钢筋在环境-应力耦合作用下的锈蚀特征及演化规律

根据金属应力腐蚀理论，应力状态下的钢筋在一定腐蚀环境中将表现出多场耦合行为，其锈蚀特性较单一环境因素作用时不同。本项目采用多因素耦合与多尺度分析的理念，研究钢筋在环境-应力耦合作用下的锈蚀特征及演化规律。首先将不同环境因素与拉应力相耦合，正确模拟混凝土内钢筋锈蚀过程的实际工况，从微-细-宏观尺度对不同条件下钢筋的锈蚀特征进行系统研究；其次将分形理论与定量体视学相结合，探求不同腐蚀条件下钢筋不均匀锈蚀的定量表征指标，基于粗糙表面分形模拟技术及时间序列方法，实现钢筋锈蚀过程中表面形貌演化过程的数值模拟；最后结合损伤力学与分形理论，提出一种兼顾钢筋不均匀锈蚀损伤细观特征描述与宏观损伤力学分析需要的分形损伤变量，建立宏-细观结合的钢筋锈蚀损伤演化方程与内蕴损伤变量的本构关系，为混凝土结构耐久性评估、寿命预测及数值模拟提供理论指导。

课题围绕不同腐蚀条件下钢筋不均匀锈蚀特征的科学表征及其本构关系这一中心问题，主要结论如下：.①建立了钢筋不均匀锈蚀性状的科学表征方法：将体视学方法、分形理论及粗糙度技术用于锈蚀钢筋平面形态与蚀坑深度的表征。结果表明，蚀坑形貌同时具有单一分形与多重分形的特征，多重分形谱宽度可更为灵敏的表征钢筋表面不均匀锈蚀程度；锈蚀钢筋的表面轮廓曲线具有单一分形的特征，但不具备多重分形的特征，表面粗糙度可用于蚀坑深度不均匀分布的定量表征。基于上述成果，创建了兼顾钢筋不均匀锈蚀特征描述和力学分析需要的锈蚀损伤变量。.②揭示了不同腐蚀条件下混凝土中钢筋的不均匀锈蚀特征：基于上述表征方法，探明了氯盐、杂散电流与碳化三种化学因素及其与拉应力耦合作用对混凝土内钢筋锈蚀性状的影响。结果表明，化学-力学因素的耦合作用导致钢筋蚀坑形状趋于复杂。各组试件的蚀坑深度均优先符合Weibull分布，据此建立了蚀坑深度的预测模型；杂散电流环境下钢筋表面粗糙度最大，氯盐其次，碳化最小；拉应力的引入导致氯盐与碳化环境下钢筋轮廓各个面间的不均匀程度显著增加，而杂散电流对锈蚀钢筋的表面粗糙度和断口形貌起主导作用，与应力是否引入关系甚微；锈蚀损伤变量可以灵敏的表征混凝土内钢筋不均匀锈蚀几何特征，并从金属腐蚀过程中的化学-力学耦合效应出发阐明了机理。.③探明了不同锈蚀特征对钢筋拉伸性能的影响：运用有限元分析了蚀坑深度、形状及锈蚀率对钢筋力学性能的影响。结果表明，蚀坑深度与形状对钢筋力学性能影响显著；在锈蚀率相近的情况下，锈蚀钢筋的最大等效塑性应变随表面粗糙度的增加而增大。通过对不同锈蚀性状钢筋的弹性模量、屈服与抗拉强度、强化与极限应变进行统计分析，探明了上述指标与锈蚀损伤变量之间的关系，建立了宏观损伤本构模型。.④实现了锈蚀钢筋拉伸全过程的细观数值模拟：将GTN细观损伤本构模型引入锈蚀钢筋拉伸的有限元模拟，通过正交试验校准GTN模型参数，并结合实测数据确定了适用于锈蚀钢筋的模型参数取值，有限元计算得到的名义应力-应变曲线与实测曲线吻合较好。.⑤提出了混凝土中钢筋锈蚀程度的无损检测手段：将超声波检测与人工神经网络相结合，用于混凝土内钢筋的锈蚀损伤诊断。结果表明，钢筋锈蚀导致超声波在混凝土中传播速度显著降低，且超声波速分布变得不均匀。通过建立BP与RBF人工神经网络，成功对混凝土内钢筋的锈蚀率与锈蚀损伤变量进行了预测。