钢筋保护层对混凝土结构耐久性的影响.pdf

2 0 1 0年 第 6期 (总 第 2 4 8 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 01 0( T o t a l No 2 48) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EAR CH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 6 0 0 5 钢筋保护层对混凝土结构耐久性的影响 高明赞 1 l2 。干伟 忠 ， ( 1 宁波工程学院 混凝土结构耐久性研究所 ，浙江 宁波 3 1 5 0 1 6 ；2 瑞安市高速公路工程建设指挥部 ，浙江 瑞安 3 2 5 2 0 0 ) 摘要： 分析了混凝土保护层之于混凝土结构中钢筋的物理和化学作用， 探讨了在氯离子侵蚀、 中性化、 冻融循环等条件下， 适当增大混 凝土保护层厚度和控制保护层混凝土质量( 密实度和碱度 ) 与钢筋初锈时间、 锈蚀速率、 保护层开裂时间之间的关系， 提出了旨在解决当前 混凝土结构设计和施工中存在的有关 混凝土保护层方面主要问题的建议 。 关键词 ： 混凝土结构；耐久性 ；混凝土保护层 ；建议 中图分类号： T U 5 2 8 O l 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 1 6 0 5 E ffe c t of c on c r e t e c ov e r t o r ei n f or c e men t i n t he dur a bi l i t y o f c onc r e t e s t r uc t ur e GAO M i n g- z a n ， GAN We i - z h o n g。 ( 1 I n s t i t u t e o f Co n c r e t e S t r u c t u r e Du r a b i l i ty， Ni n g b o Un i v e r s i t y o f Te c h no l o g y， Ni n g b o 3 1 5 01 6， Ch i n a 2 R u i a n Co n s t r u c t i o n H e a d q u a n e r s o f E x p r e s s w a y s ， R u i a n 3 2 5 2 0 0 ， C h i n a) Ab s t r ac t ： T o a n a l y s i s o f t h e c o n c r e t e c o ve r i n c h e mi c a l a n d p h y s i c a l e f f e c t s o fc o n c r e t e s t r u c t u r e s ， i n t h e c h l o rid e - i n d u c e d c o r r os i o n， n e u t r a l ， f r e e z e t ha w c y c l e s a n d o t h e r c o n d i t i o n s ， d i s c u s s i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e twe e n a p p r o p ria t e i n c r e a s e t h e c o n c r e t e c o v e r t h i c k n e s s a n d c o n t r o l t h e c o n c r e t eq u a l i tyo f p r o t e eti o nl a y e r( d e n s i ty a n d a l ka l i n i ty ) andt h e e a r l y r us t t i meo f r e i n f o r c e me n t ， r a t eo f c o r r o s i o n， t h e c r a c k i n gt i meo f thep r o t e c - t i o n l a y e r ， g i v i n g p r o p o s a l t o s o l v e t h e m a i n i s s u e s in c u rre n t d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f c o n c t e s t ru c t u r e s t h a t e x i s t i n t h e c o n c r e t e c o v e r Ke y wor ds ： c o n c r ete s t r u c t u r e； d u rab i l i ty； c o n c r e t e c o v e r ； p r o p o s a l 0 引言 1 混凝土保护层 与钢筋腐蚀 混凝土结构的劣化主要由氯离子侵蚀、 混凝土中性化、 冻融 循环 、 碱一 集料反应和杂散电流等因素引起的钢筋锈蚀所致 ， 而 由表及里的有害介质一般需要通过混凝土保护层才能到达钢 筋表面。可见， 钢筋的混凝土保护层对结构的耐久性起到举足 轻重的作用。 钢筋的混凝土保护层厚度是指从混凝土表面到最外层钢 筋( 包括纵向钢筋、 箍筋和分布钢筋 ) 公称直径外边缘之间的最 小距离 ； 对后 张法预应力筋 ， 为套管或孔道外径边缘 到混凝土 表面的距离 1 。 保护层的作用主要有： 保证钢筋与混凝土共同 工作 ； 增加钢筋在火灾作用下的耐火能力和冻融环境下的抗 冻性删 ； 对钢筋与外 部环境进行物理隔离 ， 同时提供高碱度 的内部化学环境， 防止钢筋锈蚀或延缓钢筋锈蚀进程 ， 保证结 构有足够的耐久性 。 通过分析混凝土结构在氯离子侵蚀、 中性化和冻融循环作 用下其内部钢筋的开始锈蚀时间与混凝土保护层品质、 厚度 之间的关系， 以及钢筋开始锈蚀后其锈蚀速率和混凝土开裂 时间与钢筋保护层厚度之间的关系， 阐述规范中对于钢筋的 混凝 土保护 层 的设 计要 求 和现行 工 程施 _T 中存 在 的一些 不 足， 并试图提出建议 ， 期望提高混凝土结构的耐久性， 延长使 用寿命。 收稿 日期：2 0 l O _ o 1 _ 2 7 基金项目：浙江省科技厅重点科技计划( 2 0 0 6 c 2 4 O o 8 ) 1 6 1 1 保 护层 的物理保 护作 用 就耐久性方面而言， 钢筋的混凝土保护层的物理保护作用 主要 体现在它能隔绝外环境有害介质直接抵达 钢筋表 面 ， 防止 钢筋腐蚀。外介质若要到达钢筋表面， 就需先通过混凝土保护 层 ， 在混凝土质量相同的情况下， 混凝土保护层越厚， 外介质通 过保护层到达钢筋表面的时间就越长； 混凝土越密实 ， 介质在 混凝土中的渗透速度就越慢， 到达钢筋表面的时间也就越长。因 此， 在结构允许和能控制表面裂宽的情况下， 增大钢筋的混凝 土保护层厚度， 可以有效提高其对钢筋的物理保护作用。 除保护层厚度外， 混凝土的质量也是钢筋物理保护能力的 影响因素 。混凝土的质量由混凝土的的碳化系数 、 氯离子扩散 系数 、 抗冻性和渗透性等参数描述。这些参数受混凝土的水胶 比、 原材料质量、 密实性和养护质量等影响。一般来说， 混凝土 越密 实 ， 混凝土 的碳 化系数和氯离子扩散 系数越小 ， 越有利 于 混凝土结构抗腐蚀性 能。 1 2 保护层的化学保护作用 混凝土结构在没有受到 c l 一 等有害介质侵入钢筋之所以不 会锈蚀的主要原因是因为混凝土孔隙内含有 C a ( OH) ： 、 Na O H 和 K O H孑 L 溶液 ， 其 p H值在 1 2 5 - 1 3 5 嗍 ， 钢筋在高碱性的环境 下， 表面会形成一层钝化膜( F e O， ) 【5 】 ， 保护钢筋不被锈蚀。当 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢筋表面 p H值下降或氯离子浓度达到一定值( 临界值 ) 后 ， 会 导致钝化膜破坏 ， 钢筋锈蚀 。 大气中的C O： 渗透到混凝土内部， 会与孔溶液中的 C a ( OH) 等发生化学反 应而消耗 C a ( O H) 。 ， 致使混凝 土 中性化 ， 混凝土 p H值下降与参与反应的 C O 的量成正比， 在相同环境下( 认为 C O 浓度相同) ， 混凝土初始p H值高， 钢筋表面 p H值达到临界 值的时间就越长。 一 C O 2 + H2 0_H2 C O3 ( 1 ) H2 C O s + C a ( O H) z - - - C a C Os + 2 H2 O ( 2 ) 氯离子虽然是引起钢筋锈蚀的主要原 因之一， 但是并非混凝 土中的氯离子到达一定浓度就会引起钢筋锈蚀， 而是还与局部碱 环境、 供氧条件和湿度有关， 因此至少还需要考察 r O H- 值。 在 p H值、 供氧条件和湿度相同时， 氯离子浓度越越大， C N O H- 也 就越大， 钢筋越容易发生锈蚀。显然 ， 不同混凝土或结构的不同 部位引起钢筋锈蚀的 C 1 - OH I 界值不会是定值。 关于引起钢筋锈蚀 p H和 C I - O H 一 1 的临界值， 宁波工程学 院通过钢筋在不同 p H值和 C W O H - 的模拟孑 L 溶液中发生微 电 池腐蚀试验研究t6 ( p H值分别为 l 0 5 4 、 1 1 5 3和 l 2 3 7 ， f C 1 - O H- 分别是 0 、 0 2 、 0 4、 0 6 、 0 8和 1 0 ) 。研究表明 ： 在 C l 一 】 f 0 H_ 相 同 时 ， 模拟孑 L 溶液 p H值越高 ， 钢筋锈蚀速率越慢 ( 图 1 ， C 1 - O H一 】 为 0 8 ) ； 在 p H值相同时， C I 一 O H一 越大， 钢筋锈蚀速率越快 ； p H值为 1 O 5 4时， 即使 c l 一 o H- 为 0 ， 钢筋也会锈蚀； p H值为 l 2 3 7时 ， 即使 c 1 - o 为 1 0 ， 钢筋也不会发生锈蚀 。 p H=1 0 5 4 p H=1 】5 3 p H= 1 2 3 7 图 1 钢筋在不同 p H值模拟 孑 L 溶液 中的腐蚀 ( 3 0 d ) 可 见 ， 环境 p H值对钢筋锈 蚀有很大 的影 响 ， 较高 的 p H值 对钢筋的防腐是有利的。但是， 过高p H值对防止混凝土碱一 集 料反应却是不利 的。因此 ， 在不会发生碱一 集料反应 的前 提下 ， 提高混凝土 的 p H值对结构抗腐蚀性能是有 利的。 混凝土的 p H 值取决于水泥性能和单位立方米水泥用量， 有研究认为大量使 用粉煤灰 、 磨细矿渣粉等掺合料会降低混凝土孑 L 隙液的碱度 ， 需 引起注意 。 1 3混凝 土 中性化 空气 、 土壤和地下水等环境 中的酸性气体或液体 侵入混凝 土中， 与水泥石中碱性物质发生反应， 使混凝土中的 p H值下降 的过程称为混凝土的中性化过程。其中： 由大气环境中的C O： 引起的中性化过程称混凝 土的碳化_ 8 _ 。 C O 在混凝 土中的侵入 机理 比较 复杂 ， 一般认为 以扩散 为主。 C O 在混凝 土中的扩散 基本符合 F i c k第一扩散定律 ， 碳化深度 与时间 的关系满足 式( 3 ) 。 假设碳化 到达 钢筋表面为钢筋 开始锈蚀 的时 间 ， 则钢 筋开始锈蚀的时间 t 可由式( 4 ) 计算。 = 、 了 ( 3 ) c 尸 I J ( 4 ) 式 中： 碳化系数 ； c 钢筋 的混凝土保护层厚度。 可 见 ， 混凝 土受碳化 腐蚀下 ， 钢筋脱钝 开始锈蚀 的时 间与 钢筋的混凝土保护层厚度的平方成正 比。 1 4 氯 离子侵 蚀 氯离子侵蚀主要是混凝土结构在海洋环境 、 除冰盐( 氯盐 ) 环境中受氯离子侵入而引起的钢筋锈蚀。 一般认为氯离子在 混凝土中侵入的方式主要是扩散 ， 其扩散过程基本符合 F i e k 第二扩散定律。氯离子在没有开裂的混凝土中的扩散模型为 式 ( 5 ) 【 o l ： f 1 r C o ) l 1 - e ft l ) ) 式 中： c t 时刻距混凝土表面 处的氯离子浓 度； C 一混凝 土表面处氯离子的浓度 ； c 。 一 - 一 初始氯离子浓度 ； D 氯离子扩散系数 ； 时间。 将式( 5 ) 转化为钢筋锈蚀初始时间t 。 与钢筋的混凝土保护 层厚度 c的关 系式 ， 得式 ( 6 ) ： c f f C 一 C 1 【 I J ( 6 ) 式 中： C 一引起 钢筋锈蚀的临界氯离子浓度 。 但是， 采用F i c k第二扩散定律会过高估计氯离子的侵人速度， 主要是因为进入混凝土中的氯离子一部分被混凝土中水化产 物会结合生成新的水化物， 如 C A、 C 4 A F会与氯离子化学结合生 成 F r i e d e l 盐 ， 部分氯离子被孔隙体系和 C S H吸附 ， 从而降低 氯离子的传输速度， 也减少了达到钢筋并累计的氯离子浓度4 1 。 可见 ， 若不考虑混凝土的碱度等其他因素的偶合作用 ， 氯离子 在混凝土中的侵蚀符合 F i c k第二扩散定律模拟， 钢筋脱钝开始 锈蚀的时间也与保护层厚度的平方成正比； 若同时考虑氯离子 与混凝土中水化产物等结合， 钢筋的混凝土保护层厚度越大， 所 结合氯离子的量就越多， 氯离子在钢筋表面达到临界浓度所需 的时间就越长， 越有利于钢筋的防腐。 1 5混凝 土的 冻融破 坏 混凝土 的冻融破坏 是混凝土在 饱和状态 下因冻融循 环产 生的破坏作用。由于混凝土是多孔隙的复合材料， 外部水分可 以通过毛细作用等进入这些孔隙中， 当温度下降至冰点以下时， 孑 L 隙 中的水冻结膨胀 ( 体积增 大约 9 ) ， 使孑 L 壁产生拉应力 ， 反 复冻融可导致 混凝 土开裂 。 由于混凝土有一定的抗渗性， 一般工作环境下 ， 水渗透到混 凝土内深度不大。因此， 在反复冻融下， 混凝土表面先开始开裂、 剥落 ， 逐渐 向内部开展。在混凝土密实等条件相 同的情况下 ， 混 凝土保护层厚度越大， 其结构整体抗冻融破坏越好。 1 6 钢 筋锈 蚀速 率 混凝土结构 中钢筋钝化膜破坏后 ， 与氧气 、 水 发生 反应 ， 生 成铁锈 。钢筋锈蚀的速率与环境温度 、 湿度等因素决定 ， 以室 外受碳化腐蚀结构为例， 其混凝土开裂前钢筋的锈蚀速率可按 式 ( 7 ) 牯 算 ： h o = 7 5 3 ( O 7 5 + 0 0 1 2 5 T ) ( R H一 0 4 5 ) ” m C )6 75 ( 7 ) 式中： A 【厂 一混凝土保护层锈胀开裂前的年平均锈蚀速率； K 广一钢筋位置影响系数； m 局部环境 系数 ； l 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 卜年平均温度 ； 年平均湿度； 厂 a f 一混凝土抗压强度标准值。 对于不同保护层厚度的钢筋， 可将其他系数看作常数， 则 式( 7 ) 可简化为式( 8 ) ： A o = Ko - C - 0 6 ( 8) 式中： 一 - 钢筋锈蚀系数。 某工程 为0 0 5 9 ， 其混凝土保护层厚度 c 与钢筋锈蚀速 率 A 0 关系曲线见图 2 。在其他因素相同的情况下， 钢筋锈蚀速 率随钢筋的混凝土保护厚度增大而减小， 但其锈蚀速率减小量 不断减小。由此可见， 增大钢筋的混凝土保护层厚度可以减小 钢筋的锈蚀速率。 4 5 5 O 5 5 6 O 6 5 7 O c m m 图2 钢筋锈蚀速率随混凝土保护层厚度变化曲线 根据钢筋锈蚀的机理( 式( 9 ) ( 1 2 ) ) ， 供氧条件是重要的因 素， 然而氧气在混凝土中的渗透机理比较复杂， 还没有成熟的 模型进行计算。不过 ， 可以肯定的是， 在混凝土保护层质量相同 的条件下， 厚度越大， 氧气抵达钢筋表面的时间就越长 、 浓度越 低， 钢筋钢筋锈蚀速率也就越小。 F e 一 2 e 一 + F e 2 + ( 9) 0 2 + 2 H 2 e - - - 4 O H 一 ( 1 0 ) F e -+ 2 O H- - - - , F e ( O H) 2 ( 1 I ) 4 F e ( O H) 2 + 02 十 2 H 2 0 - - 4 F e ( OH) 3 ( 1 2 ) 1 7 混凝土结构的开裂 由于钢筋锈蚀， 锈蚀产物沉积在钢筋表面， 其体积可膨胀 2 7 倍同 ， 使保护层混凝土内部形成拉应力。当拉应变超过混凝 土的极限拉应变时， 钢筋的混凝土保护层就会出冽顷筋开裂， 甚至 剥落。从钢筋开始锈蚀至其混凝土保护层开裂的时间可按式( 1 3 ) 进行估算( 以室外非角部钢筋板为例) I l 1】 ： ) ： o O 1 5 ( c d ) 5 + 0 0 0 1 0 1 6 ( 1 4 ) 式中： _钢筋开始锈蚀至混凝土保护层开裂时间； 保护层锈胀开裂时的临界钢筋锈蚀深度； d 一钢筋直径。 对于同一结构 ， 可将除 c外的所以系数看作常数 ， 则由 式( 7 ) 、 ( 1 3 ) 、 ( 1 4 ) 推得式( 1 5 ) ： c ( o 0 0 1 o 0 1 6 ) c n t - ! ! ： ， 。 ， ， 。 一： 一7 5 3 m ( 0 7 5 + 0 0 1 2 5 T ) ( R H 一 0 4 5 ) c l c Z W -S + k a c ( 1 5 ) 式中： J 。 和 k都为常数。 以某工程为例， 图3为钢筋开始锈蚀至其混凝土保护层开 裂时间t 。 随混凝土保护层厚度 c的变化曲线。可见 ， 钢筋锈蚀 后混凝土保护层越厚其开裂所需的时问就越长。 1 8 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 c m m 图3 钢筋开始锈蚀至其混凝土保护层开裂时间随保护层厚度的变化 由此可见， 在混凝土保护层质量等相同的条件下， 混凝土 结构无论从受碳化 、 氯离子侵蚀导致钢筋锈蚀时间， 还是钢筋 锈蚀后混凝土保护层开裂时间， 以及冻融破坏， 都是随混凝土 保护层厚度增加而延长。 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ( 混凝土结构设计规范 中对矩形、 T形 、 倒 T形和 I 形截面的钢筋混凝土受拉、 受弯和偏心受压构件在 荷载长期作用下的最大裂缝宽度 可按式( 1 6 ) 进行计算： _= f 1 9 c + 0 o 8 1 ( 1 6 ) 也 s p 式中： 一构件受力特征系数； 一 裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数； _一受拉区纵向钢筋应力； 艮一钢筋 的弹性模量 ； c 受拉钢筋的混凝土保护层厚度； 如一受拉区纵向钢筋的等效直径； p 有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋的 配筋率 。 J T G D6 2 -2 0 0 4 ( 路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 规范 对最大裂缝宽度的计算公式如式( 1 7 ) ： G 詈 ( 斋) ， 式 中： 一最大裂缝宽度 ； C 钢筋表面形状系数 ； 一 作用长期效应影响系数； c ， 与构件受力性质系数； 一 钢筋应力； 一 钢筋的弹性模量； 纵向受拉区钢筋直径； p 一纵向受拉钢筋的配筋率。 根据以上规范对某简支梁( 图 4 ) 最大裂缝宽度进行计算 ， 最大裂缝宽度随保护层厚度变化曲线见图5 。增大混凝土保护 层厚度会增大结构裂缝， 规范J T G D 6 2 -2 0 0 4计算结果要比规 范 G B 5 0 0 1 0 - -2 0 0 2的要小。 图 4 某简支梁横截面图 m 一 、 日g一 、 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2O 2 5 3 O 35 40 45 C m m 图 5 混凝土表面最 大裂缝宽度随保 护层厚 度变化 曲线 工程施工中增大混凝土保护层厚度主要有两种： 一是控制 梁的高度 h不变而减少有效高度 h 。 ， 这种在工程中占大部分 ； 另 一 是控制梁 h 。 不变而增 大 h 。后者裂缝宽度增大值 比前者要小 ， 更有利对裂缝宽度 的控制 。同时 ， 无论 以上哪种情况 下增 大保 护层厚度都会减弱结构 的承 载能力 。但是 ， 在施工 中构件 的截 面高度 h一般不会超过 1 0 mm， 若按规范 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2和 J T G D 6 2 -2 0 0 4进行裂缝宽度误差计算， 其最大裂缝增加值分 别在 0 0 1 m m和 O 0 0 2 mlT l ( 平均 0 0 0 6 m m) 。 由此可见， 由于施 工误差而增大混凝土保护层厚度对结构裂缝宽度影响不大， 但 混凝土结构设计需加 以重视 。 对于受弯等构件 ， 保护层过厚会增加结构 自重、 限制构件 力学性能的发挥， 不利于对裂缝宽度进行控制 ， 反而会减短钢 筋开始锈蚀的时间， 影响耐久性。而对于柱、 墩等受压构件， 一 般不 会发生荷载引起的受拉裂缝 ， 可适当增大。因此 ， 需要根据 结构部位和受力特点及混凝土的性能情况 ， 设置合理的钢筋保 护层 厚度 。 除 以上 由荷载引起 的裂缝外 ， 还有 非结构性 的裂缝 ， 如混 凝土的收缩裂缝。 钢筋的混凝土保护层对混凝土收缩裂缝宽度 虽然有一定影响， 但对整体结构而言， 保护层厚度差异对结构 非结构性裂缝的影响甚微。 2 设计与施工中存在的问题 2 1设 计 以往对混凝土结构设计不注重其耐久性， 对混凝土结构腐 蚀也没有足够认识 ， 导致大批前期建成的结构在后期出现不同 程度 的腐蚀破坏 ， 其主要原 因之一是钢筋 的混凝 土保护层设计 偏低 。 由于混凝土保护层 的重要性 ， 我 国新颁布 的规范都 对混凝 土保护层厚度提 出了设计 和施工及验收要求。 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 混凝土结构设计规范 中对采用 C 2 5 C 4 5混凝土的粱 、 板和 柱 的主筋最小保护层厚度 见表 1 ， 梁 、 柱中箍筋和构造钢筋的保 护层厚度不小于 1 5 mm。 J T G D 6 2 -2 0 0 4 公路钢筋混凝土及预 应力混凝土桥涵设计规范 中对钢筋的最小混凝土保护层厚度 见表 2 。J T J 2 5 7 2 0 0 0 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 钢筋的最小混凝土保护层厚度比其他规范要大些： 对普通钢筋 ， 水下 区为 3 0 tur n ， 大气区 、 浪溅 区和水 位变动区为 5 0 mm( 除南 方浪溅区为 6 5 mm) ； 对预应力混凝土， 水下区、 大气区和水位 变动区为 7 5 n l l n ， 浪溅 区为 9 0 mm。 表 1 GB 5 0 0 1 0 2 O 0 2中主 筋 C mm 表 2 J T G D 6 2 -2 0 0 4中 mm 规范 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2和规范 J T G D6 2 -2 0 0 4中的最小混 凝土保护层厚度要求总体还是偏低 ， 且以上三规范主要针对主 筋， 对箍筋和分布钢筋的要求较低。 如规范GB 5 0 0 1 0 - - - 2 0 0 2中 对箍筋和构造钢筋 ， 无论在何类环境作用等级下， 其最小混凝 土保护层 都为 1 5 mm。 J T G T B 0 7 一 一 _ 0 1 2 o 0 6 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范 对钢筋的混凝土保护层更加重视， 规范中将环境作用等级划分 为 6级 ， 根据结构设计基准其( 5 0年和 1 0 0年两种 ) 对等级在 B F的最小混凝 土保护 层厚 度有 要求 ， 并提 出保 护层 厚度施工 允许误差 ( 现浇构件 一般取 1 0 IT l l2 Cl ， 对 工厂生产 的预制 构件 取 0 5 mm) ， 设计保护层厚度 c 应为最小混凝土保护层厚度 c 与保护层厚度施工允许误差值 之和。 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 凝土结构耐久性设计规范 在前规 范和试验研究成 果的基础 上对钢筋 的混凝土保护设计 更加细 化、 合理。针对结构所处的作用环境等级、 设计使用年限、 混凝土 强度、 水胶比等条件分别制定不同钢筋的混凝土保护层厚度。 在设计中， 适当增加钢筋的混凝土保护层厚度可以提高结 构的耐久性 ， 但是随之也会增加造价和施工难度( 控制裂缝宽 度等) ， 设计者往往习惯按规范中的最小混凝土保护层进行设计。 同时， 对于不同环境下的同一构件， 没有将其环境作用等级准 确划分后取用所需的保护层厚度， 而是统一套用标准图。 对于某些恶劣环境 ， 规范中的最小混凝 土保护层厚度可能 不够， 可配合其他附加防腐措施。对于受压构件钢筋的混凝土 保护层厚度可适当增大， 如杭州湾跨海大桥桥墩承台混凝土保 护层厚度部分达 9 0 mm， 比规范 J T G T B 0 7 O 1 2 O 0 6中 F类 作用环境条件 下的最小混凝土保护层厚度还大 3 O m m。与其他 防腐措施相比， 增加混凝土保护层厚度相对比较经济。 2 2施 工 与 验 收 施工管理和技术直接影响到混凝土保护层的质量， 现行施 工中普遍存在 以下 问题 ： ( 1 ) 建设 、 施工和监理单 位对混凝土保护层 的认识不足 ， 认 为减小一点混凝土保护层厚度对整个构件基本没有影响 ， 殊不 知在同等作用环境下会减短结构的使用寿命。以板中设计厚度 为 2 0mm 的保护层 为例 ， 如果允许有 5 mr n施工负偏 差 ， 则按 使用年限近似与保护层厚度的平方成反比的关系， 1 5 mm厚度 的使用年限仅及 2 0 mm厚度的 5 6 ， 几乎减少了一半2 1 。 ( 2 ) 现场施工人员没有严格按规范和设计要求进行施工。 如： 某混凝土结构钢筋的保护层厚度设计为 4 0 m m， 由于钢筋 骨架施工误差 ， 按保护层厚度为 4 0 mm施工时整个钢筋骨架将 超出模板 ， 施工人员一般会擅 自将混凝土保护层减小来满足钢 筋骨架入模 ， 导致实际的混凝土保护层减小； 或者， 为避免钢筋 骨架 因施 工误差不能 人模 ， 将钢筋骨架 尺寸做小 ， 混凝土保 护 层厚 度将变大 ， 厚度误差一般在 2 0 mm左右 。表 3内是某桥梁 防撞护栏设计和施工实测的钢筋混凝土保护层厚度值， 内侧保 护层厚度偏小， 而外侧则偏大， 可见实际施工误差之大。 ( 3 ) 支模时可能出现轴线偏移、 标高不准， 导致构件截面尺 1 9 如 如 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 某防撞护栏主筋的混凝 土保护层厚度值 寸不准； 模板支撑不牢、 刚度和平整度不够而产生变形和移位， 甚至个别构件采用地模； 模板拼装不严， 缝隙过大， 出现跑浆， 使混凝土表面产生蜂窝、 空洞； 模板表面污物没有清除干净或 浇筑混凝土时没有振捣密实 ， 导致混凝土黏模 、 麻面 ， 虽然后期 可以修补， 但也不容易保证混凝土保护层密实性( 图 6 ) 。 图 6 局部混凝土保护层不密实 ( 4 ) 施工人员对保护层垫块的使用不当。一般工程中使用 较多的还是水泥砂浆垫块( 水泥砂浆垫块一般是施工人员利用 浇筑混凝土时剩余的料去除石子后浇筑的) ， 垫块厚度又没有进 行严格控制， 导致垫块厚度 自身就存在一定的误差。浇筑不同 构件时， 绝大部分施工人员不清楚本构件的设计混凝土保护层 厚度， 垫块往往是通用的。常见的还有以延长内部钢筋长度至 顶住模板， 作为控制保护层厚度的方法( 图 7 ) ， 导致混凝土表面 有外露钢筋( 图 8 ) ， 当外露钢筋锈蚀后会使其周围混凝土开裂 ， 进而引起内部钢筋锈蚀。此外， 有的施工人员为贪图方便， 甚至 直接将石子作为垫块。 图 7 以钢筋控制混凝土保护层厚度 ( 5 ) 现浇构件在负弯矩处的受力钢筋的保护层厚度不易控 制， 常出现保护层厚度过大而产生裂缝。 ( 6 ) 混凝土养护不周或不及时造成表面失水过大， 导致混 凝土表面出现收缩裂缝， 使混凝土保护层质量下降。 ( 7 ) 施工和监理人员 缺少对混凝土保护层厚 度进行检测 ， 2 0 图 8 混凝土表面钢筋外露点 大部分施工和监理单位没有检测混凝土保护层厚度的仪器。 3总结 与 建议 钢筋 的混凝 土保护层能够保护钢筋不受 锈蚀或延长钢筋 开始锈蚀的时间， 通过分析钢筋的混凝土保护层与混凝土在碳 化、 氯离子侵蚀 、 冻融破坏等腐蚀下的钢筋锈蚀时间以及钢筋 锈蚀速率和混凝土保护层开裂时间的关系。分析表明， 在混凝 土保护层质量等相同的条件下， 适当增大钢筋的混凝土保护层 厚度可以有效提高结构整体抗腐蚀性能， 延长使用寿命。 设计、 施工和监理等人员对钢筋的混凝土保护层认识不足， 设计和施工中都存在着不少问题。 影响混凝土保护层的质量。 针对 混凝土保护层在设计、 施工和验收方面存在的问题， 建议如下： ( 1 ) 不同环境条件的同一构件混凝土保护层厚度可取不同 值 ， 如箱梁的混凝土保护层厚度内侧可以比外侧小， 混凝土长 期干燥面比受水面小。同时 ， 应在设计文件中注明各构件不同 部位施工时的混凝土保护层厚度， 做好技术交底。 ( 2 ) 建设 、 监理和施工单位的技术管理人员要对钢筋保护 层的控制问题引起高度重视， 施工技术交底时要详细、 准确得 告诉工人如何控制钢筋的混凝土保护层， 包括保护层垫块的放 置位置和质量要求等。 ( 3 ) 保护层垫块尽量采用定型的工程塑料或纤维水泥垫块， 少用水泥砂浆垫块和细石混凝土垫块，不得将石子做为垫块， 严禁使用钢筋垫块。 ( 4 ) 重要构件尽量使用定型钢模 ， 少使用现场制作木模等； 对平整度等达不到规范要求的1 日 钢模不得使用； 模板安装后若 缝隙过大， 应重新调整模板或进行修补； 在浇筑混凝土前 ， 将模 板表面的杂物清理干净， 并涂好脱模剂。 ( 5 ) 浇筑混凝土前 ， 施工人员和监理应对保护层厚度、 模板 等进行全面的检测， 准确无误后方可浇筑混凝土。混凝土拆模 后施工和监理需按规范要求对保护层厚度进行检测。对达不到 设计和规范要求 的需采取补救措施进行处理。 ( 6 ) 现在有的混凝土含有大量矿物掺合料， 虽然可以提高 混凝土密实度等， 但有些矿物掺合料可能会造成混凝土碱度的 降低， 引起钢筋锈蚀。 因此， 在使用矿物掺合料前需要进行相关 试验， 确保矿物的掺人不会明显降低混凝土的碱度。 ( 7 ) 法规应明确因混凝土结构腐蚀而导致的结构使用寿命 不足或事故 的责任人 。 参考文献 ： 1 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 ， 混凝土结构耐久性设计规范 s 北京： 中国建筑 工业出版社， 2 0 0 8 下转第 2 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图像中， 因此这种方法较其他方法而言不容易被噪声“ 填充” ， 更 容易检查 出真正的弱边缘 。由于 C a n n y算子 能检查 出真正的 弱边缘 ， 其边缘定 位 比较精确 ， 边 缘连续性 稍好于 L O G算子 ， 但 C a n n y算子容易受噪声的影响， 如果配合理想的滤波器首先 滤除背景噪声， C a n n y算子也是一种很好的裂缝图像边缘检测 算子， 但需要配合滤波器将使操作变得比较复杂。由此可知， L O G 算子相对来说比较简单， 且效果理想， 是相对比较有效的裂缝 图像边缘检测算子。最大限度地将裂缝区域从图像背景中提取 出来后， 采用图像分析软件测量出沿裂缝轮廓方向上的裂缝宽 度分布 ， 可 以较精确的计算 出平均宽度 。 3结 论 图 1 混凝土表面裂缝 So b e l L OG P r e wi t t Ro b e r t s Ca n n y 图 2裂缝 图像边缘检测结果 在 MA T L A B中分别采用这几种边缘检测算子对裂缝图像 进行边缘检测。 通过反复试验可以证明， 罗伯特( Ro b e r t s ) 边缘算 子 、 索贝尔( S o b e 1 ) 边缘算子和 P r e w i t t 边缘算子对噪声较为敏 感， 得到的往往是断续的、 不完整的结构信息， 为了能成功地检 测到真正的边缘 ， 一般都要先对原图像进行平滑来去除图像中 的噪声 ， 再进行边缘检测。高斯拉普拉斯( L a p l a c i a n o f Ga u s s i a n ) 上接第 2 0页 【 2 陈肇元 钢筋的混凝土保护层设计要求急待改善一 混凝土结构设计规 范的问题讨论之J 1 _ 建筑结构 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 6 ) ： 1 0 8 1 1 4 3 】王青， 徐港 混凝士结构保护层作用及厚度取值分析【 J 三峡大学学 报 ： 自然 丰 斗 学版 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 4 ) ： 3 1 7 - 3 2 0 4 】 刘秉京混凝土结构耐久性设计 M E 京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 7 5 】任 昭君 混凝土中钢筋的锈蚀机理及检测技术 J 1 _ 工程建设 ， 2 0 0 7 ， 3 9 ( 5 ) ： 1 1 1 5 6 亍波工程学院亍波象山港公路大桥及接线工程混凝土结构耐久性 研究 R 1 _亍波： 亍波市高等级公路建设指挥部， 2 0 0 8 7 】葛燕， 朱锡昶， 朱雅仙， 等 混凝土中钢筋的腐蚀与阴极保护 M】 北 京： 化学工业出版社， 2 0 0 7 ： 1 1 8 张誉j 昆 凝土结构弼久性概论【 M 】 上海： 上海科技技术出版社， 2 0 0 3 边缘检测算子将高斯滤波和拉普拉斯边缘检测结合在一起， 先 对图像进行平滑和积分 以滤掉噪声 ， 消除噪声后再 进行边缘检 测( 锐化 和微分) ， 得到的效果 比较好 ， 且实现容易。坎尼( C a n n y ) 边缘算子提取的边缘线型连接程度也较好 ， 边缘提 取的也较完 整， 但易受噪声影响。因此高斯拉普拉斯( L a p l a c i a n o f G a u s s i a n ) 边缘检测算子是相对比较有效的裂缝图像边缘检测算子。 参考文献 ： 1 侯宝隆， 蒋之峰混凝土的非破损检测 M 】 E 京 ： 地震出版社， 1 9 9 2 2 G R AN G E R S ， P I J A U D I E R C A B O T G， L O U K I I L I A， e t a1Mo n i t o ri n g o f c r a c k i n g a n d h e a l i n g i n a n u l t r a h i g h p e r f o r ma n c e c e me n t i t i o u s ma t e r i a l u s i n g t h e t i me r e v e r s a l t e c h n i q u e 叨 C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 9 ( 3 9 ) ： 2 9 6 3 0 2 3 Y A N G Z A s s e s s i n g c u mu l a t i v e d a ma g e i n c o n c r e t e a n d q u a n t i f y i n g i t s i n fl u e n c e o n l i f e c y c l e p e r f o rma n c e m o d e l i n g D D i s s e r t a t i o n ， P u r d u e Un i v e r s i t y， W e s t L a f a y e t t e， I N ， 2 0 0 4， 【 4 S A MA HA H R， HO V E R K C I n fl u e n c e o f mi c r o c r a c k i n g o n t h e ma