混凝土保護(hù)層

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混凝土的保護(hù)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(hù)層。對(duì)于此混凝土保護(hù)層也有所規(guī)定，它不應(yīng)小于鋼筋直徑，也不應(yīng)小于粗骨料最大粒徑的1。25倍，所以要確定好適當(dāng)?shù)暮穸?。?duì)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(jì)使用年限，確定其耐久性等等，進(jìn)行設(shè)計(jì)及施工。其實(shí)此保護(hù)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(hù)層厚度，或者是輔助鋼筋，還是預(yù)制混凝土構(gòu)件的保護(hù)層厚度。因此，這種必要的保護(hù)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(chēng)為保護(hù)層厚度?；炷帘Ｗo(hù)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?yàn)槠渑c周?chē)炷林g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?chē)炷恋奈展艽蟪潭壬先Q于混凝土握裹層的厚度，是成正比的。為了保護(hù)受力鋼筋的抗力能夠正常發(fā)揮，受力鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度不應(yīng)小于其直徑。
2．保護(hù)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(diǎn)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(guò)程中離析、泌水、沉陷而形成的毛細(xì)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(gè)過(guò)程稱(chēng)為碳化。碳化隨時(shí)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(dāng)碳化到達(dá)鋼筋表面以后，鋼筋由于失去鈍化膜的保護(hù)，可能因電化學(xué)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(shí)間與保護(hù)層厚度有關(guān)，因此一定的保護(hù)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(guó)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(qiáng)度偏低，抗碳化能力不強(qiáng)，加之保護(hù)層厚度偏小，一般使用單位又缺乏合理的維護(hù)檢修，甚至對(duì)結(jié)構(gòu)粗暴使用。因此，我國(guó)不少混凝土結(jié)構(gòu)不能保證在50年的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)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(duì)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(yáng)臺(tái)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(guó)混凝土保護(hù)層的厚度應(yīng)適當(dāng)增加。
3．對(duì)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(hù)層中的厚度應(yīng)該越大越好；然而從受力的角度而言，則正好相反。保護(hù)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(hù)層厚度應(yīng)綜合考慮錨固、耐久性及有效高度三個(gè)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(hù)層厚度。而規(guī)范給出的保護(hù)層最小厚度正是保護(hù)層厚度的最低限度取值。
確定保護(hù)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(guó)內(nèi)外許多學(xué)者用有限元方法分析了握裹層中，尤其是咬合齒附近的應(yīng)力狀態(tài)，且進(jìn)一步用強(qiáng)度準(zhǔn)則分析了握裹層混凝土的變形、裂縫和破壞過(guò)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(kuò)大。因此隨著保護(hù)層厚度的增加，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固強(qiáng)度增大。這已為大量試驗(yàn)研究所證實(shí)。但握裹層混凝土中應(yīng)力很快擴(kuò)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(yàn)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)了這種環(huán)箍約束作用。因此應(yīng)力隨著直徑的加大而迅速擴(kuò)大衰減。從粘結(jié)錨固機(jī)理看，鋼筋周?chē)展χ饕性诤穸燃s為鋼筋直徑的范圍內(nèi)，尤其是混凝土強(qiáng)度較高及配有約束鋼筋時(shí)更是如此。因此，從設(shè)計(jì)的角度看，一般鋼筋的保護(hù)層厚度不應(yīng)小于受力鋼筋的直徑，鋼筋間距有不應(yīng)小于同樣的數(shù)值。
在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，鋼筋間距及保護(hù)層厚度并非越大越好。這一方面是因?yàn)檫@樣做必然加大構(gòu)件截面，減小有效高度，因而不經(jīng)濟(jì)；另一方面當(dāng)保護(hù)層過(guò)厚時(shí)，構(gòu)件一旦開(kāi)裂，將導(dǎo)致比較寬的構(gòu)件表面裂縫。因此，為了避免一旦開(kāi)裂而形成較寬的裂縫，對(duì)于保護(hù)層過(guò)大的情況還應(yīng)進(jìn)行裂縫寬度的驗(yàn)算加以控制；或采用在保護(hù)層中配鋼筋網(wǎng)片的方法，控制可能的開(kāi)裂和裂縫寬度。
2．混凝土耐久性的要求
20世紀(jì)80年代末，我國(guó)曾就混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行過(guò)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(duì)結(jié)構(gòu)壽命的影響以及對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)。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(gè)：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?chē)h(huán)境中的有害介質(zhì)及物理、化學(xué)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(jì)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(lèi)。這樣過(guò)于簡(jiǎn)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(hù)層的最小厚度時(shí)，應(yīng)區(qū)別對(duì)待不同條件下的保護(hù)層厚度。
（2）混凝土的質(zhì)量
混凝土強(qiáng)度等級(jí)是其組成成分和性能的綜合反映，可與混凝土保護(hù)層的最小厚度建立關(guān)系。一般情況下強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土比較密實(shí)，炭化速度和有害介質(zhì)入侵的速度慢，耐久性相對(duì)較好。因此，在其他條件相同的情況下，混凝土保護(hù)層的厚度可以相對(duì)較小。在確定混凝土保護(hù)層最小厚度時(shí)，混凝土質(zhì)量的影響可以反映為混凝土強(qiáng)度等級(jí)這一基本設(shè)計(jì)參數(shù)。
（3）設(shè)計(jì)使用年限
我國(guó)絕大多數(shù)建筑物設(shè)計(jì)使用年限為50年。因此，在確定混凝土保護(hù)層最小厚度時(shí)，一般均按50年考慮。對(duì)于安全等級(jí)較低的臨時(shí)建筑，雖然其設(shè)計(jì)使用年限僅為5年，基本可以不考慮時(shí)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(hù)層厚度不妥，故仍應(yīng)保持保護(hù)層最小厚度的要求。對(duì)于安全等級(jí)較高的，設(shè)計(jì)使用年限100年的重要建筑物，應(yīng)提出更為嚴(yán)格的混凝土保護(hù)層厚度要求。
保護(hù)層的其他構(gòu)造要求還有：
1．露天懸臂構(gòu)件
處于二、三類(lèi)環(huán)境中的懸臂板，其上表面應(yīng)另作水泥砂漿保護(hù)層或采取其他保護(hù)措施。這是由于該處的負(fù)彎矩鋼筋受力開(kāi)裂后，裂縫開(kāi)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(yán)重后果。因此應(yīng)特別加強(qiáng)保護(hù)鋼筋免受侵蝕的措施。
2．厚保護(hù)層中的表面配筋
大型建筑和大型土木工程中，混凝土保護(hù)層可能達(dá)到40毫米以上，在框架頂層端節(jié)點(diǎn)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(hù)層。在新規(guī)范中規(guī)定：當(dāng)梁柱中縱向受力鋼筋的保護(hù)層厚度大于40毫米時(shí)，應(yīng)對(duì)保護(hù)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(xì)直徑構(gòu)造鋼筋網(wǎng)片。
3． 100年使用年限時(shí)的要求
對(duì)處于一類(lèi)環(huán)境中設(shè)計(jì)工作壽命為100年的房屋結(jié)構(gòu)，保護(hù)層厚度應(yīng)增加40%，并且還應(yīng)采取表面保護(hù)及定期維修等措施。