埋在混凝土中的钢筋发生锈蚀以后，其产生铁锈的体积是相应钢筋体积的2～4倍，因而会向四周膨胀，而钢筋四周的混凝土则限制它的膨胀，产生了交界面上的压力，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，而且将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纵裂以后，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。因而，研究锈胀对结构构件耐久性分析有着十分重要的意义。

　　1 研究现状

　　Yingshu Yuan 等人通过人工环境下的钢筋锈蚀实验得到，时变腐蚀率的变化过程分为三个阶段，即最初的下降段，然后是稳定阶段，最后是混凝土开裂后的上升阶段。腐蚀速率随时间变化的主要原因是多孔的界面过渡区逐渐地变成密实的腐蚀层，该层是由混凝土和腐蚀产物膨胀后的腐蚀物组成。

　　洪定海在其专著中指出，根据混凝土保护层厚度、钢筋直径、间距、所处位置等情况的不同，混凝土可能发生两种形态的胀裂破坏：一种是显示于构件表面的顺筋胀裂；另一种是起初隐藏于构件内部、沿着钢筋层面方向的胀裂，即所谓层裂。

　　河海大学王军强在其硕士论文中，通过静压扩张试验，模拟混凝土胀裂的层裂破坏和角区破坏。研究结果表明：钢筋布置在角区，当保护层厚度较大时，裂缝首先在钢筋与混凝土接粗面产生，随后由内向外扩展，裂缝宽度沿混凝土保护层厚度扩展不均匀，其中与钢筋较近的裂缝宽度大一些，而当保护层厚度较小时，裂缝首先在混凝土保护层表面产生，随后由外向内扩展，在远离钢筋的外围混凝土处裂缝宽度较大，胀裂破坏形态为角区破坏。当钢筋并排布置，在保护层厚度较大，钢筋间距适中的情况下，会发生层裂破坏。

　　徐港等设计了一种新的钢筋快速锈蚀试验方案，研究了钢筋非均匀锈蚀引起的混凝土保护层胀裂问题。试验现象表明,锈后试件的钢筋表面呈现明显坑蚀特点，且近保护层一侧的钢筋锈蚀更为严重。

　　2 混凝土内钢筋锈胀机理

　　钢筋锈蚀对混凝土结构破坏的根本原因是钢筋锈蚀产物的体积大于原钢筋的体积，其体。钢筋锈蚀产物成分不同，其膨胀系数取值也不同，一般多为2～4倍，最大到6～7倍。

　　从微观角度来看，混凝土是一种非均匀、多裂隙、多相的颗粒状复合材料。从宏观上角度来看，混凝土是由骨料颗粒和水泥浆基体构成的脆性材料。由于各种因素的因素，在受力前混凝土材料内部就存在先天性的微裂纹、微孔隙。受力后，原有微裂纹或微孔隙尖端应力集中区扩展成为微裂纹区，新微裂纹形成，随着受力的增加，这两者相互连接和贯通，形成宏观裂缝。这个过程即为混凝土材料所特有的从内部微裂纹发展到裂缝失稳扩展形成断裂的过程。

　　钢筋锈蚀后的锈蚀产物发生体积膨胀，而钢筋四周的混凝土则限制它的膨胀，产生了交界面上的压力，这种压力即为钢筋的锈蚀膨胀力，或简称为锈胀力。这个锈胀力最终使得钢筋周围混凝土的微裂纹或微孔隙扩展成为宏观裂缝，随着锈胀力的增加，裂缝将进一步发展。

　　裂缝的位置可能是水泥浆体或是水泥浆与骨料的界面上，裂缝发展到骨料位置时会受到骨料的抑制，从而改变裂缝发展的方向。

　　在过去的几十年中，人们对混凝土开裂机理进行了广泛的研究。其中人们普遍接受的开裂模型是Hillerborg 等提出的虚拟裂缝模型，如图2 所示。这个模型包括三部分：第一部分为真实裂缝，由无应力传递的区域组成，这部分区域的位移和应力不连续。第二部分为裂缝开展区域，由微裂缝区域组成（FPZ）组成。在此区域由于骨料的联系作用，仍然可以传递应力，因此位移不连续但应力连续。第三部分是完整的材料，这部分区域从FPZ的尖端至混凝土中，是未损伤范围。

　　3 混凝土锈胀开裂分析

　　3.1 混凝土锈胀开裂过程分析钢筋锈蚀引起混凝土锈胀破坏的过程大致包括四个阶段：

　　（1）自由膨胀阶段当钢筋表面的钝化膜遭到破坏后，阳极金属铁被氧化形成铁离子，与OH反应生成氢氧化铁。由于钢筋与混凝土接触的界面上存在微细空隙，钢筋表面锈蚀时产生的锈蚀产物逐步填充其空隙。如果钢筋锈蚀量小于填充空隙所需的锈蚀量时，在钢筋周围混凝土中就不会引起任何应力。

　　（2）应力产生阶段当钢筋锈蚀量超过填充钢筋与混凝土接触面空隙所需的锈蚀量时，则在钢筋周围的混凝土界面上产生膨胀压力，膨胀压力随着钢筋锈蚀量的增加而增大。自由膨胀阶段和应力产生阶段取决于钢筋与混凝土接触面上微细空隙的大小和钢筋的锈蚀量。微细空隙的大小与混凝土凝结硬化时的收缩量、混凝土的振捣质量有关，水泥用量越大、水灰比越大、混凝土密实度越小则微细裂缝越大；钢筋的锈蚀量与锈蚀速度、锈蚀产物的成分有关。

　　（3）裂纹产生阶段当钢筋锈蚀量达到临界锈蚀量（导致保护层开裂的锈蚀量）时，锈蚀产物体积增大产生的应力超过混凝土抗拉强度，锈蚀产物周围混凝土开始出现裂纹。裂纹产生阶段取决于钢筋锈蚀量和临界钢筋锈蚀量。显然，临界锈蚀量主要与混凝土质量和保护层厚度有关。高强度混凝土且保护层厚度大的临界锈蚀量相对较大，而低强度混凝土且保护层厚度较小的临界锈蚀量相对较小。

　　（4）裂缝扩展阶段当应力强度因子大于临界应力强度因子时，混凝土初始裂纹尖端扩展，裂缝逐渐发展，混凝土保护层沿着锈蚀钢筋形成裂缝。这些裂缝成为侵蚀性介质到达钢筋表面的通道，因而加速钢筋的锈蚀。若不采取措施，则钢筋的锈蚀会进一步发展直至保护层剥落。裂缝扩展阶段取决于应力强度因子和临界应力强度因子。临界应力强度因子主要与混凝土保护层的抗拉强度和厚度有关，保护层抗拉强度和厚度越大，临界应力强度越大。

　　3.2 混凝土锈胀开裂形态分析

　　（1）当构件中钢筋之间的净距离较大时，构件保护层外表面出现顺筋裂缝。

　　（2）当构件中钢筋的保护层厚度较小时，构件中间部位混凝土楔形剥落。

　　（3）当构件中钢筋位于角部，且保护层厚度较小时，构件角部混凝土剥落，锈蚀钢筋裸露。

　　（4）当构件中配筋量较大，钢筋之间的净距较小且整个混凝土面层均暴露于侵蚀性环境中时，构件外保护层整层剥落。

　　有的构件同时发生两种或三种破坏形态，钢筋锈蚀使混凝土保护层开裂或剥落后，环境侵蚀介质以较快的速度直接作用于钢筋，必然使钢筋锈蚀加剧，如此相互促进，恶性循环，有的钢筋甚至锈断。侵蚀介质以较快的速度直接作用于钢筋，必然使钢筋锈蚀加剧，如此相互促进，恶性循环，有的钢筋甚至锈断。

　　3.3 混凝土锈胀裂缝影响因素分析

　　对一些案例进行总结发现，影响钢筋混凝土锈胀开裂的主要因素可以归结为：（1）保护层太薄；（2）水灰比过大；（3）侵蚀性气体和液体蚀；（4）钢筋位置。

　　通过研究，给出了混凝土裂缝与钢筋锈蚀之间的关系。

　　（1）保护层厚度越大，锈胀裂缝越小；（2）保护层厚度越大，钢筋锈蚀深度越小；（3）裂缝宽度对钢筋锈蚀的有影响，裂缝宽度越大，锈蚀深度越大；（4）处于角部的钢筋锈蚀深度较大，处于边中钢筋锈蚀深度的较小。

　　3.4 混凝土锈蚀形态分析

　　通过不同类型、不同功能的建筑物或构筑物的破型检测结果，发现锈蚀构件有三种变化特征：（1）混凝土表面颜色变化特征；（2）锈蚀形状变化特征；（3）混凝土表面裂缝宽度变化特征。

　　钢筋锈蚀形状变化特征：钢筋锈蚀后，检测发现其形状一般并不呈圆形，大致呈以下几种形态：一般先是距离混凝土表面较近处先发生锈蚀，之后随时间增加锈蚀向深处发展，当混凝土保护层较薄，裂缝宽度在0.3mm以上时，可能在钢筋表面出现不规则锈蚀坑；裂缝宽度大于0.8mm时，锈蚀较多和较厚。钢筋锈蚀后其锈蚀产物与钢筋剩余面积关系见图5所示。

　　4 临界锈胀力的影响因素分析

　　影响混凝土保护层临界锈胀力的因素包括混凝土的断裂韧度、初始裂缝长度、保护层厚度、钢筋直径。

　　4.1 断裂韧度的影响临界锈胀力与断裂韧度呈线性关系，即其他条件不变时，断裂韧度越高的混凝土结构，锈胀开裂时所需的临界锈胀力越大，所需时间也就越长。因此，从有利于结构的耐久性能出发，结构设计时应优先采用高强度混凝土。

　　4.2 初始裂缝长度的影响经研究发现，初始缝长为0～2mm时，临界锈胀力随着缝长的增长急剧降低，缝长为2～6mm时，临界锈胀力曲线平稳趋于直线，而缝长大于6mm后，临界锈胀力随缝长增长又呈缓慢增长趋势。实际上，初始裂缝长度是很难确定的物理量，在抗拉试件中与骨料形状有关，因一般初始裂缝为界面缝，长度在0～1mm之间，由此可见，初始裂缝对混凝土结构的锈胀开裂耐久寿命是有显著影响的。

　　4.3 保护层厚度的影响当保护层厚度较小时，临界锈胀力随之变化相对较大，然后趋于平缓。因此可以得出这样的结论：适当增加保护层厚度可以提高混凝土结构锈蚀损伤耐久寿命，但当保护层厚度超出一定范围后，继续增大对结构耐久寿命的提高已没有意义。

　　4.4 钢筋直径的影响钢筋直径越大，所需临界锈胀力越小。因此，单从临界锈胀力的角度出发，采用小尺寸的钢筋是有利的。

　　5 结论

　　现在对锈胀的研究已经有很多，但是还存在很多问题，如下：

　　（1）锈蚀产物的确定，包括锈蚀物的弹性模量、泊松比，锈蚀产物组分的确定，锈蚀产物量的预测，很多专家学者进行了研究，但没有一个公认的应用于实际工程的方案。

　　（2）箍筋对锈胀开裂的影响。箍筋的影响研究是比较少，但是其对锈蚀的影响是不可忽略的，有待于进一步研究。

　　（3）锈胀裂缝的研究。很多学者用不多的方法分析了裂缝的宽带和裂缝的影响因素，但钢筋的锈蚀率和裂缝的关系还是没有确定。