混凝土结构中保护层厚度作用及质量控制分析

2014-07-16卢松

山西建筑 2014年13期

卢松

(阜阳市建设工程质量检测站，安徽阜阳 236000)

钢筋混凝土结构中的钢筋保护层厚度，一般是指结构构件钢筋外包裹的那部分混凝土层的厚度，钢筋保护层具有防止钢筋锈蚀，粘结锚固，传递荷载，保证结构的耐火性和抗冻性等作用，它的质量控制关系到工程质量和结构使用寿命。

1 钢筋保护层厚度所起的作用

1)保证混凝土结构受力性能。混凝土结构中钢筋能够承载受力是因为:混凝土与钢筋之间的握裹力和摩擦力相互作用的结果(即粘结锚固作用)。这种粘结锚固作用很大程度上取决于钢筋表面混凝土的厚薄，即保护层厚度。试验研究表明，钢筋在混凝土中的保护层必须具有一定的厚度，才能保证混凝土与钢筋之间的握裹力。如果钢筋保护层厚度过小，钢筋过于靠近结构构件的外表面，容易造成露筋或钢筋受力时外表面混凝土开裂、剥落，致使握裹力减小。另一方面，如果钢筋保护层厚度过小，表层混凝土将随着时间的推移而逐渐碳化，外边缘钢筋将失去保护作用而锈蚀，也会致使握裹力减小，使粘结锚固作用降低，严重时会导致整个结构体系的破坏、倾覆。因此，钢筋具有一定厚度的保护层是其正常受力的基础。2)保护钢筋不锈蚀，确保结构的耐久性。钢筋混凝土结构之所以经久耐用，这是由于钢筋混凝土结构的耐久性能非常好。众所周知，素混凝土结构抗压性能与抗腐蚀性能较好，抗拉、折性能较差;而钢筋抗拉、折性能良好，抗腐蚀性能就远不如混凝土了，钢筋混凝土复合结构恰恰就应用了这两类材料各自的长处，混凝土提供了足够的抗压能力，同时混凝土的碱性环境包裹亦能够保护混凝土结构中的钢筋免遭大气中的CO2和H2O锈蚀，而锈蚀后的钢筋由于体积膨胀导致结构表面疏松，这样又加速了混凝土的碳化，二者相互作用，则形成一个恶性循环链条，从而降低了结构中混凝土与钢筋间的粘结锚固作用，使得结构承载力降低，而导致混凝土耐久性降低。实验研究表明，碳化随时间的变化快慢与钢筋外表面混凝土的厚薄(即保护层厚度)有关，因此，保证结构中钢筋具有一定厚度的混凝土保护层，是结构耐久性的需要。3)保证结构的耐火性和抗冻性。房屋建筑火灾中结构受损的主要原因是结构中的钢材受到高温作用而导致强度降低，严重时能使结构丧失承载力而倒塌，如“911”事件的世贸中心双子楼因高温致使结构丧失承载力而倒塌。因此，结构中钢筋外包裹一定厚度的混凝土保护层可以延缓钢筋的升温过程，以满足结构构件的防火等级要求;冰冻或冻融也会引起表面混凝土冻胀开裂，严重时也会影响混凝土与钢筋之间的粘结锚固。由于它们都是由表及里的破坏模式，所以增大保护层厚度是有效的防护措施。

2 保护层厚度的确定

1)在混凝土结构设计时，如果我们采用较大的钢筋保护层厚度，从混凝土结构设计原理我们知道，这样会造成截面有效高度的变小，可能使得钢筋混凝土结构承载力降低，严重时可能导致结构的倾覆、破坏。然而从钢筋混凝土的粘结锚固和结构的耐久性方面考虑，则应加大钢筋混凝土结构中钢筋保护层厚度，以得到足够的锚固承载能力和耐久性。因此，在钢筋混凝土结构设计和施工过程中，应综合考虑粘结锚固、耐久性、截面有效高度三个因素。在确保粘结锚固和耐久性的条件下，尽可能取较小的保护层厚度，从而达到节约钢材，降低资源能耗及建筑成本的效果。规范中规定的最小保护层厚度的取值，正是依此考虑的。2)最小保护层厚度取值确定。伴随国民经济飞速增长，各项建设事业虽然取得巨大成就，但是也付出了巨大的资源浪费和环境破坏的代价，现如今我们将面临的是环境污染和资源枯竭的巨大挑战，如酸雨、土地盐碱化等。因此，为了促使节能减排，相关部门根据实际情况一方面严控、淘汰高能耗钢材生产企业，推广高强钢筋的应用;另一方面在新版本的GB 50010-2010混凝土结构设计规范及11G101-1混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图图集中，重新定义了保护层厚度，适当提高了保护层最小厚度的实际限值，增强结构防火性能及抗冻性能，以提高结构耐久性。

3 GB 50010-2010混凝土结构设计规范中钢筋保护层最小厚度的基本值

1)给定了保护层厚度最低限度的要求。a.构件中受力钢筋保护层厚度不应小于钢筋的公称直径d;b.设计使用年限为50年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度应符合表1的规定;设计使用年限为100年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度不应小于表1中数值的1.4倍。

表1 混凝土保护层的最小厚度c mm

2)与GB 50010-2002混凝土结构设计规范比较。a.环境类别的划分更加详细，对当前结构构件所处的恶劣环境分类相对于原规范更加详细，相应的保护层厚度也有所增大;b.根据混凝土碳化反应的差异，按平面构件(板、墙、壳)和杆状构件(梁、柱、杆)分两类确定保护层厚度，表中不再考虑强度等级的影响，C30及以上统一取值，C25及以下均增加5 mm;c.从当前混凝土结构实际考虑，不再以纵向受力钢筋外边缘，而以最外层钢筋(包括箍筋、构造筋、分布筋等)的外边缘计算保护层厚度。因此，修订后保护层实际厚度比原规范实际厚度有所加大;d.考虑碳化随时间增加的影响，使用年限为100年的结构，保护层厚度数值取表1中对应数值的1.4倍;e.为保证基础钢筋的耐久性，根据经验基础底面要求做垫层，基底保护层厚度仍取40 mm。

4 钢筋保护层厚度的质量控制

混凝土结构钢筋保护层的质量关系到混凝土结构的内在质量，因此为提升工程质量，加强对钢筋保护层厚度质量控制，应从以下几方面考虑:

1)设计人员应在结构图中列出本结构构件在当前各自环境条件下的钢筋保护层厚度取值，施工、监理单位亦应认真做好图纸会审及对各施工班组的技术交底;2)提高相关技术人员专业知识和技术水平，技术人员在实际操作中不能仅凭经验，应仔细认真查看图纸及查阅相关资料。施工、监理单位应开展定期培训，以提高相关技术人员的专业知识和技术水平，提升技术人员的质量意识;3)加强对标准垫块的管控及使用工作，施工单位应加强对标准垫块、支撑马墩使用位置、使用数量的设计控制，避免垫块的乱用、混用，施工、监理单位都要认真做好钢筋工程中垫块的隐蔽验收;4)施工、监理单位应定时复查模板及支撑垫块质量和数量，避免出现因模板及支撑质量偏差引起的钢筋保护层过大或过小现象;5)混凝土浇筑过程应派专人统一指挥，规范操作，避免在已经绑扎验收的钢筋网上放置设备及乱踩乱踏。施工单位应做好对成型混凝土的养护及保护工作。