簡介
鋼筋混凝土結構具有便於就地取材、可磨性好、形成的結構整體性好、剛度大等特點，因而，廣泛用於房屋建築、地下結構、橋、隧道、水利、港口等工程中。但由於混凝土結構的自身材料和使用環境的特點，使其不可避免的存在耐久性問題。混凝土的耐久性問題已經成為現代工程的一個緊迫的重大科技問題。
混凝土內鋼筋鏽蝕引起混凝土保護層開裂被認為是鋼筋混凝土結構耐久性失效最主要原因之一。鋼筋鏽蝕後由於鏽蝕產物密度小於鋼筋本身，鏽蝕產物體積膨脹為原來的2～4倍，使周圍混凝土受到擠壓，隨著鏽蝕程度的加劇，將導致混凝土保護層受拉而開裂。鋼筋混凝土構件一旦開裂，環境中的有害介質經銹脹裂縫直接侵入到鋼筋表面，鋼筋鏽蝕速度將會加劇，從而進一步加劇裂縫的擴展甚至保護層剝落嚴重影響鋼筋混凝土結構耐久性。
因此，研究鋼筋鏽蝕引起的鋼筋保護層開裂，對混凝土結構的使用性能評估和剩餘壽命預測有著重要的意義。鋼筋鏽蝕引起混凝土保護層脹裂的過程相當複雜，國內外學者就此展開了大量的研究工作。
混凝土保護層銹脹開裂理論
保護層銹脹開裂是腐蝕環境下鋼筋混凝土結構耐久性評估的主要依據之一，因而相關研究一直備受關注，國際上從20世紀70年代開始，我國研究起步較晚，基本上始於20世紀90年代末期。
鏽蝕產物膨脹引起的鋼筋和混凝土之間的銹脹應力是客觀存在的，但很難測定，目前對其的認識側重於理論研究，比較有代表性的理論成果有Bazant的理論模型、Liu的理論模型、金偉良的經驗公式、Morinaga的經驗公式。國內外學者在這些前人的研究成果基礎上對於鋼筋鏽蝕引起混凝土開裂問題展開了更深入的研究。
王元戰等通過對現有典型鋼筋鏽蝕模型進行比較分析，選擇考慮因素較全面合理的Liu指數模型作為鋼筋鏽蝕基本模型。將考慮荷載影響的氯離子擴散模型引入到基本模型中，建立了考慮荷載影響的鋼筋混凝土構件鋼筋鏽蝕模型。
付傳清基於混凝土各向異性損傷和損傷軟化，考慮了腐蝕產物和鋼筋的彈性力學性能，以及腐蝕產物對鋼筋－混凝土界面區孔隙和混凝土開裂裂縫的填充效應，建立了鋼筋－腐蝕產物－混凝土三相介質模型。該模型可以計算由鋼筋鏽蝕引起的混凝土位移場和應變場，也可以用來預測混凝土保護層的初裂時間。通過與試驗結果進行對比，發現模型可以較好地預測混凝土的開裂時間，並且確定了混凝土環向應變是評價混凝土開裂的理想指標。
結論
近些年來，學者們對於鋼筋鏽蝕引起混凝土保護層開裂的研究正在往更深層次發展，考慮的因素也越來越接近於真實的工程情況。但由於諸多主、客觀因素的存在，得出的各種計算模型相差很大，因而並不能很好的套用與實際工程。為了完全掌握鋼筋鏽蝕引起混凝土保護層開裂的機理，得出精確的預測模型，要在以下方面做出努力:
(1) 由於鋼筋鏽蝕引起的混凝土開裂過程是極其複雜的，單純用某種理論或某種方法很難達到預期的結果。可以結合不同的理論基礎來分析保護層的各個階段的損傷狀態，如以彈性力學為基礎，結合塑性力學、斷裂理論、損傷理論及連續介質力學研究混凝土的開裂破壞;同時，需要更多的試驗數據和工程調查統計數據對模型參數進行量化，得到更可靠的預測模型。
(2) 自然氣候變化情況複雜，影響混凝土保護層銹脹開裂的因素多，自然環境下的侵蝕必然與室內模擬侵蝕之間存在差距。因此，需要改進模擬試驗設備和方法，考慮多種因素耦合情況下鋼筋的腐蝕，同時考慮實際情況中構件所處的力學環境狀況，時變效應和尺寸效應的影響，進一步提高室內腐蝕環境的設計參數與自然環境的相似性，並從理論解決加速模擬試驗與自然環境條件下的相似性問題。
(3) 有限元方法是研究混凝土保護層開裂的一種有效方法，在數值模擬過程中，鋼筋銹脹力的模擬載入是模擬準確性的關鍵。在今後的數值模擬混凝土銹脹過程中，應考慮鏽蝕產物非均勻分布的實際情況，將其作為位移荷載輸入。原來常用的二維平面模型不能模擬實際的複雜應力情況，與實際構件存在很大的差異，應二維模型向三維模型發展，構建更符合實際情況的混凝土保護層銹脹開裂數值模型。
(4) 多尺度數值計算方法可以在精度和計算代價之間尋求一個較好的平衡點，是混凝土銹脹開裂數值模擬的發展方向。在微觀尺度上建立鋼筋鏽蝕產物產生和發展的微觀尺度模型，採用多尺度過渡方法將微觀尺度模型植入到巨觀尺度模型中，建立由微觀結構向巨觀結構過渡的鋼筋混凝土銹脹開裂多尺度模型，運用有限元分析軟體進行多尺度數值分析，可以更真實的模擬出鋼筋鏽蝕損傷的發展過程及機理。
