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摘要
虽然钢筋混凝土界面（SCI）被广泛认为会影响钢筋混凝土的耐久性，但缺乏关于SCI各方面的系统概述和详细文件。在本文中，我们编制了SCI的可能局部特征的综合列表，并查看了有关它们的性质以及它们在工程结构和实验室中的发生情况的可用信息。鉴于SCI的复杂性，我们提出了一个系统的方法来描述它在局部特征及其物理和化学特性方面。发现SCI沿着和围绕以及垂直于钢筋表现出明显的空间不均匀性。SCI可以在不同的工程结构和结构内的不同成员之间有很大的不同，预计在1970/1980年代之前和之后建造的建筑物之间会有特殊的差异。代表所有现场条件的单个SCI不存在。此外，与工程结构相比，常见实验室制作的标本中的SCI表现出显着差异。因此，实验室研究和实际经验的结果应谨慎应用于工程结构。最后，提出进一步研究的建议。
1 介绍
钢-混凝土界面（SCI）影响钢筋混凝土的结构性能和耐久性能，因此在钢筋混凝土结构工程中起着重要作用。SCI对氯化物暴露环境和碳酸化情况下的腐蚀行为有特殊的影响。它还影响钢与混凝土之间粘结的某些方面，例如钢与混凝土之间的粘结，这对于不存在机械互锁的光滑钢筋情况尤为重要。
耐久性工程中的一些大的不确定性-特别是在解释和预测氯化物引起的腐蚀的启动-可以追溯到对SCI的局部特征的影响认识不足。举一些突出的例子，已经观察到孔隙，空隙和裂缝在某些条件下强烈影响氯化物引起的腐蚀的开始，但在其他条件下似乎没有影响。脊髓损伤中还有许多其他特征可能或可能不会在局部发生，并可能潜在影响钢筋对腐蚀开始的局部敏感性。然而，缺乏系统的概述和详细的文件。
这篇文章总结了关于脊髓损伤中不同局部特征的发生现场和实验室实验中的最新发现，并描述了它们的物理和化学特性。这些局部特征对腐蚀开始的影响将在单独的出版物中讨论。
本文件由RILEMTC262-SCI成员编写，并且在很大程度上基于前五次技术委员会会议的介绍和讨论。本文重点介绍波特兰水泥基混凝土中的传统碳钢增强材料，考虑涂层，合金或高强度钢以及其他未来处理的粘结剂类型。此外，本工作不包括修复技术（电化学修复，如阴极预防和保护）以及腐蚀抑制剂和其他化学外加剂对脊髓损伤的影响。本文描述了硬化混凝土在初始水泥水化和钢钝化之后，但在腐蚀开始之前（即在所谓的初始阶段考虑被动钢的SCI）（图1）的SCI。这个阶段的时间范围往往构成了工程结构使用寿命的重要部分。
2 SCI的文件记录
2.1 SCI的术语和概念描述
表1列出了已知在实验室标本和工程结构中SCI发生的特征。我们建议“地方特色”作为包含所有单个特征和当地特征的通用术语。请注意，术语“局部特征”可能指的是局部差异，即沿着钢筋表面以及沿着它的圆周，与钢表面（垂直于钢表面）的距离增加以及跨越钢表面的局部差异。
图2显示了SCI的一些选定特征;为清楚起见，不可能显示表1中列出的所有特征。我们发现将局部特征划分为钢筋（SCI的钢部分）和钢筋附近的钢筋（SCI的具体部分）。然而，这种分类并不意味着我们认为这些零件是相互独立的。当钢筋嵌入混凝土中时会有明显的相互作用，这将在第二部分讨论。就长度尺度而言，我们将局部特征划分为宏观和微观特征。通过与各种字典的一致，我们将“宏观”定义为“用肉眼观察”的东西。近距离阅读距离的人眼分辨率为50-100微米。因此，“微观”是指比这更小的尺寸。
2.2 钢筋
从十九世纪末期的钢筋混凝土施工开始，已经使用了各种各样的钢筋。由于对机械性能和制造工艺历史演变的要求不断提高，冶金和钢筋几何形状已经发生了很大变化。今天，在整个欧洲，约存在200种不同的钢种，其在收率和抗拉强度，极限强度和硬化比率方面有所不同。根据特征屈服强度-在欧洲范围内变化在370MPa和600MPa之间-钢筋分为强度等级，其中B500等级中的值500代表钢筋特征屈服强度为500MPa。钢筋还根据其在极限强度下的延伸率和根据硬化比率进行分类，其中定义了用于钢筋的三种不同的延展性等级。类别“A”，“B”和“C”分别属于Agt高于2.5,5.0和7.5％，硬化比率分别高于1.05,1.08和1.15-1.35。
可以使用不同的方法来满足建筑标准的强度和延展性要求，并且这些方法导致了钢微观结构的差异。建立的过程是微合金化（MA），冷加工（CW），拉伸（STR）和热机械强化。在热机械强化中，在最后的热轧顺序之后，钢水通过喷水立即在表面迅速淬火。在此处理之后，钢材暴露于空气冷却下。在这段时间内，马氏体淬火层由来自芯的预热加热。因此，热机械强化会形成具有回火马氏体表层和更具延性铁素体/珠光体核心的复合组织（图3）[15-18]。传统的热轧和冷加工以及微合金钢筋在另一方面横截面上具有相对均匀的微观结构。通过冷变形的加工硬化通常从铁素体-珠光体类型的微结构开始，在过程中保持这种微结构。微合金钢通常由铁素体基体组成。所有这些微观结构在晶粒尺寸，非金属夹杂物和杂质方面都会有所不同，这可能会影响腐蚀敏感性[19]。此外，热机械强化钢筋的复合材料显微组织也表现出残余应力[20,21]，这可能会影响耐腐蚀性。另外，混凝土结构中的钢通常由于结构载荷而受到应力。然而，在典型的实验室调查中，强化钢一般不承受载荷。重要的是要注意，直到约20世纪80年代，主要采用冷作强化钢筋。随后，在欧洲和世界其他许多地区，它被热机械强化钢筋取代这特别适用于满足较高延展性要求的钢，如[14]中的B500B和B500C等级。值得注意的是，现在在欧洲，几乎所有的钢筋都是由回收材料生产的，而在世界其他地区，例如中国，大部分钢铁都是由原生铁矿石生产的。这会影响最终产品的化学成分，例如铜等杂质。换句话说，就微观结构而言，较旧的结构通常用不同类型的钢筋建造，而不是在过去20-30年建造的结构。
最近结构中的钢筋不仅与旧结构的钢结构，化学成分和力学性能有很大不同，而且与钢筋几何形状有很大不同。1925年，主要使用圆形或方形横截面的光滑/普通钢筋[13]。后来，为了改善粘结和锚固，市场上出售了各种不规则（而不是光滑）钢筋表面几何形状，包括冷扭曲的方棒，以及各种波纹和变形棒。例如，欧洲标准EN10800分别对“有肋钢”和“凹钢”进行了区分，并分别规定了肋和凹槽的尺寸和数量公差[14]。棒的几何形状（肋或凹槽的位置和形状等）可能会影响SCI，例如通过在肋条或凹槽之间产生局部放水区域（参见2.5.2节）并通过定义裂纹的位置（参考节2.5.3）。
2.3 钢筋表面加固
2.3.1 沿加固表面不同区域的一般注释
沿着钢筋表面可能存在不同的区域，即裸钢，覆盖有钢鳞的钢或预先存在的（本地）锈层。一旦这些区域与混凝土的碱性孔隙溶液接触，就会发生不同的化学和电化学反应，这取决于与孔隙溶液接触的区域（裸钢，磨皮，锈蚀）只要溶液是碱性的（并且不含氯化物），天然的氧化铁/氢氧化物层（如氧化皮和初始腐蚀产物）或者是热力学稳定的，或者可能会转化为更多的水合化合物。这也取决于孔溶液中溶解氧的浓度。在不含碱和氯化物的溶液中，裸露的钢表面会发生钝化，即钢表面会形成一定厚度的保护钝化膜。这些裸露的钢表面可能暴露在涂有氧化皮或天然腐蚀产物的区域之间，或暴露在这些区域内的裂缝中。
2.3.2 轧机规模
在钢厂的热轧过程中，在钢筋表面形成了所谓的氧化皮[22]。该工厂规模由氧化铁组成，通常是FeO，在570℃以上形成。它也可能含有磁铁矿，赤铁矿和磁赤铁矿。轧机尺寸通常很脆，因此在搬运过程中，例如钢筋弯曲时，它很可能会开裂。在起源和形成方面，轧机规模与腐蚀产物不同，但在形态和组成方面也是如此。值得注意的是，某些钢筋处理涉及最终的喷射水骤冷步骤，其可以有效地消除大部分高温氧化皮，仅留下在较低温度下形成的薄沉积物。对于冷加工硬化钢，加工过程中将消除主要部分的钢鳞。
Ghods等人[23]通过扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束显微镜研究了不同钢筋上轧机的性能。横截面图像显示，轧机规模呈现晶体结构，并以柱状晶粒的形式沉积在钢基体上。虽然在一家制造商的钢筋上，只有钢材的某些区域覆盖了一层相当薄的轧钢层（最大厚度为2lm），但来自其他制造商的钢更均匀地涂覆了轧钢鳞（厚度可达30-40流明）。由于它们较大的厚度，轧机规模以及钢和轧制钢锭之间的界面呈现出空隙，裂缝和裂缝。其中一些空隙和裂缝通过裂缝与混凝土连接，裂缝作为混凝土孔隙溶液到达钢表面的通道，因此允许孔隙溶液和裂缝之间的离子移动（图4），这些裂缝和缝隙内的溶液可能与裂缝/缝隙开口处的混凝土孔隙溶液的组成不同[23]。
特雷霍和蒙泰罗[24]报道，热轧钢板上的轧板厚度范围为0到20微米左右。他们还观察到工厂规模的裂缝。
Wong等人[25]通过SEM和EDX元素映射研究嵌入混凝土中的钢筋（原样）的基本非腐蚀界面。与Ghods等人达成一致，该工厂规模有20-50lm的相对一致的厚度。[23]，也被发现破裂。这些剖面的EDX斑点分析表明，磨机主要由FeO和少量的磁铁矿和赤铁矿构成。
Poursaee和Hansson[26]研究了暴露于合成孔隙溶液（pH约13.5）的原始钢筋。拉曼光谱表明，天然氧化物（描述为millscale）主要由赤铁矿和磁赤铁矿组成。
与混凝土接触的工厂规模相对稳定。对采用长达260年的钢筋混凝土结构（或基于类似水硬性粘结剂的结构）进行的样本的SCI分析显示，由于碳酸化作用而部分腐蚀，表明钢表面存在初始钢渣残余物[27]这层由蛭石，磁铁矿和赤铁矿组成。在某些情况下，它被覆盖了一层更多的水合化合物。这些可能是由于工厂规模的局部变化（与混凝土孔隙溶液相互作用）或由于下面的钢水腐蚀造成的。关于后者，文献[27]提出了一种腐蚀机理，其中钢表面释放的亚铁离子通过工厂规模迁移并在工厂规模的外表面作为羟基氧化物沉淀。同样，沃尔什发现保存良好的钢厂规模的钢筋表面的大部分表面提取从一个60岁的钢筋桩浸没在海水中。
总之，在碱性和不含氯化物的混凝土中，轧机钢锭的变形似乎长时间发生，即使经过几十年的使用寿命，其残余物也可能被发现。尽管如此，这层氧化物（主要是白云石，还有磁铁矿，赤铁矿和磁赤铁矿）对底层钢的腐蚀保护远远小于真正的钝化膜。这可能是由于工厂规模中存在裂缝和裂缝
2.3.3 原生锈层
一旦钢筋离开制造商，它将经历非常不同的暴露历史，取决于运输，处理和存储过程中的条件。特别是室内或室外储存条件对表面锈层的形成有很大影响。腐蚀产物可以在大气腐蚀条件下，水分吸附层或钢表面上存在的较大液体体积下形成，例如
水滴（暴露于雨中的钢筋，水的凝结）或（部分）浸入液态水中的情况。此外，暴露于含有盐雾和盐的气溶胶（例如，当暴露于海洋环境的建筑工地上时）可能会产生含氯化物的锈层。这些锈层可能根据暴露条件而在组成和形态上不同，并且很可能由氢氧化物层而不是氧化物组成。而且，与轧机尺寸相反，钢铁制造过程后形成的锈层不会含有大量的铁素体。
在RILEMTC235-CTC进行的工作中，钢筋来自9个不同国家的实验室，主要来自欧洲，以所谓的“原样”状态收集并测试。这些表面在视觉外观方面显着不同。此外，这些表面的电化学行为有显着差异，取决于存在的红/棕锈的量[19]。
Stefanoni等人[29]通过将钢与试验电解质和电化学传感器局部接触，测量“接收”钢筋表面上各个点的局部开路电位。只有严重预腐蚀（整个表面覆盖有锈蚀）的黑色轧机规格或钢筋的表面显示局部开路电位的分布较窄（标准偏差约40mV），而中间情况包括几乎裸露的钢和覆盖着红棕色腐蚀产物的区域
在局部电化学性质方面有很大的范围。虽然生锈的螺纹钢的局部开路电位跨越了大约ca.200mV，浸入碱性溶液中将此不均匀性降低至约。一天内20mV（从溶液中取出后测量）[29]。这表明，当与碱性电解质如混凝土孔溶液接触时，初始存在于钢表面上的锈和钢级比较快地转变，即朝向更多的阳极电势。
2.3.4 钝化膜
在不同pH的碱性环境中钝化膜的形成主要是通过电化学技术在溶液中进行研究的。钢表面经机械加工[30]，磨削[31]，喷砂处理[26,32]或大多数机械抛光[33-37]。当暴露于碱性溶液时，文献研究同意暴露时间开路电位（OCP）[26,30-34,36-40]和极化电阻[32,37,38,40]的渐近增加表明形成了保护性氧化铁膜。尽管在将钢材暴露于钝化溶液之后很快开始形成保护性钝化膜，但膜的质量和稳定性取决于钝化溶液的暴露时间和化学组成。更长的浸泡时间导致更高的极化电阻[30,37,40]。在pH值为13时，钝化膜的保护性能在浸泡约1d后清晰可见，对于钢在饱和Ca（OH）2（pH*12.5）中至少需要3-5天[26,38,40-42。然而，即使长时间浸泡，饱和Ca（OH）2溶液也不能代表混凝土孔隙溶液[40]。硫酸根离子已被证明对膜质有负面影响[41]。
基于拉曼光谱，[26,40]认为钝化膜的组成在混凝土孔隙溶液和饱和溶液中是相似的。Ca（OH）2。但是，Ghods等人[46]报道钝化溶液中钝化膜中存在Ca，K和Na，这表明孔溶液组成可能对钝化膜组成和性质有影响。
被动态的这种保护性质与膜中离子传导的显着减少有关（离子屏障）;还报道了较低的电子传导[39]。被动状态在钢筋混凝土结构中保持很长一段时间，但当氯离子到达钢时可能会失去。氯化物诱导的去钝化与钝化膜内部氧化状态的变化有关[26,44,47]，导致膜破裂。因此，探测抗氯化物腐蚀电阻的实验应该在经过足够长的预钝化时间之后开始，该时间根据电解液的pH值而变化[26,38,40,41]（见上文）。由于氯化物引起的腐蚀开始是局部现象，如果较高的表面平均极化电阻总是对应于较高的抗点蚀腐蚀性，则尚未确定。
结构载荷的影响实验研究表明，钢材试样上形成的钝化膜在受到机械应力时会降解。冯等人。[48]对钢样进行电化学阻抗谱分析，同时将其浸入碱性溶液中，同时承受机械应力。发现极化电阻随着施加的应力增加而显着降低。这可以通过相对脆弱的钝化膜的开裂和分层/剥落来解释。结果还表明，钝化膜
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