海洋環境中 ,氯鹽侵蝕導致鋼筋銹蝕引起的混凝土銹脹開裂是鋼筋混凝土結構耐久性失效的主要原因。鋼筋銹蝕產物Fe3O4、Fe2O3等會對鋼筋附近的混凝土產生膨脹作用，膨脹積累到一定程度時會導致混凝土保護層開裂。保護層開裂后，環境中的侵蝕介質加速進入混凝土內部，從而進一步加速鋼筋銹蝕，混凝土結構進入快速劣化期。混凝土結構保護層銹脹開裂是鋼筋混凝土結構耐久性發生破壞的關鍵階段，是混凝土結構耐久性極限狀態之一。

針對海洋環境中混凝土結構保護層銹脹開裂的 問題，國內外學者進行了大量的試驗研究和理論分析，建立的銹脹開裂模型對混凝土結構安全評估及剩余壽命預測具有重大意義。實驗室通常采用電加速的方法縮短試驗周期，但實際環境中的銹蝕產物組成結構及力學性能與加速試驗得到的結果存在較大差異。在銹蝕產物組成方面，相關研究表明，自然銹蝕反應時間長，氧化較充分，鋼筋銹蝕產物以三價鐵產物為主，電加速銹蝕產物多為二價、三價鐵混合產物；在結構致密程度方面，電加速銹蝕時，電流通過整根鋼筋，銹層快速形成，銹蝕產物也會向外擴散到電解質溶液中，降低銹蝕產物的致密度。自然環境中的混凝土鋼筋電化學腐蝕反應基本在鋼筋表層進行，銹蝕速率緩慢，銹蝕產物向外擴散的空間較小，銹蝕產物更致密。銹蝕產物的力學特性數據是模型建立的關鍵參數，但在實際海洋環境中，鋼筋銹蝕導致混凝土保護層銹脹開裂一般需要幾年甚至幾十年，獲得實際海洋環境作用下鋼筋銹脹開裂的銹蝕產物存在較大困難，相關的研究數據較匱乏。

筆者依托海洋基礎設施長期性能野外觀測研究基地，對在實際海洋環境中暴露15a的鋼板與預埋鋼筋混凝土(已銹脹開裂)及溫州某碼頭銹脹開裂橫梁混凝土(服役30a)構件開展了銹蝕產物取樣及分析工作，利用納米壓痕分析與固結試驗表征了銹蝕產物的納米壓痕彈性模量、瞬時彈性模量等力學特征參數，以期為建立鋼筋混凝土結構銹脹開裂模型提供依據。

試  驗

為明確實際海洋環境中鋼筋銹蝕產物的力學特征參數，在海洋基礎設施長期性能野外觀測研究基地(簡稱野外觀測基地)與溫州某碼頭開展銹蝕產物取樣分析工作。A、B類銹蝕產物樣品分別取自野外觀測基地暴露15a的鋼板和預埋鋼筋混凝土；C類銹蝕產物樣品取自服役30a的溫州碼頭工程銹裂橫梁實體構件，對銹裂橫梁進行破型取樣。樣品的基本信息以及部分實物圖分別如表1、圖1所示。

表1 銹蝕產物樣品基本信息

圖1 銹蝕產物實物圖

1.2.1   納米壓痕測試

利用環氧樹脂固化鋼筋銹蝕產物，經拋光、打磨后，對不同銹蝕產物樣品進行納米壓痕試驗，每個樣品選取6個壓痕點進行測試，測試得到的各個樣品壓痕點位移(h)-荷載(P)曲線與參數的物理意義如圖2所示。依據Oliver&Pharr計算方法，測試樣品的有效彈性模量Eeff、彈性模量E、納米壓痕硬度H(以下簡稱硬度) 分別由式(1) 、(2) 、(3) 計算。

式中：S為材料接觸剛度，在P-h曲線上表現為卸載過程曲線頂部斜率；Ac為壓痕投影面積；E、ν分別為測試材料的彈性模量與泊松比，鋼筋銹蝕產物泊松比取值為0.25；Ei與νi分別為金剛石壓頭的彈性模量與泊松比，測試過程分別取值1141GPa與0.07。

圖2 納米壓痕測試示意

圖3 銹蝕產物固結試驗

1.2.2   標準固結試驗

按照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》進行標準固結試驗。各級加壓等級為12.5，25，100，200，400，800，1600kPa，測試過程中每級壓力保持30min，鋼筋銹蝕產物經預處理控制粒徑范圍為0.075 ~0.3mm，測試實物圖如圖3所示。

圖3 銹蝕產物固結試驗

結果與討論

如圖4所示：A樣品為鋼板樣品，不同銹蝕深度壓痕點對應的位移-荷載曲線線型及測試數據范圍基本一致，表明鋼板的銹蝕產物較為均勻；在B、C類混凝土中鋼筋銹蝕產物樣品測試結果中，除B1樣品壓痕點5和B2樣品壓痕點4之外，其他壓痕點的位移-荷載曲線可以保持較高的一致性。這表明在長期海洋環境作用下，混凝土中鋼筋銹蝕產物穩定性、均勻性均處于較高水平，利用納米壓痕表征鋼筋銹蝕產物力學性能的可行性較強，測試的力學特征參數數據具有較高的參考價值。

根據圖4測試結果，通過納米壓痕測試分析軟件得到樣品各壓痕點的納米壓痕彈性模量與硬度計算結果(表2)，銹脹開裂模型建立需要重點關 注銹蝕產物彈性模量。 圖5(a)中淺色、深色虛線分別為各銹蝕樣品彈性模量平均值、中位數。A、B1、B2、C四種銹蝕產物樣品的彈性模量平均值分別為82.0，110.9，100.4，83.0GPa。相關研究表明，銹蝕產物主要組分相似，但各組分的含量存在差異。此外，由于不同環境條件下銹蝕速率、銹蝕反應空間及反應進程不同，因此銹蝕產物的彈性模量存在差異。B1、B2樣品取自野外觀測基地混凝土試塊內部的預埋鋼筋，由于試塊尺寸較小 , 基本不受荷載、裂縫等因素的影響，鋼筋銹蝕產物的生成速度緩慢，且在銹脹開裂前發生銹蝕反應的空間有限，生成的產物受銹脹力作用明顯，銹蝕產物穩定、致密、彈性模量高。C樣品取自實體混凝土結構橫梁鋼筋，實體結構本身存在一定的裂縫，銹蝕速率通常高于小尺寸的混凝土暴露試塊，裂縫也為銹蝕反應提供了充足的空間，銹脹力作用弱于暴露試塊，生成的銹蝕產物致密程度及彈性模量低于長期暴露試塊。A樣品為鋼板暴露15a的銹蝕產物，由于沒有混凝土保護層的阻隔作用，銹蝕反應速率最快，反應空間充足，銹蝕產物受銹脹力的作用小，銹蝕產物致密程度較低，彈性模量低于其他樣品。海洋環境中，混凝土結構中鋼筋的長期銹蝕產物反應進程緩慢，且發生銹蝕反應的空間有限，受較大的銹脹力作用，銹蝕產物致密，彈性模量為70~110GPa，銹蝕產物的硬度 為0.002~0.013GPa。

圖4 不同銹蝕產物樣品的位移-荷載曲線

圖5 不同銹蝕產物樣品的彈性模量和硬度

由圖6可見：在固結試驗中，荷載是逐級增大的，但在每個持載階段荷載保持恒定不變，在持載階段鋼筋銹蝕產物可以近似看作恒載作用下的線彈性體，可以近似采用“瞬時彈性模量”進行描述。此時，可以利用Hertz彈性接觸理論進行銹蝕產物瞬時彈性模量分析，按照公式(4)~(5)進行計算，具體推導計算過程見文獻。

 式中：Fg為單個顆粒銹蝕產物所受豎向力；r為顆粒等效半徑；E*為等效彈性模量；δ為單個顆粒的豎向變形；E為瞬時彈性模量；ν為銹蝕產物泊松比，取0.25。

圖6 標準固結試驗壓力-試樣高度變化曲線

鋼板銹蝕產物A與混凝土構件中鋼筋銹蝕產物B1的瞬時彈性模量計算結果如圖7所示。結果表明，銹蝕產物并非線彈性材料，當荷載大于100kPa時，瞬時彈性模量隨荷載增大而增大，混凝土中鋼筋銹蝕產物的瞬時彈性模量高于鋼板，特別是在荷載較小(50~400kPa)時，二者差異較大；逐步增加荷載，鋼板銹蝕產物在壓實作用下致密度提升，二者的瞬時彈性模量差異減小，在荷載增大至1600kPa時，鋼板、鋼筋銹蝕產物的瞬時彈性模量分別為127.9GPa、149.0GPa。海洋環境中，混凝土中鋼筋銹蝕產物瞬時彈性模量集中分布于100~150GPa[圖7(b) ] 。

圖7 不同銹蝕產物樣品的瞬時彈性模量

2.4   銹蝕產物微結構

由圖8可見 ,在長期的海水腐蝕作用下 ,鋼板銹蝕產物結構較為疏松多孔，而混凝土中鋼筋銹蝕產物微觀結構較為致密，這與上文分析得到的結論一致。能譜分析結果表明，銹蝕產物的主要組成元素為O、Fe，銹蝕產物以Fe的氧化物與氫氧化物為主。 同時，可以發現不同銹蝕產物中Fe、O原子比存在較大差異，推測不同反應環境中形成的銹蝕產物在組分的含量上存在差異，該部分的物相定量分析將另作文說明。此外，在混凝土鋼筋銹蝕產物中檢測到了一定量的Cl元素[圖8(b、c、d) ]，表明混凝土結構鋼筋銹脹開裂與Cl^-的侵入緊密相關。

圖8 不同銹蝕產物樣品的微觀形貌及成分分析結果

結  論

(1) 海洋環境中，混凝土結構中鋼筋自然長期銹蝕產物反應進程緩慢，且發生銹蝕反應的空間有限，受較大的銹脹力作用，銹蝕產物致密，彈性模量集中分布于70~110GPa，銹蝕產物的硬度為0.002~0.013GPa。

(2) 銹蝕產物并非線彈性材料，在荷載大于100kPa時，銹蝕產物瞬時彈性模量隨荷載增大而增大，混凝土中鋼筋銹蝕產物的瞬時彈性模量高于鋼板銹蝕產物，混凝土中鋼筋銹蝕產物瞬時彈性模量集中分布于100~150GPa。

(3) 混凝土中鋼筋銹蝕產物較鋼板銹蝕產物微觀更致密 ,銹蝕產物的主要組成元素為Fe、O，但原子分數比存在差異，不同條件下銹蝕產物中不同組分所占比例不同，在混凝土鋼筋銹蝕產物中觀測到了一定比例的Cl元素，表明混凝土結構鋼筋銹脹開裂與Cl^-的侵入緊密相關。