大气二氧化碳腐蚀环境下混凝土对钢筋的保护亟待加强

2016-12-07程志宏黄光辉潘宗芳贾文学

商品混凝土 2016年9期

关键词：保护层碳化二氧化碳

程志宏，黄光辉，潘宗芳，贾文学

（1. 秦皇岛市建设工程质量监督站，河北秦皇岛 066000；2. 贵州毕节磐石建材有限公司，贵州毕节 551603）

大气二氧化碳腐蚀环境下混凝土对钢筋的保护亟待加强

程志宏1，黄光辉2，潘宗芳2，贾文学1

（1. 秦皇岛市建设工程质量监督站，河北秦皇岛 066000；2. 贵州毕节磐石建材有限公司，贵州毕节 551603）

本文论述了影响混凝土对钢筋保护作用的关键因素。论证了二氧化碳腐蚀环境下按现行标准规范设计、施工、检验验收的混凝土结构，其有效钢筋保护层厚度不足以保证结构在全设计使用期的安全。通过分析调研确认了大气二氧化碳腐蚀环境及人为因素影响下的混凝土结构，其钢筋保护层混凝土质量不足以保证结构在全设计使用期的安全。因此，大气二氧化碳腐蚀环境下混凝土对钢筋的保护亟待加强。

大气二氧化碳浓度；混凝土碳化；钢筋混凝土保护层

1 影响混凝土对钢筋保护作用的关键因素

1.1 钢筋混凝土保护层的厚度

清华大学教授中国工程院陈肇元院士在《钢筋的混凝土保护层设计要求急待改善》一文中指出，混凝土结构的安全使用年限近似与保护层厚度的平方成反比关系。因此，钢筋的混凝土保护层厚度是影响混凝土对钢筋保护作用的主要因素之一。

1.2 保护层混凝土的碱度

建立并维持保护层混凝土较高碱度的碱性环境对保障钢筋表面钝化膜的稳定与完整具有十分重要的意义。

要建立保护层混凝土较高的碱度的碱性环境，需要单方混凝土硅酸盐水泥熟料用量达到一定的水平之上。中国工程院土木水利与建筑学部工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组在《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中，建议单方混凝土水泥熟料用量不低于 240kg。

1.3 保护层混凝土的密实度与抗水、气渗透能力、抗裂性能

要隔绝外部环境因素对钢筋的影响，钢筋的保护层混凝土必须具备一定的密实度。即使拥有再厚的保护层，如果保护层混凝土本身不密实，也是无法为钢筋提供有效保护的。贯穿保护层混凝土的裂缝可成为腐蚀性介质源源不断抵达钢筋表面的通道。因此，只有密实度良好拥有抗水、抗气渗透、抗裂性能的混凝土才能为钢筋提供有效的保护。

2 大气二氧化碳腐蚀环境对混凝土钢筋保护作用的影响

随着人类活动造成的大气污染日益加剧，大气二氧化碳浓度正逐年提高。据联合国最新发布的《年度温室气体公报》显示，地球大气之中所含二氧化碳的浓度与过去 20 年相比，呈现出加速上升的趋势。2013 年，大气中二氧化碳的浓度就达到了有记录以来的最高水平，大气中二氧化碳的平均浓度接近 400ppm——这一浓度水平比工业革命前约增加了40%。目前二氧化碳浓度上升速度之快超过了 1984 年以来的任何时期。因此大气中二氧化碳浓度对混凝土的影响值得关注。

混凝土的碳化是引起钢筋锈蚀影响混凝土耐久性的重要原因之一。氯离子是钢筋混凝土结构在正常使用寿命期间危险腐蚀性介质。正常情况下，钢筋混凝土结构中，钢筋在碱性环境条件下，生成一层厚度很薄的钝化膜，保护钢筋不发生锈蚀。混凝土碳化会削减混凝土对钢筋的保护作用，而对于保护层厚度不足、密实度不良、裂缝较多的低质量混凝土碳化程度则更为严重。碳化超过混凝土的保护层厚度时，钢筋就会开始锈蚀，严重影响钢筋混凝土的耐久性。混凝土碳化对钢筋混凝土结构的耐久性影响不容忽视。

3 大气二氧化碳腐蚀下的混凝土对钢筋的保护作用亟待加强

3.1 大气二氧化碳腐蚀下钢筋的混凝土保护层厚度不足以为钢筋提供有效的保护

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》与 GB 50204—2015《混凝土结构工程质量验收规范》关于钢筋保护层的规定不协调。GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》在没有充分考虑必要的施工偏差对保护层有效厚度的影响的情况下，规定的钢筋的混凝土保护层厚度设计值（表1）明显低于国际知名规范的规定。GB 50204—2015《混凝土结构工程质量验收规范》附录 E 又规定了较大的施工检验允许负偏差。在设计和施工均符合规范规定的理想条件下，能保证的钢筋的混凝土保护层有效厚度仅仅 7～9mm。实际施工过程中这样的理想状态是得不到保障的。而设计单位对混凝土耐久性要求在设计文件中也未全面的详细说明，依据《中华人民共和国建筑法》第五十六条的规定，设计单位在设计文件中应明确规定出混凝土产品的大气二氧化碳腐蚀环境中混凝土抗碳化性能等技术指标。

表1 C30 普通混凝土梁柱构件钢筋保护层厚度设计值/施工检验许可值比较

② 权威组织：指中国工程院土木水利与建筑学部工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组。建议值见《混凝土结构耐久性设计与施工指南》。

③ 权威学者：指西安建筑科技大学徐善华、牛荻涛等人。建议值见《大气环境条件下混凝土最小保护层厚度研究》[1]。

④ 中国施工允许最大负偏差见 GB 50204—2015《混凝土结构工程质量验收规范》附录 E。

3.2 阴阳配合比无法保证保护层混凝土碱性环境稳定性

当前有很多阴阳配合比的情况出现，单方混凝土实际硅酸盐水泥用量普遍远低于有关标准规范的规定和施工图设计文件的要求。以常用的 C30 泵送混凝土为例，根据笔者在全国范围内的调研，单方混凝土普通硅酸盐水泥用量一般在170～ 220kg。

由于国内普通硅酸盐水泥熟料用量一般达不到标准规定的含量（不少于 75%），单方混凝土硅酸盐水泥熟料用量一般在 120～160kg，远低于《混凝土结构耐久性设计与施工指南》单方混凝土水泥熟料用量不低于 240kg 的建议值（表2）。因此，阴阳配合比导致单方混凝土硅酸盐水泥熟料实际用量不足，难以在保护层混凝土中建立与维持确保钢筋钝化膜稳定与完整的碱性环境。

表2 实地调研获得的全国各地搅拌站实际生产配合比单方混凝土硅酸盐水泥熟料含量 kg/m3

表3 标准规范规定的水泥品种与用量 kg/m3

3.3 养护不良导致保护层混凝土密实度变差，难以为钢筋提供保护

要缩短养护时间，就不能使用低成本大掺合料混凝土；要使用低成本大掺合料混凝土，就必须延长养护时间。

面对激烈的竞争压力，当前比较普遍的情况是既使用低成本大掺量矿物掺合料混凝土，但又难以保证必要的养护。片面追求施工进度，早拆模成为常态。由于过早拆模、养护不良等原因，混凝土表层过快失水，形成利于腐蚀介质快速渗透的连通的毛细孔结构。劣化的保护层混凝土难以抵御空气中二氧化碳和水蒸气联合作用形成的碳化腐蚀，一个月龄期混凝土碳化深度一般在 4～6mm，严重者达 10mm 以上。而正常情况下，2 年龄期混凝土碳化深度应不超过 1mm。表3 为 GB 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》规定的养护条件与实际施工养护比较。

3.4 混凝土抗裂性能差，难以为钢筋提供有效保护

有关研究表明，要保证混凝土具备良好的抗裂性能，水泥的比表面积最好不高于 320m2/kg[2-3]。JTG/T B07—01—2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》建议水泥比表面积不宜超过 350m2/kg。

一方面，水泥生产企业为了追求高早强，不断提高水泥细度。另一方面，为了超标加入更多矿物混合材以降低成本，也要尽可能增加细度以保证强度。

因此，水泥生产与销售中也一样存在着严重的阴阳配合比问题。市售量产普通硅酸盐水泥组分中的硅酸盐水泥熟料含量远低于质量证明文件明示的含量。连国家标准《通用硅酸盐水泥》规定的普通硅酸盐水泥中熟料和石膏含量不得低于 80% 的规定都难以达到。

现在国内水泥比表面积大多在 380m2/kg 左右，少数企业的产品比表面积甚至更高，超过 400m2/kg。水泥生产片面追求高细度、大早强，混凝土抗裂性能因此变差，对钢筋的保护作用减弱。尤其是现阶段高浓度二氧化碳的大气条件下，裂缝形成通道，加大了碳化深度，更无法保证混凝土对钢筋提供有效的保护。

表4 GB 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》规定的养护条件与实际施工养护比较

4 加强混凝土对钢筋保护的关键举措

4.1 提高施工检验允许的最低钢筋混凝土保护层厚度

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》应在考虑实际施工偏差情况下，参照美国混凝土规范 ACI318—05 的规定，适当提高钢筋保护层厚度设计值，以保证施工结束后最终钢筋保护层的有效厚度仍满足确保结构在全设计试用期内安全的要求。保证钢筋保护层必要的有效厚度，对对抗大气碳化作用有十分重要的意义。

当然，GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》也可以强调其规定的钢筋保护层厚度不包含施工允许偏差，要求结构设计人员在编制施工图设计文件时应根据实际施工与质量管理控制水平，另行确定施工允许偏差，以规范规定值＋施工允许最大负偏差作为钢筋保护层厚度的设计值。

示例：

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》规定的梁柱混凝土构件钢筋保护层厚度 20mm。

施工允许最大负偏差 -10mm。

施工图设计文件规定的钢筋保护层厚度≥20+10=30mm

4.2 确实保障混凝土质量以达到对钢筋的有效保护

具备良好密实性、抗裂性、较高的碱度的混凝土是保护钢筋不锈蚀的基础。不谈保护层混凝土的质量，单纯讨论保护层混凝土的厚度是没有任何意义的。

如果混凝土自身孔结构不良、抗渗透能力较差，或者混凝土碱度不足以维持钢筋钝化膜的稳定域完整，即使在有效保护层厚度达标的情况下也无法隔绝外界侵蚀性介质到达钢筋表面，不能对钢筋提供有效防护。

4.3 加强养护管理，确保保护层混凝土质量

由于钢筋保护层混凝土处于混凝土结构体的最表层，其水泥水化、孔结构形成、强度增长受养护和其他外界因素的影响比混凝土结构体内部大得多，暴露在大气环境下的混凝土极易因养护不良而得不到质量良好的混凝土保护层。早龄期混凝土碳化深度明显是保护层混凝土质量劣化的重要标志。因此，养护阶段采用合理的养护措施隔绝大气对混凝土的影响，保证混凝土内在的反应完全，防止因暴露在大气条件下形成密实度不良混凝土表面。