钢筋混凝土结构耐久性失效最主要的原因是钢筋锈蚀,其遵循如下过程:氯离子在混凝土内部传输至钢筋表面,导致钢筋发生锈蚀,锈蚀产物体积发生膨胀挤压混凝土,进而产生锈胀力;随着时间的推移,锈胀力随着锈蚀率和锈蚀产物含量的变化而变化,最终导致混凝土保护层剥落,钢筋混凝土结构表面出现裂缝,随着裂缝的出现,更多的氯离子进入到混凝土内部,导致锈蚀进一步加剧,最终导致结构耐久性失效。氯离子在纳米孔道中传输的速度、数量等因素会影响钢筋锈蚀过程、以及锈蚀产物的含量等,并且锈蚀产物的含量、结构、微观力学性能等因素会影响对锈蚀产物的锈胀力产生影响。在实际服役过程中,钢筋混凝土构件受到车辆、行人、风荷载、雪荷载等各种变化的荷载,在这些荷载和氯盐腐蚀的耦合作用下导致混凝土耐久性发生变化。因此,从钢筋锈蚀的全过程入手,研究在疲劳荷载下氯离子的微观传输特性以及钢筋锈蚀产物的微观力学性能有实际意义。本文利用分子动力学软件,从在疲劳荷载下的氯离子传输和疲劳荷载下的锈蚀产物的微观力学性能两个方面对钢筋锈蚀到开裂的过程进行了模拟,主要内容如下:(1)在微观尺度上对氯离子传输过程进行了模拟。混凝土是复杂的结构,因此,利用水泥浆体中含量为70%的C-S-H结构作为混凝土的微观结构,选用Tobermorite 11?结构,并且通过验证确定了该结构的可靠性,建立孔径为1.5nm和3nm的C-S-H孔道结构,在孔隙中充满NaCl溶液,3nm孔道结构在无荷载的情况下进行氯离子传输模拟,1.5nm孔道结构分别在无荷载的情况下以及疲劳荷载作用下模拟氯离子的传输过程。得出如下结论:模拟的得到的水分子的扩散系数与实验数据相接近,说明该模拟方法的可靠;比较疲劳荷载和无荷载情况下氯离子的扩散系数,发现疲劳荷载下氯离子扩散系数远远大于无荷载作用时的氯离子扩散系数,说明疲劳荷载能够加快氯离子的传输。(2)利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等现代测试手段,观察不同疲劳荷载工况下钢筋锈蚀产物的含量变化以及锈蚀产物的微观结构,基于实测数据建立锈蚀产物的微观结构模型,利用分子动力学软件LAMMPS模拟纳米压痕试验,并计算锈胀力。得出如下结论:氯盐-疲劳荷载的耦合作用会导致锈蚀产物含量大大地增加,对钢筋混凝土结构产生严重的负面影响;随着疲劳荷载的应力水平的增加,钢筋的锈蚀产物也随之增加,氯盐-疲劳荷载的耦合作用对混凝土耐久性的影响越加严重;计算发现随着应力水平的增加,锈蚀产物的弹性模量也随之增加,锈胀力也会逐渐增大;氯盐-疲劳荷载的耦合作用下的锈胀力与氯盐环境下的锈胀力相比较,有了显著的提高,提高约128.6%;模拟所得弹性模量均处于10~2这个数量级,与实验所得锈蚀产物弹性模量相比偏大,原因是实际锈蚀产物是较为松散的非均匀结构,而在微观尺度上,锈蚀产物是密实的均质结构,模量和硬度均明显大于实际锈蚀产物。