混凝土保護層

混凝土的保護層

摘要：在鋼筋混凝土構(gòu)件中，為防止鋼筋銹蝕，并保證鋼筋和混凝土牢固黏結(jié)在一起，鋼筋外面必須有足夠厚度的混凝土保護層。對于此混凝土保護層也有所規(guī)定，它不應小于鋼筋直徑，也不應小于粗骨料最大粒徑的1。25倍，所以要確定好適當?shù)暮穸?。對所選的混凝土也要根據(jù)環(huán)境條件的影響（露天，雨天或者室內(nèi)），其質(zhì)量的影響，還有設(shè)計使用年限，確定其耐久性等等，進行設(shè)計及施工。其實此保護層在不同構(gòu)件中的厚度都是有所差別的，比如是基礎(chǔ)中鋼筋的保護層厚度，或者是輔助鋼筋，還是預制混凝土構(gòu)件的保護層厚度。因此，這種必要的保護層主要與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件、環(huán)境因素、混凝土的選擇等因素都有很大的關(guān)系，明確這些方面至關(guān)重要。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土的作用碳化厚度耐久性要求影響

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋并不外露而被包裹在混凝土里面。由鋼筋外邊緣到混凝土表面的最小距離稱為保護層厚度。混凝土保護層的作用如下：
1．維持受力鋼筋及混凝土之間的握裹力
混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋能夠受力是因為其與周圍混凝土之間的黏結(jié)錨固作用。受力鋼筋（尤其是變形鋼筋）與混凝土之間的咬合作用是構(gòu)成握裹力的主要的成分。鋼筋周圍混凝土的握裹力很大程度上取決于混凝土握裹層的厚度，是成正比的。為了保護受力鋼筋的抗力能夠正常發(fā)揮，受力鋼筋的混凝土保護層厚度不應小于其直徑。
2．保護鋼筋免遭銹蝕
混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比，其突出優(yōu)點是耐久性好。這是由于混凝土的堿性環(huán)境使包裹在其中的鋼筋表面形成鈍化膜而不宜銹蝕。但是，由于澆筑混凝土過程中離析、泌水、沉陷而形成的毛細孔道和裂隙；混凝土收縮、溫度變化或受力后引起的裂縫使大氣中的水和二氧化碳或其他酸性介質(zhì)得以滲入混凝土內(nèi)部，中和了混凝土的堿性而使其變成中性的碳酸鈣，這個過程稱為碳化。碳化隨時間由混凝土表面向內(nèi)部發(fā)展，其速度與混凝土的質(zhì)量及環(huán)境有關(guān)。
當碳化到達鋼筋表面以后，鋼筋由于失去鈍化膜的保護，可能因電化學作用而銹蝕，從而引起銹脹裂縫，甚至削弱鋼筋截面，最終降低錨固作用和承載能力。碳化的時間與保護層厚度有關(guān)，因此一定的保護層厚度是保證結(jié)構(gòu)耐久性所必須的條件。
調(diào)查表明，我國混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性普遍較差。由于傳統(tǒng)的混凝土強度偏低，抗碳化能力不強，加之保護層厚度偏小，一般使用單位又缺乏合理的維護檢修，甚至對結(jié)構(gòu)粗暴使用。因此，我國不少混凝土結(jié)構(gòu)不能保證在50年的設(shè)計使用年限內(nèi)應有的使用功能和承載能力。大多數(shù)工業(yè)建筑使用25~30年后即需大修；對于有害介質(zhì)環(huán)境中的建筑，使用壽命僅15~20年。民用建筑及公共建筑的室外構(gòu)件，如陽臺等也往往出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象，甚至釀成事故。因此，從耐久性和可持續(xù)發(fā)展的角度，我國混凝土保護層的厚度應適當增加。
3．對構(gòu)件受力有效高度的影響
從錨固和耐久性的角度，鋼筋在混凝土保護層中的厚度應該越大越好；然而從受力的角度而言，則正好相反。保護層厚度越大，構(gòu)件截面有效高度就越小，構(gòu)件的受力將受到影響。
因此，確定混凝土保護層厚度應綜合考慮錨固、耐久性及有效高度三個因素，在能保證錨固和耐久性的條件下可盡量取較小的保護層厚度。而規(guī)范給出的保護層最小厚度正是保護層厚度的最低限度取值。
確定保護層厚度的原則：
1．粘結(jié)錨固作用及握裹層厚度
鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固主要是依靠鋼筋橫肋與混凝土咬合齒之間的擠壓作用。國內(nèi)外許多學者用有限元方法分析了握裹層中，尤其是咬合齒附近的應力狀態(tài)，且進一步用強度準則分析了握裹層混凝土的變形、裂縫和破壞過程。得出的結(jié)論是：隨著與鋼筋表面距離的加大，咬合齒側(cè)壓力的承載面積迅速擴大。因此隨著保護層厚度的增加，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固強度增大。這已為大量試驗研究所證實。但握裹層混凝土中應力很快擴散衰減，因此有效的握裹層僅在鋼筋表面有限的范圍內(nèi)。
分析和試驗都表明，在帶肋鋼筋的混凝土咬合齒附近集中了較大的擠壓應力，往往形成內(nèi)裂區(qū)。裂縫多為肋前斜裂縫及肋面擠壓破碎，其范圍在2倍肋高左右，再向外側(cè)以環(huán)向拉應力形成提供環(huán)箍作用的混凝土約束層。在鋼筋握裹層中配置的構(gòu)造鋼筋大大加強了這種環(huán)箍約束作用。因此應力隨著直徑的加大而迅速擴大衰減。從粘結(jié)錨固機理看，鋼筋周圍握裹力主要集中在厚度約為鋼筋直徑的范圍內(nèi)，尤其是混凝土強度較高及配有約束鋼筋時更是如此。因此，從設(shè)計的角度看，一般鋼筋的保護層厚度不應小于受力鋼筋的直徑，鋼筋間距有不應小于同樣的數(shù)值。
在實際設(shè)計時，鋼筋間距及保護層厚度并非越大越好。這一方面是因為這樣做必然加大構(gòu)件截面，減小有效高度，因而不經(jīng)濟；另一方面當保護層過厚時，構(gòu)件一旦開裂，將導致比較寬的構(gòu)件表面裂縫。因此，為了避免一旦開裂而形成較寬的裂縫，對于保護層過大的情況還應進行裂縫寬度的驗算加以控制；或采用在保護層中配鋼筋網(wǎng)片的方法，控制可能的開裂和裂縫寬度。
2．混凝土耐久性的要求
20世紀80年代末，我國曾就混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進行過綜合調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容為不同氣候地區(qū)、不同建筑物的混凝土碳化及規(guī)律；鋼筋銹蝕情況及影響；腐蝕性介質(zhì)對結(jié)構(gòu)壽命的影響以及對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性現(xiàn)狀的評價。調(diào)查表明，影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素有三個：環(huán)境條件；混凝土的自身質(zhì)量；結(jié)構(gòu)的使用年限。
（1）耐久性與環(huán)境條件的關(guān)系
混凝土的碳化和脫鈍，受力鋼筋的銹蝕與錨固作用削弱，都與周圍環(huán)境中的有害介質(zhì)及物理、化學作用有關(guān)。環(huán)境條件是影響混凝土耐久性的最主要因素。傳統(tǒng)設(shè)計只含糊地將其區(qū)分為“室內(nèi)正常環(huán)境”及“露天或室內(nèi)高濕度環(huán)境”兩類。這樣過于簡單粗糙的考慮不能反映環(huán)境條件的重要影響。因此，在確定混凝土保護層的最小厚度時，應區(qū)別對待不同條件下的保護層厚度。
（2）混凝土的質(zhì)量
混凝土強度等級是其組成成分和性能的綜合反映，可與混凝土保護層的最小厚度建立關(guān)系。一般情況下強度等級高的混凝土比較密實，炭化速度和有害介質(zhì)入侵的速度慢，耐久性相對較好。因此，在其他條件相同的情況下，混凝土保護層的厚度可以相對較小。在確定混凝土保護層最小厚度時，混凝土質(zhì)量的影響可以反映為混凝土強度等級這一基本設(shè)計參數(shù)。
（3）設(shè)計使用年限
我國絕大多數(shù)建筑物設(shè)計使用年限為50年。因此，在確定混凝土保護層最小厚度時，一般均按50年考慮。對于安全等級較低的臨時建筑，雖然其設(shè)計使用年限僅為5年，基本可以不考慮時間因素的影響，但從鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固和受力角度而言，太薄的保護層厚度不妥，故仍應保持保護層最小厚度的要求。對于安全等級較高的，設(shè)計使用年限100年的重要建筑物，應提出更為嚴格的混凝土保護層厚度要求。
保護層的其他構(gòu)造要求還有：
1．露天懸臂構(gòu)件
處于二、三類環(huán)境中的懸臂板，其上表面應另作水泥砂漿保護層或采取其他保護措施。這是由于該處的負彎矩鋼筋受力開裂后，裂縫開口向上，特別容易受到腐蝕物的侵入。懸臂結(jié)構(gòu)的多余約束少，一旦鋼筋銹蝕，容易造成在懸臂根部折斷的嚴重后果。因此應特別加強保護鋼筋免受侵蝕的措施。
2．厚保護層中的表面配筋
大型建筑和大型土木工程中，混凝土保護層可能達到40毫米以上，在框架頂層端節(jié)點的角部受力主筋的彎狐處，也可能形成厚度很大的混凝土保護層。在新規(guī)范中規(guī)定：當梁柱中縱向受力鋼筋的保護層厚度大于40毫米時，應對保護層采取有效的防裂構(gòu)造措施。常用辦法是在構(gòu)件表面配置焊接的或綁扎的細直徑構(gòu)造鋼筋網(wǎng)片。
3． 100年使用年限時的要求
對處于一類環(huán)境中設(shè)計工作壽命為100年的房屋結(jié)構(gòu)，保護層厚度應增加40%，并且還應采取表面保護及定期維修等措施。