混凝土保护层厚度和质量对结构承载力和耐久性的影响

混凝土保护层厚度和质量对结构承载力和耐久性的影响InfluencesofThicknessandQualityofConcreteProtectorontheStrengthandDurabilityofConcrete1引言《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）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1[1]。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，可能会我造成这种状况纹的发生，为工长程的使用埋下五隐患。啄2蛾.迅2逼棋原因分析勉造成混凝土保悼护层厚度偏小散主要有设计和绸施工两方面的无原因。而设谁计上造成混凝滚土保护层厚度浆偏小，绝大部烂分并非是设计吊的错误。国内哨在结构设计过监程中有这样的拘倾向：设计中用考虑强度多而辱考虑耐久性少欧；重视强度极性限状态而不重霞视使用极限状适态；重视结构知的建造而不重盖视结构的维护井。这些都削弱米了结构的耐久肺性，严重影响痒到结构的安全授性。这也与旧逃的结构规范在羊制定中考虑的忆是我国当时的艘情况：混凝土葬强度等级不高碗、耐久性要求盛偏低等原因，圾而对混凝土保滋护的规定值有业些偏小有一定序的原因。良施工过程中，骤钢筋位置和混连凝土施工质量定对确保混凝土置保护层厚度至久关重要。由于仁施工因素，造卵成混凝土保护煎层厚度偏小的捷主要原因有：牺（薯1宴）负筋施工下慨沉。尤其是混忘凝土板类构件肃，由于配筋多贯为脏HPB235彻级钢筋，材质兰本身刚度低，喝当无可靠支撑断时，施工过程钩中由于受浇筑精混凝土时的冲证击力和施工人酱员的踩踏，多匙有变形下沉。询有的甚至降到仇中和轴以下，极致使结构的受亚力性能发生改浮变。套（识2马）水平构件施增工时，为了保陈证构件底部的茄保护层厚度，搞防止钢筋下沉负，在浇筑混凝皆土过程中，用炊外力上提钢筋趣骨架造成构件扮底部钢筋保护尝层过厚，引h怨0帮值减小。抵（苦3券）竖向构件施百工中，由于支柏撑失控，钢筋挽骨架发生偏移泥。尤其当构件川的配筋全部是晴由计算确定作锤为承受外力的揭情况下，钢筋伶骨架的偏移，遍将对整个结构点的受力产生不协良影响膛[2]咱。遗（皆4简）施工人员的武下料错误。如背混凝土构件的腿钢筋保护层厚撤度应为主筋外贱皮至混凝土外鞋表层的厚度，藏有时错误地算假成从箍筋外皮萄到混凝土外表反层的厚度。喘2普.轨3牺拔实际算例喝已知某矩形梁首原设计截面尺直寸脂为毒200×40喂0菜mm颤，配置怕HRB335愁级钢筋播3侄ф耻20关，钢筋净保护虽层厚度为洗25mm铃，混凝土等级捡为抬C2塞0澡，现因施工不才慎，超过了施南工规范所允许什的误差，实际勺截面尺寸变痛成染200×39违0继mm庄，实际钢筋净渠保护层厚度为争34mm揭。求梁的承载侵力降低多剃少暗?锋解磨：亭1系、原设计截面番的承载力：谷由已知条坑件耗3弃ф学2储0耐钢筋，查表得组A岛s柏示=942mm治2系设，钢筋为一肠排布置。庙查表得舞满足适用条件垄，则原设计承店载力为：授斑2蒙、实际截面的严承载能力：命查表得鱼满足适用条件庸，则原设计承庭载力为：延3欢、梁承载能力貌降低的数值为蛇：蚀（裁82.36-红7住7喂）监/82.36等=6.5%>翁5%未实际承载能力油比原设计承载歇能力降低的数疯值超过了规范冻所允许的降低冰值，则应采取蔬措施予以加固荣，以弥补实际弱承载能力之不榴足。锣混凝土保护层煌厚度和质量对南结构耐久性的在影响验3隆.哥1斤碳化对钢筋混幼凝土的破坏作没用倍水泥中的主要页化学成分硅酸松三似钙待(妹C蚀3急S速)蒙、硅酸二背钙悄(携C请2安S刊)张水化作用过程碎中均有生成物暴氢氧化坝钙妥(C群H愈或缓Ca(OH)傅2庸)匠。硬化后的混您凝土孔隙中充朱满了饱和的氢营氧化钙碱性溶俯液。在钢筋混料凝土中，碱性搬的氢氧化钙溶丧液使钢筋表面对产生一层难溶诵的十分致密初的款Fe仔2立O我3这和绩Fe榜3闹O孙4猛薄势膜询(汁纯化巷膜执)负。它能防呈止闯H商2堆O逢、疑O毙2炼等的侵入，阻堤止钢筋锈蚀。掌空气中轰的散CO零2摆通过混凝土中桥的毛细孔隙，穗由表及里地向牺内部扩散，在舟有水份的条件寄下，溶解于水糟生成碳酸，并亚与混凝土中的相氢氧化钙反应茧生成碳酸钙，站使混凝土中的捎氢氧化钙浓度咽下降，称为混液凝土碳苦化朗(钢亦称中性撑化长)府。这种碳化引蚀起混凝土收缩蛇，使混凝土表赚面产生细微裂半缝，不仅使表乓层混凝土强度砖降低，而且开哀辟了通道，加叶速了混凝土的严碳化过程。混圈凝土碳化后，凑碱度降低或消闹失，发展到钢钟筋时，钝化膜锣便会遭到破坏嫩，失去对钢筋队的保护作用，穗孔隙中叠的氏H看2疮O掘、槽O它2寒会与本身具有窜不同自然电位丛的钢筋产生腐挤蚀电池反应，难钢筋开始氧化蛋生锈，铁锈的蚂体积一般可增养长渗(住2惜～喷4旅)器倍，可以把保亭护层胀开，最贡终导致钢筋混呈凝土结构的破盆坏筝[3]泪。另外，混凝勇土受到环境水品的物理化学作沸用，硬化后的哲混凝土中的氢军氧化钙不断溶与出或与环境水建中的酸、碱、糊盐类发生化学竖反应，混凝土厦中的氢氧化钙悔浓度降低，同你样使混凝土强盾度降低，最终顽钢筋锈蚀，混北凝土结构遭受娱破坏。雪槽氯离子蛋（俊C逆l朋-谦）的影响映因为氯离子皇（麻C渣l榜-冻）是一种钢筋蓬活化剂，即使映在混凝土保护矩层不被中性化召的情况下，也扁会破坏钢筋钝帜化膜，而对钢限筋锈蚀起加速善作用。在一般承情况下，混凝灶土是呈碱性的谎，钝化膜层能贸完全覆盖钢筋涛表面且长期不杠受破坏。混凝蛇土的包裹作用巡及其使钢筋钝资化的高碱度溶穴液，为钢筋防续锈提供了良好刘的物理和化学阳屏障，是钢筋贱存在的理想环荡境。但来自原昂材料、环境等材的氯离子却能厘直接或间接地芽破坏这两种屏吃障而使钢筋发升生锈蚀，且其丸体积膨胀后会摇造成混凝土保太护层开裂、脱除落甚至完全破金坏爆[5]守。铸钢筋锈蚀是一痰个电化学过健程占!疾当钢筋局部表巧面氯离子聚集矛并达到一定浓膨度时，钝化膜油被破坏，该部增位作为阳极引暴发锈蚀，其化参学式为毫：迈F侄e膊→位Fe裳2+爹+2辨e雷-丝，其它部位为酸阴极发生的反楼应。氯离子本得身在钢筋腐蚀技过程中不被消逗耗，仅起到加盐速腐蚀进程的卵催化作用，使仁钢筋表面腐蚀馆的阳极反应替物骂Fe重2+驳被及时搬运出涉去，阻止其在添阳极区域堆积到，大大加速了安钢筋腐蚀。由固于氯离子在钢会筋腐蚀过程中葛可重复循环利汉用，因而氯化匙物侵蚀一旦发状生就很难补救疗。跪3祝.用3攀耀原因分析怪钢筋混凝土结垒构中只所以会位产生碳化和氯摔离子破坏作用份，其原因主要绒是：库（答1叹）施工中钢筋肚位置不当或钢麻筋骨架轴线发守生偏移，造成撇混凝土保护层螺减少或厚薄不棕均。武（木2时）混凝土浇筑羞过程中震捣不损密实，钢筋排闻列过密使钢筋胡处的混凝土不诉密实，模板接饿缝不严等原因棍造成结构蜂窝程、麻面、漏浆凤，在混凝土表绵面形成与内部爷贯通的孔隙。睡（临3芹）由于混凝土技的养护不周或和在使用过程中朋的收缩、徐变凭、荷载或其他浊因素形成的混霞凝土保护层面睡裂缝。茅4膜功混凝土保护层建对混凝土结构仰其它方面的影觉响扒混凝土保护层挑除对混凝土产盛生以上影响外塑，还对混凝土好的粘结力和耐纤火极限产生很毛大影响。在混弱凝土结构中，绩钢筋和混凝土杂两种性质不同蔽的材料所以能黄够共同工作，狐主要是依靠钢蛇筋和混凝土之你间的粘结应力吴。对于高强度绿的变形钢筋，灶在混凝土保护翠层太薄时，外杨围混凝土可能浆发生劈裂，至透使粘结强度降锋低，尽而影响骤到结构的耐久物性。秤另外，混凝土男的耐火极限与仅混凝土的保护病层厚度也有很域大关系，当结波构遭受火灾时奏，混凝土内钢浮筋的温度随保驰护层厚度的增宇加而降低，所类以混凝土保护芦层的厚度达不扰到规定值后，倦将会降低混凝肠土的耐火极限产，使结构的耐灾久性大打折扣凳。朝5愤盾提高混凝土保训护层作用的相吐关措施绳5嫩.萄1诱罗《混凝土结构宋设计规范》眨（百GB5001悉0尤—悼200炕2物）中新明确的嘱构造要求切5.2车合理选择混凝师土的保护层厚义度渠混凝土的耐久妥性与混凝土所沫处的环境有很键大的影响，在凶干燥的环境下翁，混凝土不仅祖碳化速度慢，跳而且即使碳化励层达到钢筋表捉面，钢筋也不啦发生锈蚀。根仰据有关试验资犹料显示，气候姜比较干燥的兰抢州、长春等地眨，钢筋腐蚀较县慢，仅为北京你、济南等地政的筝4售至置5野左右，而常年工多雨、干湿交峡替频繁的武汉袜、杭州地区腐慈蚀较快，约为惯北京、济南地吊区金的温./匪4舞倍。另外，构出筑物所处的工恼业环境和是否姐处在海港浪溅校区对混凝土保缴护层的设计厚五度都有不同要章求。我国《混兴凝土结构设计衣规范》规定的艳最小保护层厚脆度，在室内正隆常环境下，不忆同强度等级的狸梁、柱保护层爽厚度均初为浆拍"%*灭*边，而对处于露览天或室内高湿李度环境的梁、冶柱强度等级低梯于燥7"%酬厉时帜为痕$%*忆*喉，妇7"%砌抓或誉7#8壳蚀为写#%*泰*松。对于水工和怒工业腐蚀环境灶的混凝土保护瞒层的厚度又有任不同的规定和券防护措施，所覆以设计时，要轮根据工作环境旋、结构类别，伸选取合理的混炭凝土保护层厚观度和相关措施问。扁5钟.察3呈说采取技术措施祖确保混凝土保托护层质量昼（钞1休）保证混凝土潮保护层厚度符顷合设计要求。活要保证保护层丧的厚度控制在走规定范围之内景，对不同的构澡件可采取不同控的措施。对竖棵向构件，如墙间、柱类可采猎用巴9牢尘筋和穿墙筋进忘行固定，比较直好的方法可杂用学+!+院烛水泥砂浆制成樱厚度同保护层套，努盘陪#8**瞧阿左右见方垫块乡，中间穿韵入肝""紧夸号扎丝绑在主毒筋上控制保护党层厚度。对于唤板类件可用马俱凳与砂浆垫块邻相结合的方法驰，避免在施工犹作业时用垫石劣子、上提钢筋佣骨架的方法来楚控制保护层的绵厚度。尤其对寒悬挑类及其它之有负筋的构件运如雨蓬、现浇奴板连系梁处、粘楼梯板等要引替起足够重视。补同时要确保模侄板刚度和支撑咸牢固，避免混培凝土在浇捣过赚程中由于振动敢而引起模板变盐形，导致结构颜保护层厚薄不帽均。舱（靠2守）保证混凝土林的浇筑质量。援施工时，要严食格控制水灰比升，在保证混凝形土和易性的条钞件下，尽量减青少用水量，降沾低水灰比，这往样可减少混凝努土中的孔隙。咸同时在浇筑混板凝土前，要详熔细检查模板的止接缝，避免浇鹊筑混凝土时模夏板漏浆。对于积钢筋较密的水截平构件可采用爷底部预铺混凝洗土或通过调整究骨料粒径的办浑法，防止混凝芒土出现蜂窝等珍。对于竖向构渐件要合理控制券混凝土的跌落汇高度，避免出榆现烂根现象。妖（明3寿）对于成型混刮凝土要适宜的欺养护。在实际称施工中，常常惕发生由于养护毒不周造成混凝闻土失水，导致向混凝土表面出晚现收缩裂缝。恼所以对成型的膏混凝土要提高去对混凝土养护险重要性的认识才，减少由此而仰引发的混凝土掌耐久性降低。幼（祖4逝）为保证钢筋汁位置的准确，羽混凝土保护层国应满足设计要疑求。钢筋的垫眼块，应采用细访石混凝土或水倚泥砂浆制作，垦有条件时最好劣采用定型的塑必料垫块，不得摄采用石子作垫