基于XCT技术的钢筋混凝土非均匀锈蚀特性研究
Research on Non-uniform Corrosion Characteristics of Reinforced Concrete Based on X-ray Computed Tomography
钢筋腐蚀会造成结构锈胀开裂,承载力减弱,服役周期缩短,会导致重大的安全事故,造成严重的生命与财产损失.针对钢筋腐蚀行为,本文提出了一种结合X射线断层扫描技术(XCT)与有限元(FEM)模拟的方法,对钢筋腐蚀过程的细观行为实现全过程跟踪,内部腐蚀形貌表征与腐蚀信息的精确定量化计算,并对钢筋腐蚀产物渗透行为进行了定量化评估.基于钢筋腐蚀机理,本文设计了干湿循环作用下非均匀腐蚀试验.选定合适的拍摄参数,利用XCT监测手段度对试块腐蚀全过程进行无损的连续追踪.获得XCT图像数据后,利用数字图像处理技术与统计学手段对CT图像进行处理与统计,实现了对内部腐蚀形貌表征与腐蚀信息的精确定量化计算.最后,利用SEM-EDS对CT测试结果进行了定性验证.同时,基于塑性损伤模型(CDP)建立有限元模型,通过位移加载的方式模拟钢筋腐蚀锈胀及开裂行为.以断裂能理论为判别准则,借助于最大主应力与等效塑性应变(PEEQT)确立开裂时刻及开裂位置.将应力回代经典非均匀腐蚀模型中,得到对应CT测试主裂缝宽度下的钢筋腐蚀率.在获得等裂缝宽度下钢筋腐蚀率模拟计算值与CT监测值后,对两者进行比较.基于比较结果,提出了钢筋腐蚀产物渗透折减系数以量化钢筋腐蚀产物渗透行为的影响.研究表明:(1)通过对钢筋腐蚀内部形貌的观测,发现其腐蚀产物增长规律基本与传统的腐蚀三阶段理论相符合,以此也间接证明了腐蚀三阶段的合理性;同时,直接观测到钢筋腐蚀产物渗透行为;(2)确立了最大腐蚀截面位置及其全过程腐蚀率;利用二值化与布尔运算得到了开裂时刻与破坏时刻钢筋腐蚀深度;获得了主裂缝宽度的发展规律,结果表明在开裂初始时刻裂纹宽度增长最缓慢,而其腐蚀率增长最快.(3)SEM-EDS验证了用CT测试方法观测钢筋腐蚀行为的可行性;另外也验证了钢筋腐蚀产物渗透行为合理性.(4)钢筋腐蚀开裂从钢筋处开始向外侧延伸,主裂缝则从试块最外侧最小保护层厚度处开始向内部逐渐延伸;(5)随着钢筋腐蚀裂缝的不断扩展,CT测试获得的腐蚀率将一直超过有限元模型计算结果,且两者之间的差别将逐渐扩大.(6)钢筋腐蚀渗透折减系数随时间逐渐变小,说明钢筋腐蚀率的模拟计算值与CT测试结果相差逐渐增大.(7)腐蚀渗透折减系数与钢筋腐蚀膨胀率成反比关系.借助XCT测试技术和有限元数值模拟,本研究为钢筋腐蚀行为无损、持续追踪提供了有效的监测方法,并对钢筋腐蚀产物渗透行为的研究提供了定量化的方法.
- 作者：
- 董鹏
- 学位授予单位：
- 深圳大学
- 专业名称：
- 建筑与土木工程(专业学位)
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 董必钦
- 中图分类号：
- TU375
- 关键词：
- X射线计算机断层扫描；腐蚀产物渗透；非均匀腐蚀模型；腐蚀率
- X-ray computed tomography; Corrosion products penetration; Non-uniform corrosion numerical model; corrosion level;