轨道交通工程钢筋保护层检测与控制研究

2020-10-10丁双双柏静怡

工程质量 2020年8期

丁双双，徐可，柏静怡

（1.苏州中正工程检测有限公司，江苏苏州 215129；2.苏州方正工程技术开发检测有限公司，江苏苏州 215123）

0 引言

轨道交通工程是惠及千家万户的民生工程，其使用时间久，负荷强度大，被破坏后后果极其严重。钢筋保护层厚度的控制是轨道交通工程质量控制的重要环节。我国对于轨道工程的钢筋保护层设计与验收均是参照房屋建筑的标准规范。但是相较于普通建筑结构，轨道工程有如下特点：①构件尺寸大；②钢筋直径大，根数多；③设计使用年限长；④结构一般位于地下，温差小，湿度大。轨道工程直接套用房建工程的验收规范的合理性有待商榷。普通的混凝土制间隔件和塑料制间隔件也常不能承受钢筋骨架等荷载而被压碎、折断，有必要找出新的保护层控制间隔件。

1 钢筋保护层重要性分析

钢筋混凝土结构利用了混凝土抗压强度高、钢筋抗拉强度高的优点，钢筋保护层是保证两者协同工作的前提条件。一般认为钢筋保护层具有三个作用［1］。

1.1 保证钢筋和混凝土整体受力

规范要求，当充分利用钢筋的抗拉强度时，保护层必须达到一定的厚度，才能保证混凝土与钢筋之间的握裹力。一旦钢筋与混凝土之间丧失握裹力，钢筋极易产生体外位移和屈曲，混凝土被拉断，发生质量安全事故。

1.2 耐久性作用

钢筋保护层保护钢筋在设计使用年限内不会发生危及结构安全的锈蚀，保证结构的耐久性。钢筋混凝土耐久性的年限可以按照式（1）计算［2］：

式中：t为钢筋混凝土结构的剩余年限，年；t0为检验碳化深度时，结构的龄期，年；D为受力钢筋的保护层厚度，cm；X为检验时结构的碳化深度，cm。

因此当钢筋保护层厚度减小一半，耐久性年限只有原设计年限的 1/4，钢筋保护层厚度对确保工程的使用寿命至关重要。

1.3 防火作用

混凝土一般可以承受 700℃ 高温，钢筋在 400℃ 以上，首先钢筋屈服强度急剧降低，同时钢筋的晶格改变而忽然膨胀，会影响混凝土与钢筋共同受力。将钢筋包裹在混凝土内部，可以缓解钢筋的温度，缓解结构倒塌失效时间，为人员以及物质疏散提供宝贵的缓冲时间。如果保护层过薄，发生火灾时结构容易开裂，钢筋失效，结构容易破坏［3］。

2 我国与发达国家对最小钢筋保护层设计值的比较分析

在我国建筑结构实际使用过程中，未达到设计使用年限就发生梁底、板低钢筋锈涨的现象屡见不鲜，如图 1 所示。造成这一现象的主要原因就是施工质量不达标，保护层厚度不符合设计要求，同时我国规范对于最小保护层厚度设计的要求偏低也是不可忽略的因素。陈肇元院士指出，现有规范规定的最小的保护层设计值除了处于一级环境类别的混凝土结构外，不能满足设计使用年限内避免钢筋严重锈蚀的要求［4］。

图1 板底及梁底钢筋锈涨露筋

如表 1 所示，对比我国与发达国家的保护层最小限值发现，我国对各类构件的最小保护层设计值均小于发达国家保护层限值［5-6］。按照公式（1）计算发现，发达国家结构的耐久性年限是我国的 1.8～4 倍，这也是发达国家百年历史的建筑随处可见的原因。我国对于钢筋混凝土保护层的允许偏差范围是梁类构件（+10，-7），对于板类构件为（+8，-5）［7］。因此，保护层设计值为 25 mm 的梁构件，实测保护层厚度为 40 mm 时，在我国已经属于不合格范围，而在发达国家恰好刚达到设计值。通过与发达国家的最小保护层限值对比以及我国混凝土结构的实际使用效果，表明我国保护层限值偏小。

表1 我国与不同国家对于最小保护层设计值

我国建筑施工仍属于粗放型施工，工人的施工素养远达不到发达国家的经过专业培训的施工人员，而我国对于保护层的偏差范围却严于发达国家，例如美国对梁构件的允许偏差为 13 mm，欧洲国家允许偏差为 10 mm。规范对偏差规定的过于严格，以至于不符合现阶段的施工实际，这必将给施工控制、合格验收带来困难［2］。

我国验收规范对于保护层的允许偏差范围与保护层设计值的大小无关。如图 2 所示，假若某梁当保护层设计值为 25 mm时，最小合格值为 18 mm，耐久性使用年限为设计使用年限的 0.52 倍，最大合格值为 35 mm，耐久性年限为设计使用年限的 1.96 倍；当保护层设计值35 mm 时，最小合格值为 28 mm，耐久性年限为设计使用年限的 0.64 倍，最大合格值为 45 mm，此时耐久性年限为设计使用年限的 1.65 倍。因此，保护层限值偏差对于不同保护层设计值的耐久性年限减小或者增加不统一，其合理性有待研究。

图2 允许偏差对不同设计值构件的耐久性影响

3 轨道交通工程与普通房建工程的差异性分析

我国对于轨道工程的钢筋保护层厚度的验收规范采用的是房建工程的验收规范，可是轨道工程与房建工程有较大的差异。

3.1 构件截面差异

钢筋保护层偏大会减小构件的有效截面高度，降低构件的承载能力。普通钢筋混凝土单筋梁的受弯承载力计算公式见式（2）：

式中：α1为应力等效系数；fc为混凝土强度设计值，MPa；b为构件截面宽度，mm；h0为构件的有效截面高度，mm；x为受压区高度，mm；f′y为钢筋抗压强度设计值，MPa；A′s为受压钢筋面积，mm2；α′s为受压边缘到受压区纵向受力钢筋合力作用点之间的距离，mm。

表 2 为当保护层偏厚，对普通构件与轨道构件受弯承载力的影响。普通房建构件截面尺寸较小，保护层偏厚对于承载力降低有较大影响，但是轨道交通工程构件截面尺寸远大于房建构件的截面尺寸，同时，轨道工程为百年工程，有足够的安全富余系数，保护层偏厚，承载力降低可以忽略不计。

表2 保护层偏厚对不同构件受弯承载力的影响

3.2 环境差异

当温差变化较大时，钢筋混凝土构件的内部产生较大温度场应力，该应力由表及里，逐渐减小，当保护层较大时，钢筋对于温度应力的抵抗效果较弱，混凝土容易被拉裂，所以限制钢筋保护层过厚的另一个原因是利用钢筋抵抗温度应力，减少混凝土开裂。但是轨道工程位于地下，外界环境影响较小，且常年打开温控设备，温差变化极小。所以混凝土的温度应力较小。

轨道工程一般位于地下，环境类别一般属于Ⅱa 类，普通房建工程室内环境类别为Ⅰ类，所以轨道工程环境湿度一般较大。此外，轨道工程作为公共工程，人流量极大，空气中 CO2的含量也较高。高湿度与高 CO2含量造成轨道工程混凝土的碳化速度更快，轨道工程的结构构件需要更大的钢筋保护层厚度。

4 轨道交通工程钢筋保护层厚度检测

现有的钢筋保护层检测采用最多的是电磁感应法。由于轨道工程配筋量特别大，不但钢筋直径大，而且钢筋间距极小，形成“钢筋板”，钢筋之间相互影响，钢筋保护层扫描仪测得的钢筋保护层厚度均存在较大误差。JGJ/T 152－2008《混凝土中钢筋检测技术规程》规定，当其他钢筋对检测有影响时，应采用局部破损对其进行修正。文献［8］提出当钢筋钢筋直径的比值＜3时，需要对检测值进行修正。现阶段精准的测量方法是无损测量加上局部破损测量修正的方法。由于轨道交通工程是百年工程，一般禁止对构件进行局部破坏。为解决钢筋间距太小引起的测量误差同时不破坏原有结构，本文通过浇筑等同于轨道交通工程配筋的试件，验证仪器测量值与实际保护层厚度的关系，为更精确地测量轨道交通工程构件的保护层厚度提供技术参考。

4.1 试件设计

浇筑等同于轨道工程实际配筋形式的梁和板构件，具体设计参数如表 3 所示，试件的加工及检测如图 3 所示。

表3 梁板试件的设计参数 mm

图3 试件现场加工

4.2 试验结果

仪器检测与局部破损采用游标卡尺的检测结果，如表 4 所示。梁构件仪器检测结果约为局部破损测量值的 0.85 倍，这就表明了钢筋间距小，相邻钢筋对检测值影响较大，仪器测值明显小于实际钢筋保护层值，需要对仪器测量结果进行修正。具体的修正系数需要根据钢筋直径、钢筋间距、钢筋保护层厚度有关，需要大量的试验数据进行拟合确定。

表4 仪器测值与破损测值对比

板构件仪器测值与局部破损实测值相近，板构件仪器检测结果约为局部破损测量值的 0.94 倍，钢筋间距较大后，相邻钢筋对检测结果的影响较弱。板类构件仪器的精度可以达到工程实际的精度要求。

5 现阶段施工中对钢筋保护层控制存在的问题

5.1 使用混凝土制间隔件

我国现阶段施工中常采用绑扎砂浆（混凝土）间隔件的方法，如图 4 所示。混凝土间隔件强度低、绑扎不牢固。绑扎、浇筑、振捣都容易使其脱落、移位、折断，在板底放置间隔件甚至会被压碎。实际工程应用中，砂浆（混凝土）间隔件一般在工地现场制作，强度、尺寸随意性大，而混凝土间隔件的强度、密实度、尺寸均无相关的检测标准，这给验收带来困难。这也是造成钢筋保护层厚度不符合设计的主要原因。此外，混凝土间隔件绑扎位置随意，常常会对保护层的控制出现较大的偏差。日本已经明确规定不得采用混凝土制间隔件。

图4 混凝土制间隔件使用中出现的问题

5.2 使用垫筋

轨道交通工程配筋率高，单根钢筋质量大，钢筋绑扎难度大，在板底或梁底布筋时，现场实际施工过程中，间隔件上经常放一根玻璃纤维筋便于钢筋绑扎。但是垫的钢筋圆度，以及和间隔件高度的配合难以精确达到设计的保护层厚度，容易使保护层偏厚或者偏薄。同时垫筋刚度小，在上部钢筋骨架荷载作用下，产生较大的挠度，最终保护层厚度控制值不均匀，偏差较大，给保护层控制带来难度，如图 5 所示。

图5 间隔件配合垫筋的使用示意图

5.3 使用塑料间隔件

塑料间隔件通过工厂统一生产，加工精度高，但是其稳定性、刚度有欠缺，在作为间隔件被压裂、变形的现象时有发生。同时，混凝土与塑料间隔件的粘接性能差，塑料间隔件与混凝土的黏合效果差，容易在塑料和混凝土之间形成间隙，环境介质通过缝隙腐蚀钢筋。塑料制品在发生火灾时，外露的塑料焚烧会产生大量有毒有害气体。

6 钢制间隔件在轨道工程中的应用效果

为解决混凝土制间隔件和塑料制间隔件对保护层控制的缺点，采用一种新型钢制间隔件，该间隔件具有保护层控制效果好、控制厚度可以随意变化，费用较低等优点（见图 6）。

图6 钢制钢筋保护层控制间隔件

为了对比钢制间隔件与混凝土制间隔件对保护层控制的效果，以某轨道工程的柱、剪力墙进行实际工程应用效果评价，如图 7 所示，检测数据如表 5～表 6 所示。

图7 混凝土制间隔件与钢制间隔件的应用效果现场验证

根据表 5 和表 6 所示，对剪力墙构件，采用钢制间隔件保护层合格率为 100 %，采用混凝土制间隔件保护层合格率为 83.3 %；对柱构件，采用钢制间隔件保护层合格率为100 %，采用混凝土制间隔件保护层合格率为 33.3 %。根据图 8 所示，采用钢制间隔件，保护层测值差异较小，采用混凝土制间隔件的曲线上下波动较大，表明混凝土间隔件控制质量离散性较大。