2.1 ABAQUS模型参数设置
为了探究钢筋混凝土在锈蚀过程中开裂模式,利用ABAQUS模拟锈胀开裂过程.模型采用塑性损伤模型来模拟混凝土锈胀开裂,单元类型为CPS4R,用等直径的空洞来代替钢筋位置,由于钢筋周围的应力应变较为集中,所以,对钢筋周围的网格划分适当加密,采用钢筋的径向扩张位移来模拟锈蚀产物的堆积.模型中的混凝土材料参数见表2[20].
表2 混凝土材料参数
Tab.2 Parameters of concrete materials
2.2 混凝土开裂准则
图4为本文试验测得混凝土受拉本构模型,受拉时应变发展很快,极限拉应力为2.01 MPa.如图5所示,当混凝土达到极限拉应力时,混凝土开始产生应变,但是应力没有马上急剧减少,应变没有急剧增加,当塑性拉应变达到150微应变时,开始急剧增加,应力急剧减少.因此本模型开裂的判定准则为极限拉应变准则,极限拉应变为150微应变.
图4 混凝土受拉本构模型
Fig.4 Stress-strain curve of concrete under uniaxial tension
图5 通电过程中拉应变与拉应力的变化曲线
Fig.5 Values of stress and strain with respect to different corrosion degrees during accelerated corrosion test
2.4 模型结果
模型中混凝土尺寸为150 mm×150 mm.钢筋位于试件中轴位置,钢筋直径16 mm,混凝土保护层厚度30 mm.根据试验数值,钢筋表面平均电流密度取为300 μA/cm2,该通电电流密度能在不显著影响钢筋混凝土锈胀行为的情况下大大缩短试验所需时间[21].根据公式(4)设置径向位移,最终锈蚀率为0.270%.在混凝土未开裂前,随着钢筋锈蚀率的增加,其应变分布数值增大,但是规律一致,因此以钢锈蚀率为ρ=0.014%时为例,混凝土的环向应变云图如图6所示.分别提取距离钢筋表面的径向位移s在30 mm内的混凝土环向应变在圆周方向上的分布,绘于图7.
图6 开裂前(ρ=0.014%)混凝土环向应变云图
Fig.6 Strain of concrete in the case of ρ=0.014%
由图中可以看出,随着s增大,应变值总体呈减小趋势,但在θ=0附近即靠近保护层一侧,混凝土应变随着s的增大先减小后在混凝土表面附近又增大,在s=30 mm处达到最大.在靠近钢筋表面附近,相同s的圆周上应变的极大值点位于θ=±5π/12以及θ=-π处; 在靠近混凝土表面附近,相同s的圆周上应变的极大值点位于θ=0处.图中的曲线分别是不同s下应变极大值点的连线.
图7 开裂前(ρ=0.014%)距离钢筋表面30 mm内的混凝土环向应变分布图
Fig.7 Circumferential strain distribution of concrete within 30 mm from the surface of steel bar in the case of ρ=0.014%
图8为当ρ=0.270%时,大于150微应变的应变云图,根据极限拉应变准则判定开裂,图8所示的应变位置即裂缝位置.可见,混凝土的主要裂缝有3种:竖直方向靠近保护层一侧的L1裂缝,远离保护层的L3裂缝,水平方向的L2裂缝,L1,L2,L3裂缝所在角度分别为0,±5π/12,-π.图7中应变极大值点的连线位置与图8所示裂缝的位置相吻合.
图8 混凝土裂缝开展图
Fig.8 Propagation of corrosion-induced cracks of concrete
将不同锈蚀率下混凝土的应变云图绘于图9,可见,当ρ=0.027%时,L2裂缝从钢筋表面周围出现; 当ρ=0.051%时,L2裂缝从内向外延伸,L1裂缝从保护层表面出现; 当ρ=0.065%时,L1裂缝已经贯穿保护层,L3裂缝从钢筋表面周围出现.可以看出L1裂缝是由保护层表面开始开裂,然后向混凝土内部扩展(裂缝开展方向记为表3中的外部-内部); L2裂缝和L3裂缝则相反,裂缝由钢筋表面向外侧扩展(裂缝开展方向记为表3中的内部-外部).根据裂缝开展过程,提取裂缝起裂和终裂位置单元的应变变化数据,并根据极限拉应变准则,得到裂缝的开裂临界锈蚀率,总结其开裂模式如表3所示.
图9 不同锈蚀率下的裂缝开展过程
Fig.9 Propagation of corrosion-induced cracks of concrete under different corrosion rates
表3 试件开裂模式
Tab.3 Cracking mode of concrete
2.5 试验验证
为了验证有限元模型,采用了内置电极法通电加速试验模拟钢筋的非均匀锈蚀,在靠近钢筋位置预置不锈钢丝,在通电过程中,电源的正极连接钢筋,电源负极连接不锈钢丝,可以通过改变钢丝和钢筋的间距改变钢筋锈层的分布,该方法的通电效率更高.
混凝土试件的配比如表4所示.水泥采用P·O 42.5水泥; 细骨料为河砂,细度模数为3.0; 粗骨料为破碎石灰岩,5～16 mm连续级配.钢筋采用HPB300、直径为16 mm的光圆钢筋,不锈钢丝直径为0.8 mm.混凝土试件的尺寸为150 mm×150 mm×75 mm,混凝土试件的中部布置1根钢筋,保护层厚度为30 mm,非均匀锈蚀的试块在钢筋正对保护层方向距离钢筋表面8 mm处预置不锈钢丝(图 10),与有限元模拟中模型尺寸一致.标准混凝土试块养护28 d后的抗压强度为17.9 MPa.试验装置由通电加速锈蚀系统和应变自动采集系统组成,试件放置于室内(温度约为20℃),应变片位于试件底面,如图 10所示.
表4 混凝土配合比(kg/m3)
Tab.4 Mix proportion of concrete(kg/m3)
图 10 混凝土试件及试验装置图示
Fig.10 Details of concrete specimen and test device
图 11是应变片处混凝土应变值和有限元相应单元的预测曲线.可见,随着锈蚀率的增加,应变值不断增加,混凝土应变试验值与有限元理论值吻合良好.基于本文所提出模型计算得到的混凝土保护层表面开裂临界锈蚀率为0.051%,试验值为0.054%,误差率为6.9%,吻合良好.由此,本文所提出的混凝土锈裂模型能够较好地计算在非均匀锈蚀过程中混凝土的应变及锈胀开裂时间.
图 11 应变片测点试验值与有限元理论值比较
Fig.11 Comparison of concrete strain between experiment results and numerical simulation
