混凝土保护层厚度和质量对结构承载力和耐久性的影响.doc

混凝土保护层厚度和质量对结构承载力和耐久性的影响Influences of Thickness and Quality of Concrete Protector on the Strength and Durability of Concrete 1 引言混凝土结构设计规范（GB500102002）和混凝土结构工程施工及其验收规范中对各类钢筋的混凝土保护层厚度按照使用环境类别、结构类别和混凝土强度等级的不同分别作出了相应的规定。而且是在89版结构规范的基础上，进一步细分了各项规定。不仅对受力主筋保护层有规定，对箍筋和构造筋的保护层厚度也作出了相应规定，这充分说明保护层在混凝土结构中的重要性，并突出地反应在混凝土保护层对结构承载能力和耐久性的影响上4。混凝土保护层是指受力钢筋外缘至混凝土外表面的混凝土厚度，亦称为混凝土保护层厚度。其对结构的作用主要体现在三个方面：（1）钢筋与混凝土之间的粘结锚固。混凝土结构中钢筋能够受力是由于其与周围混凝土之间的粘结锚固作用。受力钢筋（尤其是变形钢筋）与混凝土之间的咬合作用是构成粘结锚固的主要成分，这很大程度上取决于混凝土保护层的厚度，混凝土保护层越厚，则粘结锚固作用越大。新规范中受力钢筋的锚固长度即是以混凝土保护层厚度不小于受力钢筋的直径为条件确定的。（2）保护钢筋免遭锈蚀。混凝土结构的突出优点是耐久性好。这是由于混凝土的碱性环境使包裹在其中的钢筋表面形成钝化膜而不易锈蚀。但是碳化和脱钝会影响这种耐久性而使钢筋遭受锈蚀。碳化的时间与混凝土的保护层厚度有关，因此一定的混凝土保护层厚度是保证结构耐久性所必需的条件。调查分析表明，我国混凝土结构的耐久性普遍较差6，因此从耐久性和可持续发展的观点，我国混凝土保护层的厚度应适当增加。（3）对构件受力有效高度的影响。从锚固和耐久性的角度，钢筋在混凝土中的保护层应该越大越好；然而从受力的角度而言，则正好相反。保护层厚度越大，构件载面有效高度就越小，结构构件的抗力将受到削弱。这正是一个事物的两个方面。因此，确定混凝土保护层厚度应综合考虑锚固、耐久性及有效高度三个因素。在能保证锚固和耐久性的条件下可尽量取较小的保护层厚度。新规范给出的保护层最小厚度正是保护层厚度的最低限度取值。2 混凝土保护层厚度和质量对结构承载力的影响2.1 影响原理作为截面的有效高度h0，它的变化对结构的受力会产生很大的影响。以单筋矩形截面梁的受弯承载力为例，计算示意简图见图11。图1 单筋矩形截面受力示意图当设计弯矩值M一定时，随着h0的减小，有可能出现 的情况，这样势必使构件的实际承载力达不到抵御外力的要求。从而降低了结构的承载能力和安全储备。同时，由相对受压区高度可知，当在其它条件不变的情况下，减少h0，就有可能增大，出现的现象，规范规定，如果就会造成构件超筋。由于超筋构件不能充分利用钢筋强度，其破坏时，受压区的混凝土首先被压碎，裂缝开展不充分，挠度不大，带有突然性，破坏前没有明显的预兆，容易形成脆性破坏，这在结构设计中是不允许出现的。但在工程实际施工时由于人为的作用，可能会造成这种状况的发生，为工程的使用埋下隐患。2.2 原因分析造成混凝土保护层厚度偏小主要有设计和施工两方面的原因。而设计上造成混凝土保护层厚度偏小，绝大部分并非是设计的错误。国内在结构设计过程中有这样的倾向：设计中考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状态；重视结构的建造而不重视结构的维护。这些都削弱了结构的耐久性，严重影响到结构的安全性。这也与旧的结构规范在制定中考虑的是我国当时的情况：混凝土强度等级不高、耐久性要求偏低等原因，而对混凝土保护的规定值有些偏小有一定的原因。施工过程中，钢筋位置和混凝土施工质量对确保混凝土保护层厚度至关重要。由于施工因素，造成混凝土保护层厚度偏小的主要原因有：（1）负筋施工下沉。尤其是混凝土板类构件，由于配筋多为HPB235级钢筋，材质本身刚度低，当无可靠支撑时，施工过程中由于受浇筑混凝土时的冲击力和施工人员的踩踏，多有变形下沉。有的甚至降到中和轴以下，致使结构的受力性能发生改变。（2）水平构件施工时，为了保证构件底部的保护层厚度，防止钢筋下沉，在浇筑混凝土过程中，用外力上提钢筋骨架造成构件底部钢筋保护层过厚，h0值减小。（3）竖向构件施工中，由于支撑失控，钢筋骨架发生偏移。尤其当构件的配筋全部是由计算确定作为承受外力的情况下，钢筋骨架的偏移，将对整个结构的受力产生不良影响2。（4）施工人员的下料错误。如混凝土构件的钢筋保护层厚度应为主筋外皮至混凝土外表层的厚度，有时错误地算成从箍筋外皮到混凝土外表层的厚度。2.3 实际算例已知某矩形梁原设计截面尺寸为200400mm，配置HRB335级钢筋320，钢筋净保护层厚度为25mm，混凝土等级为C20，现因施工不慎，超过了施工规范所允许的误差，实际截面尺寸变成200390mm，实际钢筋净保护层厚度为34mm。求梁的承载力降低多少?解：1、原设计截面的承载力：由已知条件320钢筋，查表得As =942mm2设，钢筋为一排布置。查表得满足适用条件，则原设计承载力为： 2、实际截面的承载能力：查表得满足适用条件，则原设计承载力为：3、梁承载能力降低的数值为：（82.36-77）/82.36=6.5%5%实际承载能力比原设计承载能力降低的数值超过了规范所允许的降低值，则应采取措施予以加固，以弥补实际承载能力之不足。3 混凝土保护层厚度和质量对结构耐久性的影响3.1碳化对钢筋混凝土的破坏作用水泥中的主要化学成分硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)水化作用过程中均有生成物氢氧化钙(CH或Ca(OH)2)。硬化后的混凝土孔隙中充满了饱和的氢氧化钙碱性溶液。在钢筋混凝土中，碱性的氢氧化钙溶液使钢筋表面产生一层难溶的十分致密的Fe2O3和Fe3O4薄膜(纯化膜)。它能防止H2O、O2等的侵入，阻止钢筋锈蚀。空气中的CO2通过混凝土中的毛细孔隙，由表及里地向内部扩散，在有水份的条件下，溶解于水生成碳酸，并与混凝土中的氢氧化钙反应生成碳酸钙，使混凝土中的氢氧化钙浓度下降，称为混凝土碳化(亦称中性化)。这种碳化引起混凝土收缩，使混凝土表面产生细微裂缝，不仅使表层混凝土强度降低，而且开辟了通道，加速了混凝土的碳化过程。混凝土碳化后，碱度降低或消失，发展到钢筋时，钝化膜便会遭到破坏，失去对钢筋的保护作用，孔隙中的H2O、O2会与本身具有不同自然电位的钢筋产生腐蚀电池反应，钢筋开始氧化生锈，铁锈的体积一般可增长(24)倍，可以把保护层胀开，最终导致钢筋混凝土结构的破坏3。另外，混凝土受到环境水的物理化学作用，硬化后的混凝土中的氢氧化钙不断溶出或与环境水中的酸、碱、盐类发生化学反应，混凝土中的氢氧化钙浓度降低，同样使混凝土强度降低，最终钢筋锈蚀，混凝土结构遭受破坏。3.2 氯离子（Cl-）的影响因为氯离子（Cl-）是一种钢筋活化剂，即使在混凝土保护层不被中性化的情况下，也会破坏钢筋钝化膜，而对钢筋锈蚀起加速作用。在一般情况下，混凝土是呈碱性的，钝化膜层能完全覆盖钢筋表面且长期不受破坏。混凝土的包裹作用及其使钢筋钝化的高碱度溶液，为钢筋防锈提供了良好的物理和化学屏障，是钢筋存在的理想环境。但来自原材料、环境等的氯离子却能直接或间接地破坏这两种屏障而使钢筋发生锈蚀，且其体积膨胀后会造成混凝土保护层开裂、脱落甚至完全破坏5。钢筋锈蚀是一个电化学过程!当钢筋局部表面氯离子聚集并达到一定浓度时，钝化膜被破坏，该部位作为阳极引发锈蚀，其化学式为：FeFe2+2e-，其它部位为阴极发生的反应。氯离子本身在钢筋腐蚀过程中不被消耗，仅起到加速腐蚀进程的催化作用，使钢筋表面腐蚀的阳极反应物Fe2+被及时搬运出去，阻止其在阳极区域堆积，大大加速了钢筋腐蚀。由于氯离子在钢筋腐蚀过程中可重复循环利用，因而氯化物侵蚀一旦发生就很难补救。3.3 原因分析钢筋混凝土结构中只所以会产生碳化和氯离子破坏作用，其原因主要是：（1）施工中钢筋位置不当或钢筋骨架轴线发生偏移，造成混凝土保护层减少或厚薄不均。（2）混凝土浇筑过程中震捣不密实，钢筋排列过密使钢筋处的混凝土不密实，模板接缝不严等原因造成结构蜂窝、麻面、漏浆，在混凝土表面形成与内部贯通的孔隙。（3）由于混凝土的养护不周或在使用过程中的收缩、徐变、荷载或其他因素形成的混凝土保护层面裂缝。4 混凝土保护层对混凝土结构其它方面的影响混凝土保护层除对混凝土产生以上影响外，还对混凝土的粘结力和耐火极限产生很大影响。在混凝土结构中，钢筋和混凝土两种性质不同的材料所以能够共同工作，主要是依靠钢筋和混凝土之间的粘结应力。对于高强度的变形钢筋，在混凝土保护层太薄时，外围混凝土可能发生劈裂，至使粘结强度降低，尽而影响到结构的耐久性。另外，混凝土的耐火极限与混凝土的保护层厚度也有很大关系，当结构遭受火灾时，混凝土内钢筋的温度随保护层厚度的增加而降低，所以混凝土保护层的厚度达不到规定值后，将会降低混凝土的耐火极限，使结构的耐久性大打折扣。5 提高混凝土保护层作用的相关措施5.1 混凝土结构设计规范（GB500102002）中新明确的构造要求5.2合理选择混凝土的保护层厚度混凝土的耐久性与混凝土所处的环境有很大的影响，在干燥的环境下，混凝土不仅碳化速度慢，而且即使碳化层达到钢筋表面，钢筋也不发生锈蚀。根据有关试验资料显示，气候比较干燥的兰州、长春等地，钢筋腐蚀较慢，仅为北京、济南等地的4至5左右，而常年多雨、干湿交替频繁的武汉、杭州地区腐蚀较快，约为北京、济南地区的 ./4倍。另外，构筑物所处的工业环境和是否处在海港浪溅区对混凝土保护层的设计厚度都有不同要求。我国混凝土结构设计规范规定的最小保护层厚度，在室内正常环境下，不同强度等级的梁、柱保护层厚度均为 %*，而对处于露天或室内高湿度环境的梁、柱强度等级低于 7% 时为$%*，7% 或 7#8 为 #%*。对于水工和工业腐蚀环境的混凝土保护层的厚度又有不同的规定和防护措施，所以设计时，要根据工作环境、结构类别，选取合理的混凝土保护层厚度和相关措施。5.3 采取技术措施确保混凝土保护层质量（1）保证混凝土保护层厚度符合设计要求。要保证保护层的厚度控制在规定范围之内，对不同的构件可采取不同的措施。对竖向构件，如墙、柱类可采用 9 筋和穿墙筋进行固定，比较好的方法可用 +!+ 水泥砂浆制成厚度同保护层， #8 * 左右见方垫块，中间穿入 号扎丝绑在主筋上控制保护层厚度。对于板类件可用马凳与砂浆垫块相结合的方法，避免在施工作业时用垫石子、上提钢筋骨架的方法来控制保护层的厚度。尤其对悬挑类及其它有负筋的构件如雨蓬、现浇板连系梁处、楼梯板等要引起足够重视。同时要确保模板刚度和支撑牢固，避免混凝土在浇捣过程中由于振动而引起模板变形，导致结构保护层厚薄不均。（2）保证混凝土的浇筑质量。施工时，要严格控制水灰比，在保证混凝土和易性的条件下，尽量减少用水量，降低水灰比，这样可减少混凝土中的孔隙。同时在浇筑混凝土前，要详细检查模板的接缝，避免浇筑混凝土时模板漏浆。对于钢筋较密的水平构件可采用底部预铺混凝土或通过调整骨料粒径的办法，防止混凝土出现蜂窝等。对于竖向构件要合理控制混凝土的跌落高度，避免出现烂根现象。（3）对于成型混凝土要适宜的养护。在实际施工中，常常发生由于养护不周造成混凝土失水，导致混凝土表面出现收缩裂缝。所以对成型的混凝土要提高对混凝土养护重要性的认识，减少由此而引发的混凝土耐久性降低。（4）为保证钢筋位置的准确，混凝土保护层应满足设计要求。钢筋的垫块，应采用细石混凝土或水泥砂浆制作，有条件时最好采用定型的塑料垫块，不得采用石子作垫块，严禁使用短钢筋作为垫块。 （!）严格控制板面负筋的保护层厚度。现浇板负筋一般放置在支座梁钢筋上面，应与梁筋绑扎在一起，另外，采用铁架子或混凝土垫块等措施来固定负筋的位置，保证在施工过程中板面钢筋不再下沉，从而有效控制保护层，避免支座处因负筋下沉，保护层厚度变大而产生裂缝。 （F）防止支座处负筋下沉产生裂缝。在施工过程中由于施工工艺不当，致使支座负筋下陷，保护层过大，固定支座变成塑性铰支座，使板上部沿梁支座处产生裂缝。 （G）防止结构混凝土裂缝。在严酷的使用环境中，超过一定宽度的混凝土受力裂缝和早期发生的收缩性沿筋裂缝，会加速钢筋锈蚀，影响结构耐久性。 （#）提高混凝土工程的施工质量。第一，在有大气腐蚀的条件下，构件的钢筋绑扎后应立即浇灌混凝土，避免产生锈蚀；第二，钢筋不宜在露天存放，应放在密闭的仓库中，这一点对预应力筋和钢丝尤为重要；第三，切实加强混凝土的早期养护，防止出现早期收缩性裂缝，特别是沿筋裂缝；第四，严格控制拌合物的用水量和水灰比，浇筑应密实、均匀，从严控制混凝土保护层厚度的负偏差；第五，对于暴露在侵蚀环境中的结构和构件，其受力钢筋宜采用环氧涂层带肋钢筋，预应力筋应有防护措施，混凝土宜采用有利于提高耐久性的高性能混凝土。