锈蚀会导致钢筋截面减小、混凝土保护层开裂以及钢筋与混凝土之间粘结性能的退化。因此,钢筋锈蚀成为影响钢筋混凝土结构耐久性的重要原因之一。尤其是当保护层开裂后,裂缝为氯离子、氧气、水分和二氧化碳等介质侵入混凝土内部提供新的、快速传输通道,将进一步加速混凝土性能的劣化和钢筋的锈蚀,这种耦合过程和叠加作用对钢筋混凝土结构的耐久性危害极大。混凝土保护层锈胀开裂时间是结构服役全寿命的一部分,也是实际工程中判断结构工作状态的重要依据。因此,深入研究混凝土保护层的开裂时间和锈胀开裂机理对于准确评估钢筋混凝土结构的耐久性服役状态、预测结构的使用寿命,以及提出合理可行的结构维修加固策略具有重要的理论价值和工程意义。本文针对混凝土保护层锈胀开裂问题所做的工作和得出的主要结论如下:（1）对比分析了预测混凝土保护层锈胀开裂的厚壁圆筒模型的演变历程、基本假定、模型精度和优缺点,讨论了模型在圆筒筒数、裂缝构形、开裂区混凝土本构关系和模型参数取值等方面的区别,并利用文献中收集的57组保护层锈胀开裂时间的试验数据,分析了现有模型的预测精度。根据模型特点将现有厚壁圆筒模型进行了分类,指出了现有模型在模型假设和模型参数取值上存在的缺陷。另外,分析了预测保护层锈胀开裂时间的经验模型,并评估讨论了经验模型的预测精度。研究发现:厚壁圆筒模型的发展经历了从单筒、双筒向N环模型的演变过程,开裂区混凝土本构关系分别采用线性、双线性和幂函数型等软化本构关系,不同模型在铁锈填充区厚度和铁锈体积膨胀率等参数的取值上存在较大差异;现有模型无法考虑圆筒外混凝土区域对于铁锈锈胀的约束作用,以及角部钢筋、多根钢筋与中部单根钢筋在保护层锈胀开裂过程上的差别;不合理的模型假设和模型参数取值上的差异是导致厚壁圆筒模型预测精度不足的主要原因。（2）提出了适用于混凝土保护层锈胀开裂过程分析的细/宏观刚体弹簧元模型,揭示了混凝土保护层的锈胀开裂机理和锈胀裂缝的扩展过程,研究了保护层厚度和钢筋直径对临界锈胀压力和临界径向位移的影响规律。通过对比宏观和细观层次下保护层锈胀开裂过程的差异讨论了厚壁圆筒模型的混凝土均质材料假设,并通过对比矩形和圆形截面试件锈胀开裂过程的差异分析了厚壁圆筒模型的圆形截面假设存在的不足。研究发现:混凝土锈胀裂缝的发展分为微裂缝萌生、宏观裂缝形成和主裂缝贯穿三个阶段,粗骨料-砂浆界面过渡区（ITZ）对锈胀裂缝的萌生和扩展存在重要影响;临界锈胀压力和临界径向位移随保护层厚度的增大而增大,随钢筋直径的增加而减小。与宏观数值模型相比,细观数值模型中试件的保护层锈胀开裂时间要早。此外,圆筒外混凝土截面对圆筒区域的作用是一种不均匀约束,由于改变了保护层的开裂模式,因而当圆筒外区域的约束较弱时,矩形截面试件的开裂时间反而早于无约束的圆形截面试件。（3）分别采用通电加速锈蚀试验和力-物质传输耦合数值模型研究了电场作用下和干湿循环条件下,铁锈在混凝土锈胀裂缝中的分布规律。利用数值模型分析了铁锈传输对钢筋-混凝土界面径向位移和混凝土表面裂缝宽度的影响规律,以及钢筋-混凝土界面相对湿度、混凝土内部初始含水率和铁锈饱和溶解度等参数对铁锈传输量的影响。试验结果发现,电场作用下,铁锈在各试件锈胀裂缝中的填充程度分为大量填充、少量填充和无填充等三种情况,但并未出现统计性的填充规律。数值模型的计算结果表明,在本文模型的计算参数下,当钢筋锈蚀400d时,铁锈填充裂缝的体积占总裂缝体积的比值（铁锈-裂缝体积比）约为0.29;钢筋锈蚀1000d后,铁锈在裂缝中的传输质量占总铁锈生成质量的比值（铁锈质量比）约为0.20。考虑铁锈传输时,计算得到的铁锈径向位移和混凝土表面裂缝宽度小于未考虑铁锈传输时的结果。铁锈饱和溶解度越高,铁锈质量比越高,但铁锈-裂缝体积比不受影响;钢筋混凝土界面相对含水量越大,铁锈质量比和铁锈-裂缝体积比越高;初始相对含水量对铁锈-裂缝体积比和铁锈质量比均无影响。（4）分析了铁锈成分和铁锈层结构,并总结了文献中对铁锈体积膨胀率和弹性模量等物理力学性质的研究方法,根据铁锈的本质特征讨论了这些研究方法的合理性,确定了铁锈物理力学参数合理取值范围。研究发现:钢筋周围的铁锈在成分上是由多种单体铁锈组成的混合物,在结构上呈现为性质有差异的多层结构,铁锈的物理力学参数并非确定值,而存在一定取值范围;确定铁锈体积膨胀率的试验推算法和确定铁锈弹性模量的探针试验法是较为准确可靠的方法;根据以上两种方法确定铁锈体积膨胀率的取值范围为2.6-4.0,铁锈弹性模量的取值范围为40-90GPa;在保护层锈胀开裂时间预测时,可以不用考虑铁锈的压缩和铁锈泊松比对开裂时间的影响。（5）总结分析了影响保护层锈胀开裂时间预测中存在的不确定因素,即混凝土材料性质（徐变系数）、电化学性质（锈蚀电流密度、锈蚀电流效率）和钢筋锈蚀模式（轴向非均匀、环向非均匀、点蚀）等因素,发现这些因素的不确定性对保护层开裂时间的预测结果有重要影响;对于模型参数研究不够充分（铁锈物理力学性质）、对材料长期性能时变特征的简化（混凝土徐变系数）、不同锈蚀环境导致的锈胀开裂机理的差异（如钢筋锈蚀模式、电化学性质等）是产生不确定性的主要原因。基于以上分析,针对每种不确定因素提出了改进措施和方法。最后,考虑模型参数取值的不确定性,并基于收集的试验数据,提出了厚壁圆筒模型和经验模型的改进方法。