《Journal of Building Engineering》：Thermal and Electrical Performance of Ultra-High Electrically Conductive Cementless Composite (UH-ECCC) Incorporating Steel Slag
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钢筋混凝土结构在潮湿-干燥循环和杂散电流环境中腐蚀产物迁移规律研究。通过分析裂纹和缺陷对腐蚀产物迁移的影响，发现填充概率随距钢筋距离指数递减，6毫米外可忽略，迁移显著区域集中在肋峰及表面附近，裂缝宽度最大处主导运输能力。该研究为延长结构耐久性提供理论支撑。
朱文军|唐凡|杨欣云|任毅|周和超
上海同济大学交通学院铁路基础设施耐久性与系统安全重点实验室，中国上海201804
摘要
本论文研究了在干湿循环和杂散电流环境下，裂缝混凝土中腐蚀产物的迁移行为。分析了腐蚀产物的空间分布，并评估了裂缝和缺陷对腐蚀产物迁移的影响。通过统计分析，探讨了缺陷填充程度与钢筋距离之间的关系。研究结果表明，腐蚀产物的填充概率随距离钢筋的距离增加而呈指数级下降。当距离钢筋表面约6毫米时，缺陷的填充比例可以忽略不计。在肋条顶部附近以及靠近外表面的区域，腐蚀产物的迁移现象更为明显。裂缝的传输能力主要受钢筋附近最大裂缝宽度的影响。这些研究结果为了解腐蚀引起的开裂提供了更深入的见解，并有助于预测钢筋混凝土结构的使用寿命。
引言
钢筋的腐蚀被认为是钢筋混凝土（RC）结构性能下降和安全性能降低的主要原因[1]。根据美国国家腐蚀工程师协会（NACE）的数据，全球因腐蚀造成的经济损失每年约为2.5万亿美元[2]。在正常的混凝土中，由于水泥水化作用，在钢筋表面会形成一层致密的钝化膜，从而有效防止腐蚀。然而，当氯离子或二氧化碳渗透到混凝土保护层时，钝化膜会被破坏[3][4][5]。在沿海城市轨道交通环境中，RC结构同时面临氯离子侵蚀和杂散电流的影响[6][7][8][9]。因此，随着使用时间的增加，腐蚀现象不可避免。腐蚀产物可能会膨胀到原始钢筋体积的2-6倍，在钢筋-混凝土界面产生膨胀应力，最终导致周围混凝土开裂，这种现象被称为腐蚀引起的开裂[10,11]。
刘[10]将这一劣化过程分为三个阶段：（1）自由膨胀阶段，腐蚀产物渗透到高孔隙率的钢筋-混凝土界面（SCI）；（2）应力引发阶段，腐蚀产物填充过渡区并产生应力；（3）开裂阶段，混凝土保护层的抗拉强度被突破，形成裂缝。由于浇筑过程中的吸水作用和泌水现象，钢筋周围存在局部孔隙率较高的多孔区域。大量研究表明，新形成的腐蚀产物最初会向这一多孔区域迁移并填充它，然后对整体混凝土施加膨胀压力[11][12][13]。SCI是一个具有复杂微观结构的过渡区，尽管其存在已被广泛认可，但其厚度仍不确定，据报道范围在10至200微米之间[10,14,15]。随着使用时间的延长，SCI可能包含C-S-H凝胶层、氢氧化钙沉积层、钝化膜或氧化层、腐蚀产物层、水膜以及孔洞和微裂纹等缺陷[14,15]。El Maaddawy[11]通过厚壁圆柱模型证明，将SCI厚度从10微米增加到20微米可以使开裂时间延长约30%。Chernin[12]在同一框架内改进了分析模型，将混凝土保护层分为开裂内区和未开裂外区，并引入了刚度退化来模拟裂缝的发展。该模型通过实验数据进行了校准，结果表明，在完全开裂之前，腐蚀产物渗透到混凝土孔洞中的量可能比之前假设的要多。
大多数现有模型将腐蚀膨胀简化为钢筋-混凝土界面处的均匀径向压力[16]。通常忽略了腐蚀产物的迁移和孔洞填充过程。未来的模型应该将扩散和填充与机械膨胀结合起来，并考虑它们与裂缝发展的相互作用。这样的改进可以更真实地描述应力演变和开裂过程。
实验进一步证实，腐蚀产物可以扩散到周围混凝土的孔洞和微裂纹中[17,18]。这种扩散减少了SCI处腐蚀产物的积累，降低了膨胀应力，延缓了开裂。Alonso等人[19]指出，增加孔洞体积可以使更多的腐蚀产物扩散，从而推迟保护层开裂。Chernin等人[20]进一步指出，尽管界面缺陷会加速腐蚀的起始，但多孔界面可以容纳大量的腐蚀产物，延缓应力发展。Wong等人[21]表明，在加速腐蚀条件下，腐蚀产物可以渗透并填充水泥浆体中的空隙。
目前关于腐蚀产物填充行为的机制尚未明确。主要提出了三种观点：（1）裂缝内的水分传输驱动腐蚀产物的移动[22]；（2）亚铁离子被传输、氧化并沉淀[23]；（3）可溶性复合物迁移并降解[24]。尽管许多研究关注腐蚀产物向SCI的扩散，但很少有研究探讨多孔区域完全被占据后的迁移行为。腐蚀产物也可能向裂缝和缺陷迁移，减少其在SCI处的积累，进一步延缓开裂。因此，腐蚀产物的迁移是影响膨胀应力发展和腐蚀引起开裂的关键因素。理解这一过程对于准确预测使用寿命和进行防腐设计至关重要。
本研究采用无损检测技术，研究了在氯离子侵蚀和杂散电流作用下RC试件中腐蚀产物的迁移行为，考虑了裂缝的几何特性及其对腐蚀产物迁移的影响。开发了一个多元线性模型来量化影响缺陷填充的因素，并分析了不同钢筋位置的迁移模式。这些发现为了解腐蚀引起的开裂提供了更深入的见解，有望有助于改进钢筋混凝土结构使用寿命预测的数值模型。
试样
本实验使用了来自中国的Conch品牌波特兰水泥，设计强度等级为C45。配合比详见表1。水灰比为0.5。根据中国规范，经过28天标准养护后，试样的抗压强度为45 MPa，试样尺寸为150毫米×150毫米×150毫米，这也是我们研究组中典型的实验组之一[25,26]。所使用的钢筋为HRB500钢，屈服强度为500 MPa。
钢筋的非均匀腐蚀
加速腐蚀试验后，试件出现了非均匀腐蚀和开裂现象。原始钢筋（OS）、残余钢筋（RS）以及被腐蚀产物覆盖的残余钢筋（RSCP）如图9所示。
钢筋的腐蚀分布不均匀，最严重的腐蚀集中在纵向和横向肋条上。
横向和纵向肋条上腐蚀产物的迁移模式
腐蚀产物在钢筋不同位置的迁移表现出显著的变化。为了定量分析钢筋肋条区域的腐蚀迁移情况，从图22中的两个切片中提取了钢筋、腐蚀和迁移的相关信息。纵向肋条的结果如图23所示，横向肋条的结果如图24所示。
如图23所示，腐蚀分布和最大迁移情况
结论
本研究采用X射线无损检测技术，研究了在电化干湿循环加速腐蚀条件下钢筋中腐蚀的迁移行为。分析了腐蚀迁移的模式，研究结果总结如下：
(1)腐蚀产物填充缺陷的概率随距离钢筋的距离增加而呈指数级下降。较大的缺陷具有更高的填充倾向。
(2)...
CRediT作者贡献声明
朱文军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，资金获取，概念构思。唐凡：撰写 – 初稿，研究，数据分析。杨欣云：数据可视化，研究，数据分析。任毅：研究。周和超：撰写 – 审稿与编辑，研究，数据分析，数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（资助编号：51808033）和中央高校基本科研业务费（编号：22120230311）的财政支持。
