基于非均匀锈蚀的钢筋-混凝土界面损伤演化与结构性能退化关系研究

This project aims at solving the problems in practical engineering. The objective of this research is to figure out the damage evolution process on the interface between steel bars and concrete, and the failure of reinforced concrete structure due to corrosion cracking under complicated environment and loading. Taking the non-uniform corrosion of steel reinforcement in concrete as the main clue, this project will perform the research by combining the innovative testing technology, theory analysis, numerical simulation, laboratory experimental study and atmospheric exposure test together. Based on the micro- and meso- structure model of concrete, taking the interaction between invasion mediums in concrete into consideration, this research will reveal the mechanism of non-uniform corrosion of steel reinforcement in concrete under the coupling of complicated environment and loading. A quantity characterization will be conducted to describe the generation, accumulation, overflow and filling effect of corrosion products, and furtherly, to represent the damage evolution on the interface between steel bars and concrete. The process and the influencing factors of the corrosion cracks propagation in corroded reinforced concrete structure will be discussed. A failure probability analyzing model on cracked reinforced concrete structure due to corrosion will be established to improve the durability design technique of reinforced concrete structure. The research of this project will promote the development of testing technology, enrich the durability design theory of concrete structures, and prolong the service life of reinforced concrete structures, which is of great research significance.

本项目面向工程实际，以复杂环境与荷载耦合作用下锈蚀钢筋-混凝土界面损伤演化以及钢筋混凝土结构锈裂失效为主要研究对象，以混凝土中钢筋非均匀锈蚀为研究主线，通过新的测试技术、理论分析、数值模拟、室内试验研究与室外暴露试验相结合的方法，基于钢筋混凝土材料三维微细观结构模型，考虑侵蚀介质在混凝土中的交互作用机制，揭示复杂环境与荷载耦合作用下混凝土中钢筋的非均匀锈蚀机理；量化表征锈蚀钢筋-混凝土界面上钢筋锈蚀产物的产生、累积、溢出及填充效应，系统深入地阐释锈蚀钢筋-混凝土界面损伤演化规律；探讨锈蚀钢筋混凝土结构中锈胀裂缝的扩展过程及影响因素，建立锈裂钢筋混凝土结构的失效概率分析模型，从而有效改进钢筋混凝土结构耐久性设计方法。本项目的研究可促进测试新技术的发展，丰富混凝土结构耐久性设计理论，延长钢筋混凝土结构的服役寿命，具有重要研究意义。

本项目面向大型钢筋混凝土工程实际，围绕复杂环境与荷载耦合作用下钢筋混凝土结构中钢筋非均匀锈蚀机理及量化表征、基于非均匀锈蚀的钢筋-混凝土界面损伤演化规律、锈胀开裂钢筋混凝土结构失效概率时变分析等3个关键科学问题，通过理论分析、数值模拟、新测试技术、室内试验研究与室外暴露试验相结合的方法进行了研究。 .项目建立了混凝土中骨料与砂浆及钢筋与混凝土界面的微观结构模型，研究了界面形成以及演化规律，并基于对界面孔隙分布的数值仿真分析，研究了水灰比及水泥材料特征对界面传输特性的影响；.项目通过对钢筋非均匀锈蚀状态下钢筋与混凝土界面的损伤演化以及锈胀开裂混凝土结构的失效概率分析，研究了考虑复杂环境与荷载耦合作用下侵蚀介质在混凝土中的传输扩散过程，分析了钢筋非均匀锈蚀特征；.基于钢筋混凝土三维微细观结构模型，考虑侵蚀介质在混凝土中协同作用机制，揭示了复杂环境与荷载耦合作用下混凝土中钢筋的非均匀锈蚀机理，量化表征了不同的环境与荷载条件下钢筋锈蚀产物的化学组分及其在钢筋-混凝土界面处产生、累积、溢出和填充效应；.基于钢筋锈蚀产物的不均匀分布特征及力学特性，采用各向异性损伤理论分析了钢筋-混凝土界面损伤场时变演化规律，建立了混凝土锈胀裂缝扩展过程的预测与分析机制；.基于对钢筋混凝土细观结构以及锈蚀产物不均匀分布的统计分析，揭示了钢筋-混凝土界面力学性能退化机理，量化表征了锈蚀钢筋混凝土结构的失效概率，建立了锈裂钢筋混凝土结构的失效概率分析模型，改进了钢筋混凝土结构耐久性设计方法。.本项目的研究可促进测试新技术的发展，丰富混凝土结构耐久性设计理论，延长钢筋混凝土结构的服役寿命，具有理论研究意义和工程应用前景。