基于钢筋保护层厚度的水工混凝土结构耐久性的几个问题

郑德安

（安徽省·淮委水利科学研究院 蚌埠 233000）

1 混凝土结构的耐久性

结构的耐久性主要是通过设计使用年限来体现的。《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T193-2009）第2条对混凝土耐久性作了更为明确、系统的分项规定，即耐久性主要含抗冻性能、抗水渗透及抗冲刷性能、抗硫酸盐侵蚀性能、抗氯离子渗透性能、抗碳化性能的早期抗裂性能。从以上各耐久性分项指标可看出，其性能均与混凝土的密实程度和内部孔隙结构有关（确切地说与混凝土表面质量有较密切关联）。本文着重从混凝土的钢筋保护层质量对结构耐久性的影响进行叙述。

2 存在的问题

在目前的水工结构设计中，部分设计对于耐久性问题更多的只是作为一种概念受到关注，绝大部分的设计虽然明确提出了使用年限的要求，但没有进一步进行专门的耐久性设计。许多设计往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全及耐久。较为典型的是部分工程混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄及构件连接不可靠等。这些倾向在一定程度上导致了部分水利工程结构使用性能差和使用寿命短的不良后果。

设计人员要深入研究问题，要更加重视结构的耐久性问题。一要重视外界有害化学物质对结构、构件及连接部位的侵蚀；二要重视保护层厚度的确定及保护层厚度施工偏差对结构耐久性的影响；三要重视对水工结构疲劳损伤的研究，如研究交通桥梁的过大振动、线形不平顺、接头跳车、结构开裂和过大的变形等；四要充分重视桥梁的超载问题，目前有相当一部分水利工程承担着交通桥作用，因而要进一步对汽车超载对桥梁内部损伤、疲劳应力幅度加大以及对超载带来的后果进行研究、分析。

3 钢筋混凝土保护层问题

混凝土结构中钢筋保护层厚度是指结构中钢筋的外边缘至混凝土外边缘的最小距离。钢筋保护层的作用主要为：

（1）保护钢筋防止锈蚀或延长钢筋的锈蚀进程，以满足耐久性的要求；

（2）保护层能增强钢筋的耐火能力；

（3）保证钢筋与混凝土的共同作用，由于混凝土内水泥颗粒的水化作用形成了凝胶体同时体积收缩，使混凝土与钢筋表面凹凸不平产生机械咬合力，使钢筋可靠地锚固在混凝土内，有效地发挥钢筋和混凝土共同工作的作用。因此说，钢筋保护层厚度是基于耐久性、防火和粘结力所需的厚度。

4 钢筋混凝土保护层厚度的确定

水工混凝土结构大部分处于露天或室内高湿度环境中，其结构的使用寿命基本取决于保护层完全碳化所需的时间，因此受力钢筋的混凝土保护层厚度应根据不同等级的混凝土在设计基准期内碳化深度来确定。目前的水利规范只有《水闸施工规范》（SL27-91）和《水工混凝土结构设计规范》（SL/T191-96）对混凝土保护层厚度提出了具体明确的最低限度要求。规范所提出的最低限度要求，即所谓的设计厚度，就是在设计中用于构件强度及变形计算和标注于施工图上的保护层厚度。而国外设计规范规定的保护层设计厚度中，一般都包含了保护层厚度施工时的允许偏差值，即设计厚度是在结构耐久性、防火和粘结力所需厚度的基础上，应再加上保护层厚度的施工允许偏差值的绝对值。除此以外，作为设计要求，保护层的设计厚度还应具有一定的安全富裕度或保证率。很显然施工图上要按以上分析的3条标准标注，会使实际工程的保护层厚度增加，而保护层厚度增大后，由于荷载作用引起的构件横向表面弯曲裂缝的最大宽度会增加，但对构件的耐久性来说仍然有利。钢筋锈蚀作为一种电化学反应，随着保护层厚度的增加，渗入到内部参与锈蚀反应的氧和水分等物质肯定会减少，必然会降低锈蚀的速度。控制裂缝的最终目的是为了提高耐久性，为了减少构件表面的横向裂缝宽度而限定保护层厚度，显然有失偏颇。

5 钢筋混凝土保护层厚度误差出现的原因

钢筋保护层厚度出现误差的原因是多方面的，与混凝土施工有关的工序质量均可对保护层厚度误差产生影响，如：

（1）模板变形、加工粗糙、表面平整度不够、模板架立偏位造成截面尺寸误差。

（2）钢筋平直度不够，受自重或外力作用而弯曲变形；钢筋的加工、计算、放样成型不准；绑扎搭接偏离、重叠等。

（3）钢筋架立误差。如网架定位误差；网架运输变形；保护层垫块过稀或脱落后网架变形等。

（4）垫块误差。如保护层垫块制作时厚度偏差大，与钢筋网连接不牢靠等。

（5）施工浇筑误差。如拌和料入仓时直接冲击钢筋，使钢筋弯曲、变形；振捣致使钢筋、模板偏移；震动引起绑扎扣松散；混凝土尚未凝固硬化，便在其上堆积重物或遭人为践踏等。

6 钢筋混凝土保护层厚度施工允许误差的确定

根据日本科学家的调查研究，假定混凝土的平均碳化深度偏差及保护层的施工误差符合标准正态分布，将钢筋刚刚出现断面锈损的长度与钢筋总长之比（P）作为钢筋锈损率，则对于龄期为t的混凝土中钢筋锈损率可用下式计算，其对应的结构损伤特征如表1。

室外露天场合：

其中：t——混凝土的龄期；

Ct——t龄期的平均碳化深度；

V——t龄期碳化深度离散系数；

σ——保护层厚度的施工标准差；

D——保护层厚度的施工实际测点值；

SL——设计保护层厚度。

表1 钢筋锈损率对应的结构损坏征状

7 现行规范对钢筋混凝土保护层厚度施工误差的要求

现行的《水闸施工规范》（SL27-91）第6.3.9条对钢筋保护层厚度提出了最低要求，同时第6.3.8条又对钢筋安装时保护层厚度的允许偏差作了规定；《水工混凝土结构设计规范》（SL/T191-96）第9.2.1条基于环境条件类别，规定了钢筋保护层最小厚度值；《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144-2001）则对保护层最小厚度值及施工允许偏差无具体规定；《泵站施工规范》（SL234-1999）第5条对钢筋安装时钢筋保护层的允许偏差作了规定；《水电水利基本建设工程单元工程质量等级评定标准》（DL/T 5113.1-2005）第18.4条规定了钢筋安装时钢筋保护层厚度的允许偏差值，并且规定了工序质量的评定，合格标准为一般项目不少于70%的检查点符合质量标准，而优良标准为一般项目不少于90%的检查点符合质量标准；《水工混凝土钢筋施工规范》（DL/T5169-2002），是以原《水工混凝土施工规范》第三章独立出来的，第7.1条规定了钢筋的钢筋保护层厚度安装时的允许偏差，其允许偏差数值与（DL/T 5113.1-2005）的规定值相一致。针对房屋建筑工程的2本规范，《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）第9.2条基于环境类别规定了受力钢筋保护层厚度的最小值；另1本与之相对应的《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204-2002）（2011年版）对浇筑成型的房屋建筑工程实体的钢筋保护层厚允许偏差有具体的要求，同时对实体检验的部位、数量及检验评定标准提出了具体要求。

综合以上各规范对钢筋保护层最小厚度要求，均是基于混凝土环境条件、构件类别设计基准期及混凝土的强度等级等诸多条件综合确定的，但其数值均不包括钢筋施工时的允许偏差；而对钢筋安装的保护层允许偏差各个规范规定的不尽相同，有的规定偏严，有的规定则偏松（如DL/T 5113.1-2005和DL/T 5169-2002中对钢筋保护层允许偏差值规定的过大）。例如，某一水闸工程如按规范SL 27-91第6.3.9条的规定，对闸墩钢筋的混凝土保护层最小厚度取50mm，进行图纸标注施工。再如按规范DL/T 5113.1-2005和规范DL/T 5169-2002对钢筋安装质量进行工序验收，则厚度测点在37.5～62.5mm范围内均为合格点，因钢筋安装仅是混凝土工程的一道工序，实体质量应是模板、断面控制、浇筑等几道工序的综合协调，如按目前的有关水工混凝土施工规范规定，该闸墩外露结构断面尺寸允许偏差为20mm，平整度允许偏差为10mm，如允许偏差下限的3项测点叠加于一处，则该测点处的实际保护层厚度只有7.5mm（只达到设计最低要求的15%），该点也作为合格点处理显然是不对的。对于水工结构中断面较小的部位如薄壁墙、梁、柱等，规范对最小保护层厚度规定的更小，因此在实际施工过程中更应严格控制各工序施工质量，以免出现外观尺寸和保护层厚度偏差叠加后，局部实体保护层厚度过小的情况（尽管此种情况在实际工程出现的可能性很小）。

8 钢筋混凝土保护层混凝土的质量问题

钢筋保护层的混凝土质量及厚度是钢筋混凝土结构耐久性最根本保证。保护层的混凝土质量如振捣不密实和养护不良，会严重削弱表层混凝土的密实性和阻止外部有害物质侵入的能力，可使表层混凝土抗渗性能成倍降低，给混凝土结构的耐久性带来致命伤害。混凝土表面得不到充分养护，在干燥、风大的季节，其表面失水过快，将形成一层气干层，致使该区域内水化反应提前结束，强度不再增长，造成构件表面强度较低；而这一气干层的存在，将使得混凝土表面早期碳化速度加快，继而产生混凝土表面碳化加深与表面强度降低伴生的现象；尤其是对掺加粉煤灰的混凝土，表现更为明显。人们往往比较重视养护不良对混凝土构件承载能力的影响，而与耐久性相比，养护不良对承载力的损害要小得多。当然养护的影响与混凝土胶凝材料的品种与组成、环境湿度以及不同的养护方法有很大关系。

垫块既有控制保护层厚度的作用，其本身也是保护层的组成部分，如果垫块的制作安装质量不高，不能保证尺寸、强度和密实性，则垫块部位就可能成为钢筋锈蚀的薄弱点。为此，首先应该推广使用工厂定型生产的钢筋定位垫块或定位夹，提高钢筋施工安装的定位精度，以保证钢筋的保护层厚度及质量。目前我国尚没有针对保护层垫块设计、制作及安装的技术标准。近几年定型的塑料定位夹在国内的建筑工地已经广泛应用，但应注意须用合格的工程塑料制造，对处于水位变化区的水工钢筋混凝土结构建议不用塑料定位夹或垫块。其次，在浇筑前宜通过重复检查，提高保护层厚度尺寸的保证率。

9 减小钢筋保护层误差、提高结构耐久性的途径

（1）设计、施工是使用管理的前提。在设计方面要对耐久性进行专门的设计，除要对结构强度在计算上满足目前规范的安全需要外，还应在结构体系、结构构造、结构材料及施工养护、结构维护、使用全过程提出明确要求。

（2）作为图纸标注的保护层厚度，在满足目前规范最低厚度要求的前提下，宜再增加10%～20%的保护层厚度的施工误差，以弥补因施工引起的保护层不足，同时控制其上限值。

（3）为保证结构耐久性，工程验收前针对保护层厚度及质量应增加结构实体检验环节 (目前的水利规范主要是针对施工工序的质量检查及验收，没有针对结构实体的验收标准)。而规范GB50204-2002（2011年版）中虽有针对结构实体保护层厚度的检验及判定标准，但其主要是针对建筑工程上的梁、板结构，并不适合水工建筑物的主体结构。

经对目前的各种标准、规范中对钢筋安装允许偏差数据的比较分析，建议水工钢筋混凝土结构实体钢筋保护层的允许偏差值，按标准DL/T5113.1-2005和规范DL/T 5169-2002要求取值，检验部位和数量可参照规范GB 50204-2002（2011年版）中针对结构实体的检验方式进行，而判定合格与否的标准仍按标准DL/T 5113.1-2005的要求进行，即实体钢筋保护层检测的检查点需有70%以上符合设计和允许偏差要求为合格，检查点需有90%以上符合设计和允许偏差要求为优良。

（4）钢筋混凝土保护层是抑制混凝土碳化导致钢筋锈蚀的唯一屏障，而良好的养护是提高混凝土结构耐久性最为经济、有效的途径，也是控制混凝土施工早期表面裂缝的重要保证。这就要求在设计、施工时应随混凝土的不同胶凝材料、工程的耐久性要求、施工现场的温湿度等环境要求提出明确的养护方法及期限，这里重点是与保护层混凝土质量有关的施工养护，对有粉煤灰掺合料的钢筋混凝土结构（或构件）尤其重要。

（5）混凝土构件中最外侧的箍筋和分布筋首先锈蚀并导致混凝土顺筋开裂和剥落，对其保护层厚度的要求也应引起足够的重视。

（6）开展保护层厚度规范化研究，开发制造有利于减少误差的模数化和定型化的钢筋定位垫圈、帽、扣、套等建筑用品，替代砂浆垫块，可以大幅度提高施工精度，从而提高结构耐久性。

（7）要加强施工管理，为保证保护层厚度符合设计要求，施工时模板表面应尽量做到平整，模板的加工、架立也应尽可能准确，以减小构件的成型截面偏差。钢筋要严格按规定要求加工，搭接要牢固，搭接位置要合理，较粗的钢筋应尽可能采用对焊连接，避免过多的旁接和绑接。要保证网架不变形，定位要准。特别应强调的是混凝土浇筑下料前应对尺寸进行全面检验。拆模后，对极少量的露筋等应及时凿除重浇或采取表面补救措施，防止钢筋锈蚀，保证结构耐久性