混凝土等水泥基材料劣化，主要体现在微结构破坏和胶凝力下降，导致开裂、剥落和承载能力降低等病害。劣化原因既可分为物理作用、化学作用和机械力作用；又可根据内在和外在因素分为内因和外因。①物理作用，如热胀冷缩、湿胀干缩、水的溶蚀、冻融和盐结晶产生膨胀压致使混凝土开裂等（图1）。②化学作用，主要有外部酸性腐蚀介质侵蚀使得混凝土中性化、氯离子破坏钢筋钝化膜致使混凝土锈胀开裂、碱骨料反应形成膨胀产物导致混凝土开裂和细菌腐蚀开裂等（图2）。③机械力作用，主要有荷载超限、冲击荷载、磨蚀、冲蚀、气蚀。碱骨料反应是内在劣化因素的代表，而外荷载、腐蚀介质侵蚀、环境温差等因素都属于外因。

图1 混凝土极端干燥大温差开裂（左），冻融剥落破坏（右）

图2 混凝土钢筋锈蚀剥落（左），碱骨料反应开裂（右）

钢材的劣化往往是在腐蚀介质和交变应力共同作用下，腐蚀疲劳导致钢材性能失效，而脆性断裂是腐蚀疲劳的主要病害。影响钢材腐蚀的主要影响因素有钢材固有性质、腐蚀环境（空气温湿度、含水量、盐含量等）和其应力状态。钢材的疲劳则主要受其受力方式、轴向应力幅、弯曲应力及其腐蚀状态等因素的影响。

实际工程中，土木工程材料往往遭受多种因素的共同侵蚀，即受到耦合劣化作用的影响。对于水泥基材料，可以是某一项物理原因与某一项化学原因的耦合，也可能是某几项物理原因与某几项化学原因的耦合。例如，在中国北方冬季，路面抛洒除冰盐，混凝土桥梁易受到冻融和氯盐侵蚀耦合作用，混凝土保护层剥落和钢筋锈胀破坏现象加剧。另外，在海洋环境下，干湿交变区钢筋混凝土结构易受到干湿循环、氯盐和硫酸盐侵蚀耦合作用影响，钢筋混凝土结构过早出现锈蚀、开裂和失效现象时有发生。对于钢材，长期荷载下钢材和钢结构的应力疲劳和环境腐蚀耦合作用，易造成钢材横截面减小、承载力下降。尤其是在火灾等高温环境下，应力和高温耦合作用，钢结构承载力急剧下降、突然失效现象显著。

土木工程材料劣化后，由于微结构损伤一般会导致弹性模量的降低，抗拉抗压强度的下降、极限强度降低等宏观性能劣化，从而可以通过弹性模量、抗压抗拉强度、极限强度等参数对土木工程材料的劣化程度进行表征。具体而言，混凝土材料劣化程度一般通过质量、强度和模量下降程度表征。冻融过程中，混凝土内部孔隙变粗、孔隙率增大，动弹模量下降，混凝土抗冻等级评价采用抗压强度下降不超过25%、质量损失不超过5%、相对动弹模量不小于60%作为最大冻融循环次数的极限状态。钢筋混凝土锈蚀破坏过程是一个由外而内的离子侵蚀-锈蚀反应-锈胀破坏过程（图3），耐久性设计极限主要考虑钢筋锈蚀，在氯盐环境中，氯离子扩散到钢筋表面达到临界氯离子浓度（1.3～2.1千克/米³），在一般环境中，碳化达到钢筋表面即达极限状态。碱骨料反应主要通过控制原材料质量来预防，其中硅酸盐水泥含碱量需不大于0.6%，混凝土含碱量需低于3.1千克/米³。钢材的腐蚀劣化测定方法包括失重率、强度损失率、有效直径比、电化学阻抗、半电池电势法测试等，其中半电池电势法通过现场测得电势值判断钢筋锈蚀概率，从而可以快速判断钢筋混凝土锈蚀程度。锈蚀钢筋可靠性评定的刚度和承载力计算时，钢筋锈蚀截面损失率≤5%且锈蚀比较均匀时，取未锈钢筋的屈服强度，锈蚀截面损失率≥5%时，屈服强度需考虑截面损失折减系数；当锈蚀截面损失率大于12%时，必须通过专项论证确定。

图3 钢筋混凝土离子侵蚀-锈蚀反应-锈胀破坏全过程示意图

鉴于复合劣化研究的难度，在对水泥基材料和钢材的性能研究、结构设计等环节中，研究人员通常将劣化因素人为地加以区分、剥离，进而针对某一种劣化因素进行研究和设计，寻找控制或减缓技术。对于水泥基材料，由于多种环境耦合作用的叠加研究很难实现，多因素耦合作用下的劣化机制是研究的热点；对于钢材，腐蚀机理、腐蚀等级、性能评估的研究和理解相对较完善，疲劳试验和研究也较容易实现。但是，钢材的腐蚀和疲劳耦合性能研究及使用寿命预测则较为缺乏，还需要大量的研究和实践总结提炼对机理和性能劣化的理解。结合现有对于复合劣化作用效果的有限理解，在研究和设计中，通常采用每种劣化因素作用下最不利的条件作为控制标准。