海洋环境中 ,氯盐侵蚀导致钢筋锈蚀引起的混凝土锈胀开裂是钢筋混凝土结构耐久性失效的主要原因。钢筋锈蚀产物Fe3O4、Fe2O3等会对钢筋附近的混凝土产生膨胀作用，膨胀积累到一定程度时会导致混凝土保护层开裂。保护层开裂后，环境中的侵蚀介质加速进入混凝土内部，从而进一步加速钢筋锈蚀，混凝土结构进入快速劣化期。混凝土结构保护层锈胀开裂是钢筋混凝土结构耐久性发生破坏的关键阶段，是混凝土结构耐久性极限状态之一。

针对海洋环境中混凝土结构保护层锈胀开裂的 问题，国内外学者进行了大量的试验研究和理论分析，建立的锈胀开裂模型对混凝土结构安全评估及剩余寿命预测具有重大意义。实验室通常采用电加速的方法缩短试验周期，但实际环境中的锈蚀产物组成结构及力学性能与加速试验得到的结果存在较大差异。在锈蚀产物组成方面，相关研究表明，自然锈蚀反应时间长，氧化较充分，钢筋锈蚀产物以三价铁产物为主，电加速锈蚀产物多为二价、三价铁混合产物；在结构致密程度方面，电加速锈蚀时，电流通过整根钢筋，锈层快速形成，锈蚀产物也会向外扩散到电解质溶液中，降低锈蚀产物的致密度。自然环境中的混凝土钢筋电化学腐蚀反应基本在钢筋表层进行，锈蚀速率缓慢，锈蚀产物向外扩散的空间较小，锈蚀产物更致密。锈蚀产物的力学特性数据是模型建立的关键参数，但在实际海洋环境中，钢筋锈蚀导致混凝土保护层锈胀开裂一般需要几年甚至几十年，获得实际海洋环境作用下钢筋锈胀开裂的锈蚀产物存在较大困难，相关的研究数据较匮乏。

笔者依托海洋基础设施长期性能野外观测研究基地，对在实际海洋环境中暴露15a的钢板与预埋钢筋混凝土(已锈胀开裂)及温州某码头锈胀开裂横梁混凝土(服役30a)构件开展了锈蚀产物取样及分析工作，利用纳米压痕分析与固结试验表征了锈蚀产物的纳米压痕弹性模量、瞬时弹性模量等力学特征参数，以期为建立钢筋混凝土结构锈胀开裂模型提供依据。

试  验

为明确实际海洋环境中钢筋锈蚀产物的力学特征参数，在海洋基础设施长期性能野外观测研究基地(简称野外观测基地)与温州某码头开展锈蚀产物取样分析工作。A、B类锈蚀产物样品分别取自野外观测基地暴露15a的钢板和预埋钢筋混凝土；C类锈蚀产物样品取自服役30a的温州码头工程锈裂横梁实体构件，对锈裂横梁进行破型取样。样品的基本信息以及部分实物图分别如表1、图1所示。

表1 锈蚀产物样品基本信息

图1 锈蚀产物实物图

1.2.1   纳米压痕测试

利用环氧树脂固化钢筋锈蚀产物，经抛光、打磨后，对不同锈蚀产物样品进行纳米压痕试验，每个样品选取6个压痕点进行测试，测试得到的各个样品压痕点位移(h)-荷载(P)曲线与参数的物理意义如图2所示。依据Oliver&Pharr计算方法，测试样品的有效弹性模量Eeff、弹性模量E、纳米压痕硬度H(以下简称硬度) 分别由式(1) 、(2) 、(3) 计算。

式中：S为材料接触刚度，在P-h曲线上表现为卸载过程曲线顶部斜率；Ac为压痕投影面积；E、ν分别为测试材料的弹性模量与泊松比，钢筋锈蚀产物泊松比取值为0.25；Ei与νi分别为金刚石压头的弹性模量与泊松比，测试过程分别取值1141GPa与0.07。

图2 纳米压痕测试示意

图3 锈蚀产物固结试验

1.2.2   标准固结试验

按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》进行标准固结试验。各级加压等级为12.5，25，100，200，400，800，1600kPa，测试过程中每级压力保持30min，钢筋锈蚀产物经预处理控制粒径范围为0.075 ~0.3mm，测试实物图如图3所示。

图3 锈蚀产物固结试验

结果与讨论

如图4所示：A样品为钢板样品，不同锈蚀深度压痕点对应的位移-荷载曲线线型及测试数据范围基本一致，表明钢板的锈蚀产物较为均匀；在B、C类混凝土中钢筋锈蚀产物样品测试结果中，除B1样品压痕点5和B2样品压痕点4之外，其他压痕点的位移-荷载曲线可以保持较高的一致性。这表明在长期海洋环境作用下，混凝土中钢筋锈蚀产物稳定性、均匀性均处于较高水平，利用纳米压痕表征钢筋锈蚀产物力学性能的可行性较强，测试的力学特征参数数据具有较高的参考价值。

根据图4测试结果，通过纳米压痕测试分析软件得到样品各压痕点的纳米压痕弹性模量与硬度计算结果(表2)，锈胀开裂模型建立需要重点关 注锈蚀产物弹性模量。 图5(a)中浅色、深色虚线分别为各锈蚀样品弹性模量平均值、中位数。A、B1、B2、C四种锈蚀产物样品的弹性模量平均值分别为82.0，110.9，100.4，83.0GPa。相关研究表明，锈蚀产物主要组分相似，但各组分的含量存在差异。此外，由于不同环境条件下锈蚀速率、锈蚀反应空间及反应进程不同，因此锈蚀产物的弹性模量存在差异。B1、B2样品取自野外观测基地混凝土试块内部的预埋钢筋，由于试块尺寸较小 , 基本不受荷载、裂缝等因素的影响，钢筋锈蚀产物的生成速度缓慢，且在锈胀开裂前发生锈蚀反应的空间有限，生成的产物受锈胀力作用明显，锈蚀产物稳定、致密、弹性模量高。C样品取自实体混凝土结构横梁钢筋，实体结构本身存在一定的裂缝，锈蚀速率通常高于小尺寸的混凝土暴露试块，裂缝也为锈蚀反应提供了充足的空间，锈胀力作用弱于暴露试块，生成的锈蚀产物致密程度及弹性模量低于长期暴露试块。A样品为钢板暴露15a的锈蚀产物，由于没有混凝土保护层的阻隔作用，锈蚀反应速率最快，反应空间充足，锈蚀产物受锈胀力的作用小，锈蚀产物致密程度较低，弹性模量低于其他样品。海洋环境中，混凝土结构中钢筋的长期锈蚀产物反应进程缓慢，且发生锈蚀反应的空间有限，受较大的锈胀力作用，锈蚀产物致密，弹性模量为70~110GPa，锈蚀产物的硬度 为0.002~0.013GPa。

图4 不同锈蚀产物样品的位移-荷载曲线

图5 不同锈蚀产物样品的弹性模量和硬度

由图6可见：在固结试验中，荷载是逐级增大的，但在每个持载阶段荷载保持恒定不变，在持载阶段钢筋锈蚀产物可以近似看作恒载作用下的线弹性体，可以近似采用“瞬时弹性模量”进行描述。此时，可以利用Hertz弹性接触理论进行锈蚀产物瞬时弹性模量分析，按照公式(4)~(5)进行计算，具体推导计算过程见文献。

 式中：Fg为单个颗粒锈蚀产物所受竖向力；r为颗粒等效半径；E*为等效弹性模量；δ为单个颗粒的竖向变形；E为瞬时弹性模量；ν为锈蚀产物泊松比，取0.25。

图6 标准固结试验压力-试样高度变化曲线

钢板锈蚀产物A与混凝土构件中钢筋锈蚀产物B1的瞬时弹性模量计算结果如图7所示。结果表明，锈蚀产物并非线弹性材料，当荷载大于100kPa时，瞬时弹性模量随荷载增大而增大，混凝土中钢筋锈蚀产物的瞬时弹性模量高于钢板，特别是在荷载较小(50~400kPa)时，二者差异较大；逐步增加荷载，钢板锈蚀产物在压实作用下致密度提升，二者的瞬时弹性模量差异减小，在荷载增大至1600kPa时，钢板、钢筋锈蚀产物的瞬时弹性模量分别为127.9GPa、149.0GPa。海洋环境中，混凝土中钢筋锈蚀产物瞬时弹性模量集中分布于100~150GPa[图7(b) ] 。

图7 不同锈蚀产物样品的瞬时弹性模量

2.4   锈蚀产物微结构

由图8可见 ,在长期的海水腐蚀作用下 ,钢板锈蚀产物结构较为疏松多孔，而混凝土中钢筋锈蚀产物微观结构较为致密，这与上文分析得到的结论一致。能谱分析结果表明，锈蚀产物的主要组成元素为O、Fe，锈蚀产物以Fe的氧化物与氢氧化物为主。 同时，可以发现不同锈蚀产物中Fe、O原子比存在较大差异，推测不同反应环境中形成的锈蚀产物在组分的含量上存在差异，该部分的物相定量分析将另作文说明。此外，在混凝土钢筋锈蚀产物中检测到了一定量的Cl元素[图8(b、c、d) ]，表明混凝土结构钢筋锈胀开裂与Cl^-的侵入紧密相关。

图8 不同锈蚀产物样品的微观形貌及成分分析结果

结  论

(1) 海洋环境中，混凝土结构中钢筋自然长期锈蚀产物反应进程缓慢，且发生锈蚀反应的空间有限，受较大的锈胀力作用，锈蚀产物致密，弹性模量集中分布于70~110GPa，锈蚀产物的硬度为0.002~0.013GPa。

(2) 锈蚀产物并非线弹性材料，在荷载大于100kPa时，锈蚀产物瞬时弹性模量随荷载增大而增大，混凝土中钢筋锈蚀产物的瞬时弹性模量高于钢板锈蚀产物，混凝土中钢筋锈蚀产物瞬时弹性模量集中分布于100~150GPa。

(3) 混凝土中钢筋锈蚀产物较钢板锈蚀产物微观更致密 ,锈蚀产物的主要组成元素为Fe、O，但原子分数比存在差异，不同条件下锈蚀产物中不同组分所占比例不同，在混凝土钢筋锈蚀产物中观测到了一定比例的Cl元素，表明混凝土结构钢筋锈胀开裂与Cl^-的侵入紧密相关。