淺析混凝土保護層的作用及設計控制

羊偉慶

混凝土結構的耐久性問題在結構的設計和施工中容易被忽視，我國的混凝土結構耐久性問題十分嚴重，部分已經(jīng)影響結構的經(jīng)濟使用壽命，還危及結構安全。混凝土結構耐久性主要取決于鋼筋和混凝土兩種材料。為了確保鋼筋的使用壽命，在結構設計和施工過程中選擇和確保適當?shù)幕炷帘Ｗo層厚度非常必要。混凝土構件的耐久年限主要取決于混凝土保護層完全被碳化所需要的時間，增加混凝土保護層厚度，可以保證結構的使用壽命，但過厚的保護層會使受彎構件開裂彎矩降低，并容易導致構件過早出現(xiàn)裂縫，反而對結構耐久性有不利影響，因此在具體的鋼筋混凝土結構設計中必須合理的確定混凝土的保護層厚度。

1 鋼筋混凝土保護層對結構的影響

1.1 鋼筋混凝土結構特點及保護層的作用

鋼筋混凝土保護層在保證結構受力性能、結構安全和持久性、結構耐火性能等方面具有重要作用。鋼筋混凝土構件由鋼筋和混凝土組成，鋼筋有較強的抗拉、抗壓強度;混凝土抗壓強度較高，但抗拉強度只有抗壓強度的1/10左右。鋼筋和混凝土的線膨脹系數(shù)接近，兩者結合能發(fā)揮各自的材料強度，提高構件的承載力，且能很好地協(xié)調(diào)工作，改善混凝土的脆性。鋼筋與混凝土之所以能共同工作，還因混凝土硬化并達到一定強度后，兩者之間能建立足夠的粘結強度。混凝土保護層必須具有一定的厚度，才能保證混凝土與鋼筋之間的粘結力。如果鋼筋保護層厚度過小，鋼筋過分靠近結構構件的邊緣，容易造成露筋和表面混凝土剝落。此外，混凝土保護層對鋼筋還起到化學保護作用，在混凝土的包裹下鋼筋處在堿性環(huán)境中，就不容易被酸性介質腐蝕，在表層混凝土隨著時間的推移而逐漸碳化后，邊緣鋼筋失去保護而導致鋼筋銹蝕，鋼筋與混凝土之間也會逐漸失去粘結力，從而影響構件的耐久性。

1.2 保護層對鋼筋混凝土結構承載力的影響

鋼筋混凝土受彎構件截面承載力設計時，采用了基本假定，混凝土開裂后拉應力完全由鋼筋承擔，抵抗彎矩 M與截面的有效高度成正比，即h0(受拉鋼筋合力作用點到混凝土受壓區(qū)邊緣的距離)越大，受拉鋼筋離混凝土受壓區(qū)越遠，單位面積的鋼筋所能承受的外部彎矩也越大，這樣鋼筋發(fā)揮的力學效能也就越高。保護層過厚時，會使截面的有效高度 h0減小，削弱構件的承載能力，特別是對那些截面高度較小的構件，這種情況更明顯。

1.3 保護層對鋼筋混凝土結構耐久性的影響

保護層還起著保護鋼筋不被銹蝕的作用，以確保鋼筋混凝土結構的耐久性。在鋼筋混凝土結構中，保護層作用體現(xiàn)在兩個方面:1)物理保護，混凝土緊緊包裹在鋼筋表面，保護鋼筋免受外力和環(huán)境中有害物質的直接侵害;2)化學保護，混凝土的初始堿度較高，能在鋼筋表面形成一種致密的鈍化膜，可避免鋼筋銹蝕。在設計時合理確定保護層厚度并保證施工質量，就能最大程度的保護鋼筋免受銹蝕，延緩混凝土碳化深度到達鋼筋表面的時間，確保結構的使用年限。此外，保護層對混凝土內(nèi)部的鋼筋還具有一定的防火功能。當建筑結構發(fā)生火災時，保護層能延緩結構喪失承載能力的時間，為消防救援贏得時間。

2 保護層厚度的影響因素及相關的規(guī)范要求

GB 50010-2002混凝土結構設計規(guī)范根據(jù)環(huán)境類別、構件類型及混凝土強度、鋼筋直徑等規(guī)定了混凝土保護層的最小厚度。縱向受力的普通鋼筋及預應力鋼筋，其混凝土保護層最小厚度(鋼筋外邊緣至混凝土表面距離)不應小于鋼筋的公稱直徑，且應符合規(guī)范中表9.2.1的規(guī)定。規(guī)范規(guī)定，對梁、柱中縱向受力鋼筋保護層厚度大于40 mm時，應采取有效防裂構造措施，通常是在混凝土保護層中離構件表面一定距離處增設由細鋼筋制成的構造鋼筋網(wǎng)片。GB 50204-2002混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范特別提出了對鋼筋保護層厚度的檢驗規(guī)定，對檢驗的結構部位和構件數(shù)量及驗收方法，都做了明確的說明，并對檢驗的允許偏差范圍做了規(guī)定:鋼筋保護層厚度檢驗時，縱向受力鋼筋保護層厚度的允許偏差，對梁類構件為+10 mm，-7 mm;對板類構件為+8 mm，-5 mm。現(xiàn)行規(guī)范不僅對鋼筋驗收時鋼筋保護層厚度做出了具體要求，并且對混凝土的鋼筋保護層提出了檢測的要求，只對受彎構件梁、板進行鋼筋保護層厚度的實體檢驗，并且強調(diào)懸臂構件應作為檢查的重點。

3 保護層厚度的設計控制

3.1 注意保護層厚度與截面的有效高度

在鋼筋混凝土樓蓋設計中，在梁與柱、梁與梁、板與梁相交處須給予專門考慮，以保證各部鋼筋能互相避開而仍保持正確的保護層。在主梁的支座處，次梁與主梁的支座負筋相互交叉，主梁的負筋在次梁的負筋下面，見圖1。因此，計算主梁支座鋼筋時，其截面有效高度應較一般取值低:對單排鋼筋，h0=h-(50～60)mm，對雙排鋼筋，h0=h-(70～80)mm，這一點在設計時應予以充分重視，否則會造成構件的截面實際承載力小于計算承載力。

3.2 注意環(huán)境類別的確定

鋼筋的腐蝕與環(huán)境類別有關，為防止混凝土碳化，延緩鋼筋銹蝕，保證耐久性，板面鋼筋的混凝土保護層厚度必須達到規(guī)范規(guī)定值要求。在具體的工程設計過程中必須結合工程使用特點確定環(huán)境類別，從而確定合理的保護層厚度。如在普通住宅中，衛(wèi)生間和廚房一般比臥室和客廳等部位要潮濕，另外在裝飾施工過程中很多家庭都要改變原有預埋管線，不可避免的要在原有現(xiàn)澆樓板上開槽埋管等，對板面混凝土保護層會造成較大的損傷，因此廚房和衛(wèi)生間等潮濕房間的現(xiàn)澆樓板保護層應適當增厚5 mm。另一方面，為保證板面鋼筋的抗彎承載力，以及防止板面混凝土收縮導致混凝土開裂，板面鋼筋應選擇較細直徑，且施工時應設置足夠的支撐將負筋撐起靠近板面。

4 結語

鋼筋混凝土構件保護層厚度直接影響構件的承載力和耐久性，在結構設計時必須予以充分重視，依據(jù)規(guī)范要求，嚴格按照設計使用年限、環(huán)境類別、構件類型、混凝土強度等確定混凝土保護層厚度的設計值。保護層的控制，合理的設計是前提，在施工中嚴格控制施工質量，采取合理的技術和管理措施保證鋼筋的位置是關鍵。

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