ) 。： 此时混凝土保护层要分为开裂区和未开裂区两个区域来解。未开裂区位 移模式采用式( 2 1 2 ) ，开裂区采用位移模式( 2 1 4 ) 。假定开裂长度为r ，根据 未开裂区应力边界条件： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 隧；：奠 州 可以解出常系数爿。和4 ，再根据两个区域的应力连续条件和混凝土内壁位移 边界条件： 舷嚣 m 州 式中，一r ，一r ，可解出常系数b 。和b ：与w 的关系，最后由两个区域界面 的位移连续条件： “。( 尺。) “，2 ( j t )( 2 2 0 ) 求解出混凝土内壁的位移w ，进一步可由( 2 1 ) 式计算得到钢筋的锈蚀率，从 而得到在这种情况下问题的解。 第三阶段，混凝土开裂，且有部分混凝土的环向应力等于零，此时混凝 土分三个区域，即岛l ( ，) e 。区、。，6 0 2r ) f 。区，设后 两个区域的长度分别为丘和r 根据此三个区域，采取如下求解过程： 对第一区域，同样先假定开裂区长度r 。，应用式( 2 1 8 a 、b ) 可以解出常 系数4 和4 ：，再用第一、二区域的应力连续条件和第二区域的应变边界条件： 仃，l ( j r 。) 一盯，：( 疋)( 2 2 1 a ) g 。：( r c l ) 一e 。( 2 2 1 b ) 解出常系数e 和b ，然后用第二、三区域的应力连续条件和第三区域的位 移边界条件： 盯，：( r 。) ；仃，僻。)( 2 2 2 a ) u r 3 ( r ) 一w( 2 2 2 b ) 解出常系数c 和c ，最后根据三个区域的位移连续条件： “，。( r 。)