作者：耿欧
出版社：中国铁道出版社
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混凝土构件的钢筋锈蚀与退化速率试读：
前言
自然环境中，混凝土结构性能会逐渐劣化、损伤甚至失效，这一现象即为混凝土结构耐久性研究的主要问题。目前，我国基础设施的建设仍以混凝土结构为主体，而由于混凝土结构耐久性不足引起的巨大经济损失、资源浪费以及环境显著破坏等方面的问题，已成为建筑业可持续发展的瓶颈之一。在影响混凝土结构耐久性的众多因素中，钢筋锈蚀是其中最主要的因素。混凝土中钢筋的锈蚀机理、锈蚀速率预计以及人工气候环境与自然气候环境下钢筋锈蚀的相关性，已成为目前混凝土结构耐久性研究领域急需解决的问题之一。
作为一名结构工程领域的科技工作者，作者有幸于2002年开始年师从袁迎曙教授进行混凝土中钢筋锈蚀问题的研究，对氯盐环境下普通硅酸盐混凝土构件中钢筋锈蚀的电化学原理和锈蚀规律进行了一定的探索。本书即为作者八年来主要研究成果的总结和概括，其主要内容包括：钢筋锈蚀速率电化学基本模型、顺筋裂缝区钢筋锈蚀速率、横向裂缝区钢筋锈蚀速率、混凝土构件配筋特征对钢筋锈蚀速率的影响、自然气候环境下钢筋锈蚀速率与锈蚀量预计模型以及混凝土耐久性极限状态等，希望抛砖引玉，与同行携手共同促进混凝土结构耐久性的深入研究。
感谢恩师袁迎曙教授对本书写作的指导！感谢吴庆、李富民、李果、姬永生、杜健民博士在写作过程中提供的资料和修改建议！感谢硕士研究生郑靖靖、陈辞为本书部分插图绘制提供的帮助！另外，本书写作中还参阅、引用了大量国内外专家的有关文献资料，作者在此也表示衷心感谢！
由于作者学术水平有限，加之时间仓促，书中讹谬之处定然不少，诚望读者不吝赐教！耿欧2010年8月符号与注释
A——金属的相对原子质量c
A——影响钢筋锈蚀的混凝土透氧表面积s
A——钢筋锈蚀表面积y，se
A——纵向受拉钢筋等效截面面积s
A——受拉钢筋面积te
A——有效受拉混凝土截面面积
b——截面原有宽度e
b——锈胀后截面计算宽度
c——混凝土保护层厚度12
c、c——截面高度方向的两侧保护层厚度34
c、c——截面宽度方向的两侧保护层厚度
d——钢筋或金属试件直径1
d——钢筋或金属试件清除锈蚀产物后的直径c
D——氧气在混凝土中的扩散系数m
DT——月当量摄氏温度m
DRH——月当量相对湿度e
E——金属在溶液中的平衡电极电位e，ce，a
E，E——开路状态时阴、阳极的平衡电极电位（初始电位），——阴极、阳极电化学反应的标准电位corr
E——腐蚀电池的混合电位，即腐蚀电位g
E——内外部钢筋间电位差
ΔE——钢筋锈蚀阴阳极间初始电位差c
E——混凝土的弹性模量s
E——钢筋的弹性模量
F——法拉第常数c
f——混凝土轴心抗压强度设计值cuk
f——混凝土立方体抗压强度标准值y，cy，c
f，,f′——受拉和受压锈蚀钢筋名义屈服强度
h——截面原有高度e
h——锈胀后截面计算高度0e
h——锈胀构件截面有效高度
I——腐蚀（锈蚀）电流a
I——钢筋阳极锈蚀电流0
i——裂缝出现前钢筋锈蚀电流密度corr
I——腐蚀电池的混合电位对应的腐蚀电流a
i——阳极腐蚀（锈蚀）电流密度c
i——阴极腐蚀（锈蚀）电流密度al
i——一般湿度环境下钢筋锈蚀电流密度al
I——一般湿度环境下钢筋锈蚀电流强度d
I——高湿条件下氧扩散控制时钢筋锈蚀电流强度——氯离子含量c
L——沿混凝土构件截面透氧范围的长度（简称透氧长度）
l——钢筋长度cz
L——中部钢筋的透氧范围长度cj
L——角部钢筋的透氧范围长度a
l——钢筋锈蚀阳极区长度c
l——钢筋锈蚀阴极区长度cr
L——混凝土构件实际的裂缝间距se
L——裂缝尖端混凝土损伤脱开长度
MT——月积摄氏温度
MRH——月积湿度c，u
M——锈蚀钢筋混凝土梁正截面受弯承载力
n——金属的价数
N——金属的相对原子质量/价数c
n——阴极反应单位氧的电子数a
n——阳极反应的电子数t
n——月中日平均温度高于5℃的天数R
n——月中日平均相对湿度高于60%的天数0
N——月总天数02
[O]——混凝土构件外部氧气的浓度ca
P，P——阴极、阳极极化阻力
PS——混凝土孔隙水含水率
Q——腐蚀（锈蚀）时阳极通过的电量con
R——腐蚀电池阴阳极间溶液（或混凝土）电阻p
R——腐蚀（锈蚀）体系的极化电阻，又称极化阻力
R——腐蚀（锈蚀）电路总电阻c
R——混凝土保护层电阻0
R——气体常数
RH——相对湿度i
RH——日平均相对湿度高于60%的第i天的日平均相对湿度
r——钢筋半径0
S——金属试件表面积CA
S，S——阴、阳极区面积l
s——钢筋在混凝土中的锚固长度
Δs——钢筋的微滑移量
s——钢筋间距1
s——内外排钢筋间距
t——锈蚀时间c
T——环境摄氏温度
T——绝对温度i
T——日平均温度高于5℃第i天的日平均摄氏温度失重
v——以失重量表达的腐蚀（锈蚀）速率直径
v——以直径减少量表达的腐蚀（锈蚀）速率0
W——金属试件原始质量1
W——金属试件清除锈蚀产物后的质量
w——顺筋裂缝宽度h
w——横向裂缝宽度
ΔW——金属试件失重量
x——受压区等效矩形应力图高度
α——氧气在水中溶解度0
α——几何损伤系数1
α——受压区混凝土矩形应力图所取应力与混凝土抗压强度设计值的比值ac
β，β——阳极和阴极过程的Tafel常数a
η——阳极过电位c
η——阴极过电位
λ——钢筋锈蚀损伤率con
ρ——混凝土的电阻率tete
ρ——按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率
ν——纵向受拉钢筋表面特征系数第1章绪论1.1建筑业可持续发展和钢筋锈蚀的研究意义1.1.1 建筑业可持续发展的紧迫性
1987年联合国世界环境与发展委员会（WCED）在《我们共同的未来》报告中第一次阐述了可持续发展（Sustainable Development）的概念，此后在1992年在巴西里约热内卢召开“环境与发展”全球首脑会议上又提出“21世纪议程（Agenda21）”，该文件为经济和环境的可持续发展提供了一个具体的行动指南。目前，“可持续发展”的概念已经为世人普遍认同，世界各国对人类的可持续发展问题都给予了高度的重视。概括来讲，可持续发展是指“既能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发
[1]展”。可持续发展如同过去的农业革命、工业革命一样，是人类为求生存发展而进行的革命性的变革，是一种新的科学观、自然观和发展观，是人类面对未来生存困境所做出的理性抉择，国际社会和世界各国对于全球可持续发展的共识逐步提高，可持续发展的观念正在成为国际社会所追求的新的发展模式和共同目标。可持续发展观念中包含了“需求”和“限制”两层内涵：既要满足目前人们不断提高的“需求”目标，又要“限制”对资源和环境的过度开发，即人类的经济和社会发展不能超越资源与环境的承载能力。
建筑业是典型的立足于消耗大量资源和能源、对自然环境产生极大影响的产业。据统计，建筑业消耗了地球上约50%的能源、42%的水资源、50%的材料和48%的耕地；产生了全球24%的空气污染、50%的温室效应、40%的水源污染、20%的固体垃圾和50%的氯氟烃[2]等。因此，建筑业可持续性发展问题是人类社会可持续发展的重要环节，只有实现了建筑的可持续发展，人类社会的可持续发展才能真正实现。
就我国而言，改革开放后的经济发展世人瞩目，2000年我国GDP已经达到1.08万亿美元，世界排名也升至世界第6位，GDP年均增长率高达9.52%，是世界上增长速度最快的国家之一，是同期世界[3]经济年均增长速度的3倍；而至2010年第二季度，我国GDP则已超过日本，居世界第2位。随着我国的经济活力的不断提高，我国建筑业也取得了飞速的发展，逐渐成为关系国计民生的支柱产业。住宅方面，随着我国新农村建设以及城市化步伐的加快，城乡建筑发展十分迅速，房屋建设规模日益扩大，住宅产业投资规模不断扩张，每年新22[2]建建筑面积达18亿m，已有的建筑面积已近400亿m。公路、桥梁方面，目前已建成高速公路2.5万km（平均1~2km就有1座桥梁），总里程仅次于美国，已经居世界第2位。建设中的高速公路有1.6万[3]km，还有4万km将在未来10~20年内建成，这样的建设规模与速度是世界罕见的。如此大规模建设也拉动了我国水泥、钢铁等产业的大发展。2000年我国的水泥产量突破了7亿t，2003年我国水泥消费8.2亿t，占全世界产量的55%，2004年为9.7亿t，连续数年居全球首位；2003年我国钢材消费量达2.714亿t，约占全球钢材消费总量30%。可以毫不夸张地说，全世界半数以上的工程建设项目都是在中国进行的，中国是当今世界最大的建筑市场，中国的建筑业正处于发展顶峰时期。如此大规模的建设和强大的市场需求，增加了我国对资源的需求和对环境的影响，因此，也增加了建筑业可持续性发展的紧迫性。1.1.2 混凝土结构耐久性不足对建筑业可持续发展的严重影响
混凝土结构耐久性是指混凝土结构及其构件在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下，在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程，而不需要花费大量资金维修，也能保持其安全[4]性和适用性的功能。混凝土结构耐久性失效过程包含了混凝土结构的建造、使用和老化的整个结构生命全过程，它决定着结构的“健康”和“寿命”。
目前，世界上的基础设施建设仍以钢筋混凝土结构为主体，而由混凝土结构耐久性不足而引起的巨大经济损失、资源浪费以及环境显著破坏等方面的问题，已成为建筑业可持续发展的瓶颈之一。
首先，混凝土结构耐久性不足引起了巨大的经济损失。根据美国标准局（NBS）1975年的调查，美国全年各种因混凝土结构耐久性不足造成的损失为700多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀损失占40%，[5]1985年则达1680亿美元。美国材料咨询委员会（NMAB）1987年的年度报告中指出，有253000座混凝土桥处于不同程度损伤，且以每[6]年35000座的速度在增加。1989年美国运输部门给国会的一份关于美国公路与桥梁状况的报告中指出：“现在积压着有待修补的混凝土[5]桥梁的维修费用是1550亿美元”。
1991年美国技术评估中心确认美国基础设施总资产为1.4万亿美元，而每年的修复费为1400亿美元，占总资产的10%。10年的修复费就能与总资产持平，若保持基础设施正常运行40年，则需要花费4[3]倍的总资产费。目前美国整个混凝土工程的价值约为6万亿美元，[5]而今后每年用于维修或重建的费用预计将高达3000亿美元。
在英国，许多现代公路、公用与商业用钢筋混凝土结构的耐久性问题也十分突出。英格兰岛的中环线快车道上有11座高架桥（全长21km），总造价（1972年）是2800万英镑。由于冬天撒盐除冰，两年后就发现钢筋锈蚀使混凝土胀裂。到1989年的15年间，修补费已高达4500万英镑（即已为造价的1.6倍）。估计以后15年间的维修还要耗资1.2亿英镑（即接近造价的6倍）。英国环保部门最近的一份报告估计，英国建筑工业的年成交额为500亿英镑，而现在，因钢筋锈蚀破坏，需要更换钢筋或重建的钢筋混凝土结构占36%，年修补费已[5]达5.5亿英镑（占其1.1%），成为英国一个沉重的财政负担。
在前苏联一般工业区，大部分工业厂房和构筑物都不同程度的遭到各种介质的侵蚀，其损耗总值每年达400亿卢布以上，约占工业固定资产总值的16%，若不对这些厂房和构筑物采取专门的保护措施，[7]那么因建筑结构缩短使用周期而造成的材料损耗将达40亿卢布。
日本、北欧、加拿大、澳大利亚都存在氯盐为主的盐害。据瑞士联邦公路局统计，瑞士公路系统约有3000座桥梁，每年用于桥面检[7]测及维护的费用达8000万瑞土法郎，至于修理或更换的费用就更高。
在我国，混凝土结构耐久性的问题也十分严重，据1986年国家统计局和建设部对28个省、市、自治区的323个城市和5000个镇进行2普查的结果，目前我国已有城镇房屋建筑面积46.76亿m，占全部房2屋建筑面积的60%，已有工业厂房约5亿m，覆盖的国有固定资产超2过5000亿元，这些建筑物中约有23亿m需要分期分批进行评估与加[8]固，而其中半数以上急需维修加固之后才能正常使用。1989年，建设部混凝土结构耐久性调查组对北京、杭州等地区的一些建筑物进行了调查，结果表明，建国初期的建筑物均已达到必须大修的状态；现有的大多数工业建筑不能满足50年的使用要求，一般使用25~30年就[7]需大修加固。我国海洋工程、工业建筑、桥梁等多数达不到设计年限，均在几年或十几年内就开始维修。海洋工程混凝土结构即使严格按照现行规范和标准设计施工也难以满足50年的耐久年限，实际耐久年限往往只有30年左右；再加上我国腐蚀环境广泛、复杂，施工和使用管理水平较低，钢筋锈蚀，特别是氯盐污染（如使用海砂、除冰盐、海洋环境等）引起的钢筋锈蚀严重危及着钢筋混凝土结构物的[5]适用性和耐久性，其损失将超乎人们的意料。
其次，混凝土结构耐久性不足对资源需求、生态环境平衡构成极大的威胁。拌制混凝土的主要成分是水泥、石子和砂。文献[9]指2出：每生产1t水泥熟料，将释放出0.95tCO。2003年我国水泥消费[3]8.2亿t，占全世界产量的55%，全世界总水泥产量约为15亿t。15亿t2水泥生产将产生14.3亿t的CO，同时还将排放约300万t的NOx和大量22粉尘。大量CO的排放不仅加剧温室效应，它还和SO与NOx一起通[9]过形成酸雨危害农作物及其他植被。NOx和粉尘还使环境恶化，影响人类健康。同时，水泥生产和混凝土的拌制都需要大量的天然石灰石、砂以及黏土等材料，这些天然材料的开采也会对地球自然植被造成较严重的破坏。另一方面，混凝土结构耐久性不足还会迫使大量混凝土结构提前拆除，结构的拆除必然造成大量建筑垃圾的堆置，如美国每年大约有6000万t废弃混凝土，日本约为1600万t，中国约为4000[9]万t，这些建筑垃圾的处理所需要的能源及其对环境的影响也是当前社会不可忽视的一个重要问题。
总之，混凝土结构耐久性不足对建筑业的可持续发展形成严峻的挑战，严重威胁着人类的生存和发展。提高混凝土结构的耐久性、延长混凝土结构的使用寿命，将缓解修补、重建以及建筑垃圾处理对资金的巨大需求；最大限度地减少经济损失。同时，提高混凝土的耐久性、减少对水泥及天然砂石的相对需求，还将使资源和能源的利用率得到较大地提高，这将有助于保护生态环境，缓解人类对原本就紧张的资源和能源需求所形成的巨大压力。正如著名混凝土专家Mehta教授所指出的，“如果我们能够生产出更耐久的产品，就必定能大量地节省材料。今天建造的混凝土结构物若不是现在的50年寿命，而是[10]250年寿命，那么混凝土业的资源利用效率就能提高5倍”。1.1.3 钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的最关键因素之一
钢筋混凝土的耐久性退化的原因可以分为两大类：一类是由于混凝土材料自身的腐蚀、劣化所引起，按其机理的不同又可以分为碱骨料反应、冻融循环、浸析腐蚀、化学腐蚀，结晶腐蚀等；另一类是由混凝土内的钢筋锈蚀所引起。在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，Mehta教授在题为《混凝土耐久性——五十年进展》主题报告中指出：“当今世界，混凝土破坏原因按重要性递降顺序排列为：钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用”。由此可见，钢筋锈蚀是造成的混凝土结构耐久性失效的首要因素，钢筋的锈蚀会导致钢筋混凝土构件承载力下降和延性的降低，从而影响整个结构的安全性和耐久性，严重的锈蚀甚至会导致结构的破坏。这是因为钢筋的锈蚀，生成的锈蚀产物体积膨胀2~4倍且为疏松片状结构，使得一方面钢筋的截面积减小，强度和延性降低，另一方面混凝土保护层被胀裂、脱落，混凝土的有效截面面积减小，同时钢筋与混凝土的粘结性能降低或丧失，从而改变结构的破坏形态，造成[11]重大伤亡事故。
在前节所述由于混凝土耐久性不足所造成的巨大经济损失中，绝大多数也是由于混凝土中钢筋锈蚀原因所造成的。这些事例反映了钢筋锈蚀危害之大和日益加剧的严重事态，是大大超出人们意料的。国外流行一个“五倍定律”，即设计阶段对钢筋防护方面节省1美元，就意味着发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费用5美元，混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费用25美元，严重破坏时采取措[9]施将追加维修费用125美元。
混凝土中钢筋的锈蚀程度和结构耐久寿命的关系，可用图1-1所[5]示的曲线近似说明：（1）钢筋锈蚀预备阶段（也可称为钢筋锈蚀育孕期或前期）：这一阶段从浇筑混凝土时到混凝土中性化层达到钢筋表面，或氯化物侵入混凝土，在钢筋表面已使钢筋去钝化，即钢筋开始锈蚀时止，这段0时间以t表示。（2）钢筋锈蚀发展阶段：这一阶段从钢筋开始锈蚀到混凝土表1面而显示破坏现象（如顺筋胀裂、层裂或剥落），这段时间以t表示。（3）钢筋锈蚀加速阶段：这一阶段从混凝土表面因钢筋锈蚀肿胀开始破坏发展到混凝土普遍显示严重胀裂、剥落破坏，即已达到不2可容忍的程度，必须全面大修时止，这段时间以t表示。[5]图1-1 钢筋锈蚀程度与混凝土结构耐久寿命关系示意图（4）结构耐久性失效阶段：这一阶段钢筋锈蚀已扩大到使结构3区域性破坏，致使结构不能安全使用，这段时间以t表示。
混凝土结构的实际寿命是上述四个阶段所经历的时间总和，即0123012t+t+t+t，但在进行结构设计寿命确定时一般取t+t+t。在结构寿命的全过程中，钢筋的锈蚀程度是决定各阶段时间长度和结构使用寿命的主要因素。开展混凝土中钢筋锈蚀的研究、揭示混凝土结构耐久性退化的原理与规律，一方面能对已有的钢筋混凝土结构物进行科学的耐久性评估和剩余寿命预测，以选择合理的处理方法；另一方面也可以对新建工程项目进行正确的耐久性设计，以恰当的设计理论和合理的施工措施，确保钢筋混凝土结构在安全、适用、耐久的前提下，实现结构全生命周期内的经济最优化。
总之，无论是在国内还是国外，混凝土中钢筋的锈蚀是严重威胁钢筋混凝土结构耐久性的最主要、最普遍的因素。它所造成的直接或间接的经济损失和环境破坏，远远超出人们在使用混凝土材料初期的预想。目前，我国也正处于基本建设的高峰期，开展混凝土耐久性研究，特别是混凝土中钢筋锈蚀的研究，是建筑业乃至整个社会可持续发展的必然要求，具有重大的现实意义和深远的历史影响。相反，如果我们不吸取教训，不重视混凝土中钢筋锈蚀的研究，不采取防止钢筋锈蚀的必要措施来保证工程项目使用寿命，那么若干年后，势必会像美、英等发达国家一样，不堪工程维修和重建的巨大负担，经济、社会的健康、持续发展就难以为继。1.2混凝土中钢筋锈蚀研究的主要科学问题
由于钢筋锈蚀所造成的破坏和损失极为严重，因此目前对基于钢筋锈蚀引起的钢筋混凝土耐久性退化的研究成为耐久性研究领域中的一个重点研究方向。在这一研究方向中，可分为钢筋锈蚀机理和锈蚀速率研究、混凝土保护层锈胀开裂、锈蚀后钢筋力学性能、粘结性能研究以及钢筋锈蚀后构件承载力退化规律研究等几个方面，其中钢筋锈蚀速率研究是至关重要的，它是后面几个研究方向的研究基础，同时也是实际工程中结构的耐久性评估、可靠度计算、剩余寿命预测以及选择对其正确的处理方法的前提。1.2.1 钢筋锈蚀机理与锈蚀速率
混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学反应过程。通常情况下，混凝土2孔隙中充满着Ca（OH）溶液，因此混凝土具有很高的碱性，其pH值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋会发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，钝化膜能够阻止混凝土中钢筋的
[5]-2锈蚀，但在外界环境中的CO、Cl、硫酸盐等物质的作用下，混凝土会由于中性化或离子直接作用而使钢筋表面钝化膜发生破坏。一旦钢筋表面的钝化膜被破坏，在有水和氧气的条件下，钢筋就会发生电化学反应而逐渐开始锈蚀。钢筋锈蚀的这一电化学机理已被人们所熟知，这一领域的研究关键问题是钢筋锈蚀开始条件和开始时刻的确-定。于是，混凝土碳化过程和碳化速率、Cl渗透速率和钢筋锈蚀的-[12]Cl浓度门槛值研究即成为这一领域的焦点。目前在材料层次上，混凝土碳化机理、碳化影响因素及碳化深度预测模型研究成果较多、-认识也逐渐统一，但在Cl渗透机理、试验方法和渗透速率模型方面还存在一定的分歧，部分内容还有待进一步研究。
钢筋锈蚀速率是和时间相关的参数，它反映了混凝土中钢筋锈蚀的强烈（快慢）程度，表达钢筋锈蚀速率的主要参数有钢筋锈蚀电流密度和单位时间的钢筋锈蚀量、质量（或截面）损失率等指标，这些[13，14]指标间可以通过法拉第定律等关系进行转换。这一领域研究的关键是确定影响钢筋锈蚀速率的主要因素并建立相应的钢筋锈蚀速率预计模型。目前这一领域的研究成果也较多，但由于研究者所考虑的主要因素和试验环境的不同，成果间的统一性较差，模型预测结果有时相差几倍，甚至一个数量级。1.2.2 混凝土保护层的锈胀开裂
钢筋锈蚀对混凝土结构破坏的根本原因就是钢筋锈蚀产物的体积大于原钢筋的体积而发生体积膨胀。根据钢筋锈蚀产物成分不同，锈蚀产物体积膨胀系数取值也不同，一般多为2~4倍，最大可到6~7倍[15]。钢筋锈蚀后的锈蚀产物生成而产生体积膨胀时，钢筋四周的混凝土要限制它的膨胀，这样在钢筋与混凝土交界面上就产生了钢筋锈蚀膨胀力，或简称锈胀力。通过理论和试验分析不难发现，钢筋锈胀力会使保护层的混凝土受拉，直至混凝土保护层锈胀开裂。混凝土保护层一旦开裂，周围环境中的锈蚀性介质及氧气、水等就更容易到达钢筋表面而加剧钢筋的锈蚀，同时钢筋锈蚀又会促进混凝土裂缝的进一步开展，如此恶性循环，则会严重危害结构的正常使用和结构寿命。因此，研究混凝土保护层开裂时的钢筋锈蚀量有着十分重要的意义。
目前，许多学者通过试验分析或理论模拟，得到了不同形式钢筋锈蚀开裂的临界锈蚀量（锈蚀率）经验公式或理论模型。这些确定混凝土胀裂时钢筋锈蚀量及钢筋锈蚀量与裂缝宽度关系的方法大致有三类：[16][17]（1）力学分析法，Andrade、Dagher采用分布裂缝模型，编制了锈胀损伤过程的有限元分析程序；文献[18]从锈蚀层构造的细观分析入手，在考虑面向保护层和背向保护层产生不均匀锈蚀的情况下，建立了钢筋锈胀开裂前、后的钢筋锈蚀量分布模型表达式。文献[19]采用设置不等厚温度环加载的方法，模拟一般大气环境条件下钢筋的不均匀锈性，建立了一般大气环境下混凝土锈胀的有限元模型，[20]并给出了一般边和角区胀裂时钢筋锈性量的计算公式。Liu则考虑锈蚀产物向钢筋周围混凝土孔隙的扩散，对胀裂前的损伤过程进行了简单的力学分析。[21]（2）模拟试验法，Morinaga采用空心圆柱体内部施加油压模拟钢筋均匀锈蚀和外加电流快速锈蚀钢筋两种方法试验研究了钢筋锈[22]蚀量与表面混凝土开裂之间的关系。Allan则通过钢筋穿孔施加油压模拟局部锈蚀，研究了不同锈蚀量引起混凝土胀裂随时间变化的概率分布模型。（3）试验统计法，文献[23-28]通过外加电流快速锈蚀试验或海洋环境中长期暴露试验，研究了钢筋锈蚀发展与表面混凝土胀裂之间的关系及其影响因素，并给出了混凝土胀裂时的钢筋锈蚀量计算的经验公式。
另外，部分研究证明理论模型预测的初始开裂时间比实际的要早，可能的原因包括：不同的锈蚀产物引起的应力可能不同，而不同种类锈蚀产物的产生取决于孔隙溶液的pH值、供氧量及含水量等多种因素。另外，锈蚀率与时间相关，它随锈蚀产物的增加有可能降低，并且理论模型往往没有考虑锈蚀产物向周围混凝土孔隙中的扩散，即便考虑了也很难准确地定量化。还有一些研究以钢筋表面混凝土达到混凝土抗拉强度为保护层胀裂标志，这些都导致计算结果往往偏小，与实际情况之间有差异。所以，单纯的理论模型对于某一具体的结构来说过于笼统，比较而言，经验模型较多地依赖于某些结构的现场数据，通常很难适用于其他结构。1.2.3 锈蚀后钢筋的力学性能及粘结性能
对于钢筋锈蚀后的力学性能，近年来国内、外学者做过不少的工作。研究表明，钢筋严重锈蚀后，应力应变曲线会发生很大变化，没有明显的屈服点，屈服强度与极限强度非常接近，极限伸长率也有明显下降，而且其疲劳强度下降幅度也很大，混凝土中钢筋因锈蚀引起[29，30]的力学性能下降以延伸率最为敏感。文献[31]通过锈蚀钢筋的力学性能试验，得到钢筋试件的荷载变形曲线，结果表明，随着锈损量的增大，曲线的屈服平台逐步减少；锈损越严重，颈缩越不明显。锈损钢筋的塑性随着锈损量的增大而变差，其原因是塑性变形主要集中在截面锈损最大、发生断裂的部位，同一试件上锈损最大处已经屈服，而锈蚀小处的应变还很小。
锈蚀钢筋与混凝土粘结性能近些年的研究也越来越多，并在以下方面得到了较为统一的认识：钢筋锈蚀后，钢筋与混凝土的粘结力主要由摩擦和机械咬合作用提供，混凝土尚未开裂时钢筋与混凝土的粘结强度高于无锈钢筋的粘结强度；混凝土保护层产生锈胀裂缝后，粘结强度随裂缝宽度的增加逐渐减小，随着粘结强度的减小，裂缝宽度[32-36]又会进一步增加，进而影响结构或构件的耐久性。锈蚀钢筋混凝土粘结力下降的主要原因是：当钢筋锈蚀到一定程度后，将在钢筋与混凝土之间形成一个锈蚀产物过量剩余层，锈蚀层呈疏松状，钢筋和混凝土之间的摩擦系数降低；锈蚀产物分布在钢筋周围，保护层一侧更为严重，体积膨胀为原来的2~4倍，由于锈蚀产物体积膨胀而钢筋周围的混凝土保护层环向受拉，当产生的拉应力超过混凝土极限拉应力时，保护层混凝土产生沿筋的纵向裂缝。因此，钢筋与混凝土的化学胶着力受到部分损失，保护层开裂甚至剥落，降低外围混凝土对钢筋的约束，因而机械摩擦力减小，而且锈蚀时变形钢筋的肋总是锈蚀的尤为严重，从而降低了钢筋与混凝土之间的机械咬合力，而机械咬合力是变形钢筋与混凝土之间的主要粘结力，最终导致钢筋混凝土粘[37-40]结力下降。1.2.4 锈蚀钢筋混凝土构件承载性能的退化
钢筋混凝土结构是由多种构件构成的结构体系，因此在钢筋锈蚀后，随着构件性能的劣化，最终会影响整个结构的安全。目前，对整个结构进行实验室试验研究还不太现实，因此这一研究领域中主要研究对象是钢筋锈蚀后的梁、柱及其节点承载性能退化规律。
近年来，国内、外学者对锈后钢筋混凝土构件承载力退化规律进[41-49]行的研究，可以分为有限元分析和试验研究两大类。锈蚀钢筋混凝土梁承载力试验结果表明，钢筋锈蚀主要从两个方面影响梁的承载力：一是混凝土截面损伤和钢筋截面损失与力学性能退化，二是锈蚀引起钢筋与混凝土之间粘结性能退化，导致钢筋与混凝土不能很好地[50]协同工作。文献[41]还对钢筋平均锈蚀率为0%，2%，5%，8%，10%，11%，12%的7种情况，按试验梁的尺寸与配筋进行了有限元分析计算，从锈蚀钢筋混凝土梁的荷载（P）-挠度（f）曲线的变化规律可以得到与试验结果相同的结论，即随着锈蚀率的增大，结构的承载力和延性均发生了退化。在锈蚀率小于8%时，结构具有较为明显的屈服段；当锈蚀率大于10%时，屈服段退化明显，同时，结构刚度开始发生明显的下降；当锈蚀率大于12%时，刚度、承载力急剧下降，结构产生脆性破坏。文献[42，47]认为，当锈蚀率小于10%时，锈后钢筋混凝土受弯构件截面的平均应变分布仍基本符合平截面假定，因此，锈后双筋矩形截面正截面抗弯承载力计算模型仍符合未锈蚀构件正截面承载力计算的基本假定。计算时，需考虑钢筋截面减小、钢筋屈服强度降低，以及钢筋与混凝土间的粘结性能退化引起钢筋混凝土协同工作能力降低对承载力的影响。当钢筋锈蚀率大于10%，但混凝土保护层没有脱落时，由于构件混凝土材料强度、截面尺寸、配筋以及锚固构造措施的不同，受弯构件可能发生超筋破坏、少筋破坏，甚至发生粘结破坏和剪切破坏。当受拉钢筋锈蚀量增大到一定程度时，构件会由适筋梁变为少筋梁。不管是适筋梁破坏还是少筋梁破坏，结[42]构的破坏形态都是从有预兆的塑性破坏变为无预兆的脆性破坏。由于锈胀开裂后粘结性能严重退化，锈后钢筋混凝土受弯构件还易发[37，51]生粘结破坏，其承载力主要取决于锈后钢筋混凝土之间的粘结强度。
由于混凝土构件中箍筋位于纵筋外侧，箍筋往往比纵筋先发生锈蚀，且其锈蚀程度也比纵筋严重，特别是在箍筋与纵筋交接处。箍筋的锈蚀不仅直接影响钢筋混凝土构件的抗剪性能，而且由于锈蚀箍筋不能有效地约束混凝土，也会对构件的承载力有直接的影响。目前，对锈后钢筋混凝土构件斜截面抗剪承载力的研究不多，有待于作进一步的研究。
对于不同的受力构件，钢筋锈蚀引起的结构性能退化规律是不同的。对于处于受压状态的钢筋混凝土柱，其结构性能退化必然是随钢筋锈蚀而变化的动态过程。研究表明，随钢筋截面损失率的不同，锈[52，53]蚀钢筋混凝土偏心受压构件的承载力和延性均有降低。
为了解地震作用下锈蚀钢筋混凝土结构的性能，文献[54，55]对钢筋混凝土偏心受压构件进行了低周反复荷载试验，得到了试件钢筋不同锈蚀程度时的水平荷载（P）-位移（Δ）滞回曲线，分析了钢筋锈蚀率对试件承载力、刚度、延性、耗能能力等的影响。结果表明，试件开裂后的滞回曲线形状基本上呈梭形，同时由于钢筋锈蚀程度的不均匀性，滞回曲线呈明显的不对称性。而且钢筋锈蚀在一定程度上可以改变混凝土试件的破坏形态，当钢筋锈蚀严重时，承载力、刚度、延性、耗能能力大幅度降低，使得试件达到极限荷载后呈现明显的脆性性质。在试件中，箍筋的锈蚀程度比纵筋严重，从而导致试件的抗剪能力降低，对混凝土的约束减弱，试件延性有较大降低，这与许多实际工程结构的检测结果相似。[56，57]
西安建筑科技大学课题组先后进行了两批锈蚀钢筋混凝土压弯构件抗震性能的试验，研究了不同轴压比、不同锈蚀方式等因素下钢筋的锈蚀对压弯构件抗震性能的影响，发现钢筋锈蚀和轴压比是影响钢筋混凝土构件抗震性能的两个主要因素，并根据实验结果，提出由于粘结力下降引起的刚度退化系数的计算模式。
综上所述，由于混凝土构件内的钢筋锈蚀，使梁、柱的基本性能发生了较为明显的变化，如构件的强度降低、延性性能退化及破坏形态发生变化。随锈蚀量增加，混凝土开裂导致构件有效截面减小，钢筋力学性能下降，钢筋与混凝土间的粘结力退化，最终使构件的强度降低、延性性能退化；梁的垂直裂缝间距变大，接近支座处斜裂缝逐渐与沿受拉主筋方向的纵向裂缝连接，其破坏形态由适筋延性破坏转为钢筋粘结撕裂的脆性破坏。但是，对于锈蚀钢筋混凝土结构性能退化还没有建立起统一的数学模型，不利于对建筑物的可靠性评价，因此，应基于锈蚀速度模型的研究成果，建立不同锈蚀率下钢筋混凝土结构性能退化预测模型。1.3本书主要内容与体系
钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构正常使用和耐久性的主要因素之一，且造成的危害巨大。混凝土中钢筋的锈蚀机理、锈蚀速率的预计以及人工气候环境下钢筋锈蚀与自然气候环境下钢筋锈蚀的相关性已成为目前混凝土结构耐久性研究的热点。本书从混凝土内钢筋锈蚀的电化学基本原理出发，对作者及课题组成员在钢筋锈蚀电化学基本模型、顺筋裂缝区钢筋锈蚀速率、横向裂缝区钢筋锈蚀速率、混凝土构件配筋特征对钢筋锈蚀速率的影响、自然气候环境下钢筋锈蚀速率预计模型以及混凝土构件性能退化速率等问题的最新研究成果进行较全面的总结和概括，为今后锈蚀钢筋混凝土结构的寿命预测和评估以及混凝土结构耐久性设计提供必要的科学依据。
本书主要章节关系如下：第1章绪论主要介绍钢筋锈蚀研究的重要意义及这一领域研究的主要方向；第2章主要介绍金属腐蚀的电化学基本知识和混凝土中钢筋锈蚀的机理；第3章主要介绍在混凝土保护层出现裂缝前、不考虑构件内部配筋等因素的情况下，混凝土中钢筋锈蚀速率的基本模型；第4章是考虑钢筋锈蚀一段时间混凝土保护层出现顺筋裂缝后，混凝土中钢筋锈蚀速率的变化情况，并建立相应的锈蚀速率模型；第5章介绍在荷载等因素的作用下，混凝土构件中存在垂直于钢筋的横向裂缝钢筋锈蚀速率变化情况及相应的预计模型；第6章首先总结了在实际工程中混凝土构件截面配筋的常用形式，通过理论分析建立了考虑构件内部未活化的钢筋影响的外部钢筋锈蚀速率模型，同时分析了箍筋锈蚀的机理及其对纵筋锈蚀速率的影响；第7章综合考虑前面几章所述的影响因素、总结上述研究成果，建立混凝土构件中钢筋锈蚀速率综合预计模型，并将钢筋锈蚀速率-锈蚀量-结构性能退化联系起来，建立锈蚀钢筋混凝土构件性能退化速率模型；第8章基于目前混凝土结构极限概率设计的基本理论，提出锈蚀钢筋混凝土构件耐久性极限状态及耐久性设计基本思想。第2章混凝土中钢筋锈蚀的电化学基本原理2
通常情况下，混凝土孔隙液中充满着饱和的Ca（OH）溶液，因此混凝土具有很高的碱性，其pH值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化2膜，钝化膜能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但在外界环境中的CO、-Cl、硫酸盐等物质的作用下，混凝土会由于中性化或离子直接作用而使钢筋表面钝化膜发生破坏。一旦钢筋表面的钝化膜被破坏，在有水和氧气的条件下，钢筋就会发生电化学反应，而逐渐开始锈蚀。因此，为了便于读者对钢筋锈蚀原理的理解与阅读，本章针对混凝土中钢筋锈蚀的特点，对钢筋锈蚀的电化学基本原理作必要的介绍和讨论。2.1金属腐蚀的电化学基本知识2.1.1 自然环境中金属的热力学不稳定性
自然界中的物质都有自发从能量高的状态向能量低的状态转变的趋势，并且这一趋势都是有方向性的。例如，热总是从高温物体自动传向低温物体，直到两物体的温度一致；水总是从高处向低处流动，直到水位相等；电流总是从高电位处自动流向低电位处，直到电位差为零；溶液中的溶质总是从高浓度处自动向低浓度处扩散，直到浓差为零。对于化学反应，同样也存在着自发进行的方向和限度的问题。例如，锌浸泡在稀的硫酸铜溶液中，将自动发生取代反应，生成铜和硫酸锌溶液，其逆反应不能自发进行，除非用外加电流电解的方法从外界对它做功。由此可见，不管是自发的物理过程还是化学过程，都是不可逆过程，都有一定的方向和限度，自发过程的推动力是始末状态的能量差，比如温度差、水位差、浓度差、电位差、化学位差等。自发过程的方向就是使这些差值减小的方向，自然过程的限度就是这种差值的消失。
自然环境中金属的腐蚀也是一种自发的过程，这一过程中金属与环境介质相互作用而形成金属氧化物、硫化物或盐。金属材料的腐蚀是冶炼的逆过程，冶炼是依靠外界提供的能量将金属从各种氧化物、硫化物等矿石中提炼出来形成金属和合金的过程。从热力学的角度来说，除个别贵金属如金（Au）、铂（Pt）外，在自然环境和许多腐蚀介质中，绝大多数金属都具有热力学不稳定性，即在一定条件下，它们都将发生由原子状态向离子状态的转变过程，也就是发生腐蚀过程，因此，腐蚀过程是热力学自发过程。2.1.2 金属腐蚀电池
当金属锌和铜按图2-1所示的连接方式放入稀硫酸溶液中时，在锌和铜的表面会发生电极反应，锌表面锌原子失去电子发生氧化反应，铜表面氢离子得到电子发生还原反应释放出氢气，电子经过导线由锌流向铜，而电流方向则是由铜流向锌。这时锌和铜就组成了产生可利用电流的原电池。如果把导线去掉，而把锌和铜直接接触在一起，铜和锌的电化学反应仍可以进行，但此时它们之间的电流不能够被收集利用，而转化为热能消耗在溶液中，此类内部短路的原电池被称为腐蚀原电池或腐蚀电池，它的特点是只能导致金属材料的逐渐消耗而不能对外做有用的电功。图2-1 锌和铜在稀硫酸溶液中的电化学反应示意图
实际使用环境中，金属的腐蚀并不需要两种不同的金属接触在一起，单独一种金属也会发生腐蚀。在金属的制造过程中，由于不可避免地混入一些杂质，或由于金属表面加工程度、金相组织或受力情况的差异以及晶界、位错缺陷的存在，甚至金属原子的不同能量状态，都可以使金属不同部位间存在着一定的物理和化学性质的差异，这种差异统称为电化学不均匀性。当金属接触到必要的电解质溶液时，金属表面物理和化学性质有差异部位之间就可以形成腐蚀电池，使金属[58]不断地被腐蚀消耗。
综上所述，腐蚀电池的工作原理与一般原电池并无本质的区别，但腐蚀电池又有自己的特征，即一般情况下它是一种内部短路了的原电池，虽然当它工作时也产生电流，但其电能不能被利用，而是以热的形式散失。
在腐蚀电池体系中，习惯将发生氧化反应的电极（或正电荷离开其表面进入溶液的电极）称为阳极、发生还原反应的电极（或正电荷从溶液进入其表面的电极）称为阴极。腐蚀体系中阳极总是失去电子、物质离子化而逐渐腐蚀消耗；阴极处物质一般不消耗。一个腐蚀电池必须包括阳极、阴极、腐蚀溶液和闭合电路四个部分，缺一不可。由这四个组成部分构成腐蚀电池工作的三个必需环节如下：（1）阳极过程：金属进行阳极溶解，以金属离子或水化离子形式进入溶液，同时将等量电子留在金属上。（2）阴极过程：从阳极通过闭合电路流过来的电子被来自腐蚀溶液且吸附于电极表面能够接受电子的物质，即氧化性物质所吸收。（3）电流的流动：电流的流动在金属中是依靠电子从阳极经导体流向阴极，在腐蚀镕液中则是依靠离子的迁移。
腐蚀电池的三个环节既相互独立又彼此紧密联系和相互依存，只要其中一个环节受阻而停止工作，则整个腐蚀过程也就随之停止。2.1.3 腐蚀电池的类型和腐蚀形态
金属材料或金属构件在腐蚀介质中，只要存在电化学不均匀性，就将存在发生腐蚀的自发倾向，就能够构成腐蚀电池。根据构成腐蚀电池的电极尺寸大小、相对位置，并考虑促使形成腐蚀电池的主要影响因素及金属腐蚀的表现形式，可将腐蚀电池分为两大类：宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池。2.1.3.1 宏观腐蚀电池
通常是指肉眼可见的电极所构成的腐蚀电池。宏观腐蚀电池中的阴、阳极区位置在时间上可保持较长时间的稳定，并且当阳极区面积较小时，往往导致明显、强烈的局部腐蚀。这种腐蚀电池一般会引起金属或金属构件的局部宏观侵蚀破坏。宏观腐蚀电池有以下几种构成方式：（1）异种金属接触电池：当两种不同的金属或合金相互接触（或用导线连接起来）并处于某种腐蚀溶液中，即可构成宏观腐蚀电池。此时，电极电位较负的金属（阳极）将不断遭受腐蚀而溶解，而电极电位较正的金属（阴极）却得到了保护。这种腐蚀一般称为接触腐蚀或电偶腐蚀。两种金属的电极电位相差愈大，这种腐蚀后果也愈严重。另外，腐蚀电池中阴、阳极的面积比和电解质的电导率等因素也对这种腐蚀有一定的影响。（2）浓差电池：是由于同-种金属的不同部位所接触的腐蚀介质的浓度不同所形成的，最常见的浓差电池有金属离子浓差电池和差异充气电池（氧浓差电池）两种。
金属材料的电位与介质中金属离子的浓度有关。当金属与含不同浓度的该金属离子的溶液接触时，浓度低处，金属的电位较负，浓度高处，金属的电位较正，从而形成金属离子浓差腐蚀电池。此时，浓度低处的金属作为阳极而受到腐蚀。当浓度差消失，由浓差引起的腐蚀就会停止。
工程实际中最常见的浓差腐蚀电池是差异充气电池（氧浓差电池）。它不仅普遍存在而且危害极大。氧浓差电池是由于金属与含氧量不同的腐蚀介质接触形成的腐蚀电池。例如，在水线腐蚀、缝隙腐蚀、沉积物腐蚀、盐滴腐蚀和丝状腐蚀等情况下，在一些氧不易到达的地方，氧含量低，此处金属的电位低于高含氧处金属的电位，作为阳极而遭受腐蚀。对于埋置于地下的钢管，当管道穿越黏土又穿越砂土时，由于黏土中含氧量低、砂土处含氧量高，黏土处管道作为阳极而被腐蚀，这是形成埋地管道宏观腐蚀电池的主要原因之一。（3）温差电池：浸入腐蚀介质中金属各部分，常由于所处环境温度不同，形成温差腐蚀电池。如碳钢制造的热交换器，由于高温部位碳钢电位低，使得高温部位比低温部位腐蚀严重。而铝在某些溶液中电极行为与碳钢相反，低温部位会受到较严重的腐蚀。（4）电解电池：在电解工业中，金属作为电解池阳极而受到腐蚀，而电气机车、地铁、电解工业中的直流电源漏电也会引起金属腐蚀，这种腐蚀叫做杂散电流腐蚀。（5）摩擦电池：摩擦、磨损过程发生在腐蚀介质中时，由于摩擦使金属被摩擦表面的表面膜破损而裸露出基体，该处的电位将远低于未摩擦表面的电位，从而形成电位差、构成摩擦电池。由于摩擦电池的存在，促进了摩擦面材料的流失，加剧了力学损伤。例如，含固体颗粒（如砂）的腐蚀介质对管道、泵、阀的冲刷过程，由于固体颗粒对金属材料表面的剪切力和正应力的作用。也将诱发形成摩擦电池。而在管道弯头、缩口等高度湍流区，固体颗粒对金属材料表面剪切力作用加大，也会使得高湍流区与低湍流区或非湍流区形成摩擦电池。2.1.3.2 微观腐蚀电池
由于金属材料表面的电化学不均匀性，使金属材料表面存在许多微小的、电位高低不等的区域，从而构成各种各样的微观腐蚀电池，如图2-2所示。[13，14]图2-2 金属组织、表面状态等不均匀所导致的微观腐蚀原电池（1）金属表面化学成分不均匀性引起的微观电池：工业金属常含有各种杂质，在腐蚀介质中，表面上的杂质将以微电极的形式与基体金属构成许多短路的腐蚀微电池，如图2-2（a）所示。若杂质作为阴极相存在，它将加速基体金属的腐蚀，例如碳钢中的渗碳体3FeC、铸铁中的石墨等；在腐蚀介质中，它们作为阴极相起到加速基体金属腐蚀的作用。（2）金属组织不均匀性构成的微观电池：传统的金属材料大多是晶态，存在着晶界和位错、空位、点阵畸变等晶体缺陷。晶界处由于晶体缺陷密度大，电位较晶粒内部要低，因此构成晶粒-晶界腐蚀微电池，晶界作为腐蚀微电池的阳极而优先发生腐蚀，如图2-2（b）所示。此外，金属材料凝固时产生的偏析所引起组织上的不均匀性，也将会形成腐蚀微电池。（3）金属物理状态的不均匀性构成的微观电池：金属材料在机械加工、构件装配过程中，由于各部分受不同应力作用而引起应力分布不均匀或形变不均匀，都将产生腐蚀微电池。变形大或受力较大的部位将成为阳极而腐蚀，如图2-2（c）所示。（4）金属表面膜不完整构成的微观电池：无论是金属表面形成的钝化膜，还是镀覆的阴极性金属镀层，由于孔隙存在或发生破损，使得该处裸露的金属基体的电位较负，构成腐蚀微观电池，孔隙或破-损处作为阳极而受到腐蚀，如图2-2（d）所示。不锈钢在含Cl介质中，-由于Cl具有极强的穿透能力，使不锈钢表面钝化膜极易遭到局部破坏，从而诱发点蚀。碳钢上镀覆Ni-P合金化学镀层，由于Ni-P合金是阴极性镀层，一旦镀层中存在针孔或发生破损，在腐蚀介质中就会发生强烈的局部腐蚀。这种“活化-钝化”腐蚀微电池诱发的局部腐蚀具有很高的纵深发展速度，其中一个重要原因在于阳极面积小，形成了大阴极、小阳极的非常不利的几何条件。
上述各种腐蚀电池的共同特点在于：或是由于环境条件的差异，或是由于金属材料本身不同部位的物理、化学性质和状态的差异，使得与腐蚀介质相接触的金属材料中部分表面的电位与其余表面的电位形成不均一性，构成了电位差。表面电位差的存在是金属发生腐蚀的驱动力。但是，金属材料发生腐蚀（阳极溶解）反应必须与某种物质的还原反应组成共轭反应体系。因此，腐蚀介质中存在着可在金属表面发生还原反应的物质也是金属材料发生电化学腐蚀的必要条件。
上述关于腐蚀电池的分类，主要是根据构成腐蚀电他的电极尺寸的大小。在考虑腐蚀作用对金属表面形态作用效果时，一般又根据腐蚀发生时阴、阳极位置随时间的稳定性不同，将金属腐蚀形态分为两大类，即全面腐蚀（均匀腐蚀）和局部腐蚀。全面腐蚀（均匀腐蚀）发生时，阴极区和阳极区的面积非常小，一般用普通微观检测方法也难以辨识，并且微阴极区和微阳极区的位置变幻不定，呈无规则统计地分布在整个金属表面上，且随时间不断变化，结果导致金属发生均匀减少，这就是全面腐蚀或均匀腐蚀。此时，腐蚀均匀分于整个金属材料表面，并且表面上各处具有相同的腐蚀速度。均匀腐蚀往往造成金属材料的较大流失，但由于在工程设计时都已考虑了足够的腐蚀富余量。因此，均匀腐蚀不会造成明显的灾难性事故。
在局部腐蚀情况下，腐蚀电池阴阳极的区域（特别是金属材料表面发生溶解的阳极区）相对固定，这样发生腐蚀破坏的区域就相对固定，特别是在阳极区面积比阴极区面积小很多时，会构成大阴极/小阳极格局。尽管在这种条件下，金属材料的总的腐蚀失质量并不大，但由于腐蚀集中在一个或数个面积较小的部位，因而腐蚀向纵深发展的趋势和速度很大，极易导致金属材料穿孔、破裂和失效。例如点腐蚀能使容器（尤其是压力容器）穿孔而报废，甚至酿成停工停产、人员伤亡的重大恶性事故。对于局部腐蚀，由于金属材料表面不同部位的腐蚀速度差异极大，不能像均匀腐蚀那样采用腐蚀失重法来评定其腐蚀速度，否则会掩盖局部腐蚀的危害性。根据腐蚀电池的形成因素、腐蚀过程发生的形式和位置、金属材料所受应力作用的方式等，局部腐蚀又可分为点腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀断裂、疲劳腐蚀、氢致开裂、磨损腐蚀等。2.1.4 双电层现象与电极电位2.1.4.1 金属在溶液中的双电层现象
金属和电解质溶液接触时，金属表面和溶解间会产生双电层现象，根据产生机理不同，双电层又分为以下三种类型：（1）当金属与电解质溶液接触后，金属表面上的正离子由于极性水分子的作用将发生水化。如果水化的力量能克服金属晶格中金属正离子与电子之间的引力，则金属表面的一些金属正离子就会脱离金属，进入溶液而成为水化离子。由于金属正离子进入溶液，金属表面就会积累过剩的电子，使金属表面带负电。与此同时，已被水化了的金属离子由于静电吸附或热运动等作用，也有解脱水化而重新沉积到金属晶格中的趋势。当金属离子的溶解与溶液中的离子沉积到金属上这两种过程达到动态平衡时，就形成了金属表面带负电、紧靠金属表面的液层带正电的双电层，如图2-3（a）所示。很多负电性的金属，如锌、镁、铁等在酸、碱及盐类溶液中形成这种类型的双电层。
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