混凝土保護(hù)層質(zhì)量控制

袁用道，曹青山，向 暉

(1.湖北民族學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)系,湖北 恩施 445000；2.湖北保利投資有限公司，湖北 武漢 430072；3.中國(guó)建筑第三工程局第二建設(shè)工程有限公司，湖北 武漢 430074)

混凝土保護(hù)層是鋼筋和混凝土共同工作的基礎(chǔ)，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，合理確定保護(hù)層厚度和密實(shí)度，嚴(yán)格控制保護(hù)層的施工質(zhì)量，對(duì)保證結(jié)構(gòu)的耐久性，構(gòu)件的承載力有著重要的意義.而實(shí)際工程的檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土保護(hù)層厚度的控制存在較多問題.因此就影響保護(hù)層質(zhì)量的主要因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析，并提出應(yīng)對(duì)措施，使鋼筋混凝土保護(hù)層從工程設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)施工有所遵循，解決保護(hù)層存在的問題，在施工操作中抓住關(guān)鍵環(huán)節(jié)，嚴(yán)把操作關(guān)，強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制.

1 混凝土保護(hù)層的作用

1.1 混凝土保護(hù)層對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的影響[1]

混凝土結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件，包括受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件、受拉構(gòu)件、受扭構(gòu)件的承載力，均與保護(hù)層有一定的聯(lián)系.以非預(yù)應(yīng)力單筋矩形截面受彎構(gòu)件為例，其承載力的計(jì)算公式為：

M≤α1fcbx(h0-x/2)

其中M為彎矩設(shè)計(jì)值，fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值，h0為截面有效高度，b為混凝土截面寬度，x為混凝土受壓區(qū)高度.

這里的h0=h-a，a為受拉區(qū)鋼筋合力作用點(diǎn)至截面邊緣的距離，當(dāng)鋼筋僅為一排時(shí)，a=c+d/2,其中c為保護(hù)層厚度，d為鋼筋直徑.可見在受彎構(gòu)件中，當(dāng)保護(hù)層加大時(shí)，承載力將會(huì)下降.

1.2 混凝土保護(hù)層對(duì)裂縫的影響

裂縫的開展是由于混凝土的回縮，鋼筋的伸長(zhǎng)，導(dǎo)致混凝土與鋼筋之間不斷產(chǎn)生相對(duì)滑移的結(jié)果.我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》定義的裂縫開展寬度是指受拉鋼筋中心水平處構(gòu)件側(cè)邊面上混凝土的裂縫寬度.在荷載長(zhǎng)期作用下，由于混凝土的滑移徐變和拉應(yīng)力的松弛，將導(dǎo)致裂縫間受拉混凝土不斷推出工作，使裂縫開展寬度增大；混凝土的收縮使裂縫間混凝土的長(zhǎng)度縮短，這也會(huì)引起裂縫的進(jìn)一步開展；此外由于荷載的變動(dòng)使鋼筋直徑時(shí)漲時(shí)縮等因素，也將引起粘結(jié)強(qiáng)度的降低，導(dǎo)致裂縫寬度的增大.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得到混凝土平均裂縫寬度和最大裂縫寬度公式：

其中l(wèi)m為平均裂縫間距，deq為縱向受拉鋼筋的等效直徑，ρte為按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率.

從外觀要求考慮，裂縫過寬將給人以不安全感，同時(shí)也影響對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的評(píng)價(jià).滿足外觀要求的裂縫寬度限值，與人們的心理反應(yīng)、裂縫開展長(zhǎng)度、裂縫所處位置，乃至光線條件等因素有關(guān).對(duì)最大裂縫的限值目前規(guī)范取0.25～0.3 mm.在混凝土結(jié)構(gòu)正常使用的極限狀態(tài)驗(yàn)算中，各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大裂縫寬度的計(jì)算與保護(hù)層厚度有直接的關(guān)系.當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度增加，平均裂縫寬度成線性增加.

1.3 混凝土保護(hù)層對(duì)碳化的影響[2]

在大部分環(huán)境中，空氣中的二氧化碳都能夠與濕混凝土的水化產(chǎn)物反應(yīng)，中和混凝土的堿度，稱這一過程為混凝土的碳化.混凝土中的堿成分主要是氫氧化鉀和氫氧化鈉，存在于孔隙溶液中.但也有固定形式的水化產(chǎn)物如氫氧化鈣.混凝土中的氫氧化鈣最容易與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng).二氧化碳從大氣中擴(kuò)散進(jìn)入混凝土的毛細(xì)孔和水結(jié)合生成碳酸，然后主要是與氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣.碳化過程可用下式表示：

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+H2OCa(OH)2→Ca2+(溶液)+2OH-(溶液)Ca2++OH-(溶液)+CO2→CaCO3+H2O

碳化并不損壞混凝土，它能使混凝土產(chǎn)生收縮，降低混凝土的孔隙率并增加其抗壓強(qiáng)度.碳化的危害是能引起鋼筋銹蝕.碳化一方面使混凝土堿度降低，失去對(duì)鋼筋的保護(hù)(在沒有氯離子的情況下，碳化使空隙溶液的成分差不多接近于純水)，另一方面碳化可使水化產(chǎn)物(如氯鋁酸鹽等)結(jié)合或吸附的氯離子釋放出來，從而使空隙溶液更具有侵蝕性.

要想減小碳化對(duì)混凝土帶來的危害，只有減小碳化速度和加大混凝土的保護(hù)層厚度.水灰比較小的試件，水泥用量較多，隨著水灰比降低碳化深度顯著減小.混凝土的滲透性影響二氧化碳的擴(kuò)散速度，從而對(duì)碳化速度產(chǎn)生顯著的影響，降低水灰比，也即降低了水化水泥漿的孔隙率，會(huì)減慢二氧化碳的擴(kuò)散.當(dāng)然低水灰比減慢二氧化碳的擴(kuò)散速度只是在正確的養(yǎng)護(hù)條件下才能達(dá)到，養(yǎng)護(hù)不良導(dǎo)致水泥漿體孔隙增加，反而會(huì)加快混凝土的碳化.

1.4 混凝土保護(hù)層對(duì)鋼筋銹蝕的影響

多種環(huán)境侵蝕會(huì)損害混凝土耐久性，但其中最主要的是鋼筋銹蝕引起的混凝土開裂、剝落，鋼筋斷面減小，粘結(jié)力喪失，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞，縮短使用壽命.鋼筋銹蝕現(xiàn)象中最多最重要的是由氯鹽引起的鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕產(chǎn)物體積增加約為原鋼筋體積的3～6倍，銹蝕產(chǎn)物體積增加引入應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂、脫層、剝落，反過來又為水和氯離子的侵入提供便利通道，加速銹蝕發(fā)展.

保護(hù)層是阻止外界氯離子侵入混凝土的物理屏障，保護(hù)層可以穩(wěn)定鋼筋深度處的小環(huán)境.與穩(wěn)定的、不變的環(huán)境相比較，濕度、溫度、供氧和鹽濃度的變化常促進(jìn)鋼筋的銹蝕，較厚的保護(hù)層可以減少鋼筋深度處的濕度和溫度變化，有助于提高混凝土的臨界氯離子值.較厚的保護(hù)層還可以防止鋼筋處混凝土碳化和堿的氫氧化物析出，有助于維持鋼筋的高堿環(huán)境.

1.5 混凝土保護(hù)層對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)其他性能的影響

混凝土保護(hù)層對(duì)混凝土的粘結(jié)力和耐火極限產(chǎn)生很大影響.在混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋和混凝土兩種性質(zhì)不同的材料所以能夠共同工作，主要是依靠鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力.對(duì)于高強(qiáng)度的變形鋼筋，在混凝土保護(hù)層太薄時(shí)，外圍混凝土可能發(fā)生劈裂，致使粘結(jié)強(qiáng)度降低，進(jìn)而影響到結(jié)構(gòu)的耐久性[3].另外，混凝土的耐火極限與混凝土的保護(hù)層厚度也有很大關(guān)系，當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)時(shí)，混凝土內(nèi)鋼筋的溫度隨保護(hù)層厚度的增加而降低，所以混凝土保護(hù)層的厚度達(dá)不到規(guī)定值后，將會(huì)降低混凝土的耐火極限，使結(jié)構(gòu)的耐久性大打折扣.

綜上可知，從混凝土結(jié)構(gòu)耐久性角度考慮，混凝土保護(hù)層厚度越大越有利，但是從混凝土結(jié)構(gòu)安全性和適用性角度考慮，混凝土的保護(hù)層厚度越小越經(jīng)濟(jì).因此混凝土保護(hù)層厚度的合理控制，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)耐久性、安全性與適用性等各方面因素.

表2 GB50204-2002驗(yàn)收規(guī)范對(duì)定的保護(hù)層厚度檢驗(yàn)要求[4]

表3 保護(hù)層厚度理論保證率

2 目前我國(guó)規(guī)范保護(hù)層的若干規(guī)定中存在的問題

2.1 我國(guó)規(guī)范對(duì)混凝土保護(hù)層的規(guī)定

表1 GB50010-2002中的保護(hù)層最小厚度/mm

注：基礎(chǔ)中縱向受力鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度不應(yīng)小于40 mm;當(dāng)無墊層時(shí)不應(yīng)小于70 mm.

在實(shí)體檢驗(yàn)時(shí)，將保護(hù)層的施工誤差控制在梁+10 mm，-7 mm；板+8 mm，-5 mm，而且要求檢驗(yàn)合格點(diǎn)率要達(dá)到90%以上；每次抽樣檢驗(yàn)結(jié)果中不合格點(diǎn)的最大偏差均不應(yīng)大于規(guī)范允許偏差的1.5倍.如果以實(shí)際工程中的梁以最小保護(hù)層厚度Cmin=25 mm進(jìn)行保護(hù)層厚度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和施工控制，實(shí)測(cè)保護(hù)層厚度平均值u若為25 mm，在不同保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，保護(hù)層厚度的理論計(jì)算保證率列于下表，由此可見，σ≤5 mm時(shí)，檢驗(yàn)要求范圍的保證率才能達(dá)到90%以上(主控項(xiàng)目)，σ≤6 mm時(shí)，檢驗(yàn)要求范圍的保證率才能達(dá)到80%以上(一般項(xiàng)目)，這對(duì)一般工地來說如不采取專門措施是較難達(dá)到的，所以施工單位在施工前有必要對(duì)保護(hù)層厚度進(jìn)行專門的質(zhì)量控制.

針對(duì)目前規(guī)范對(duì)保護(hù)層厚度要求如此嚴(yán)格，規(guī)范的編制小組認(rèn)為[5]：①鋼筋保護(hù)層厚度控制不需要高新技術(shù)；②施工單位注意施工質(zhì)量，采取措施可以做到；③規(guī)范不能遷就現(xiàn)狀而應(yīng)促進(jìn)質(zhì)量提高；④普遍感到困難正證明傳統(tǒng)對(duì)此忽視；⑤為保證工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全應(yīng)堅(jiān)持有關(guān)檢驗(yàn).

2.2 實(shí)際工程實(shí)例

表4列出了數(shù)十項(xiàng)實(shí)際工程的受力鋼筋保護(hù)層厚度實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果[6].這些工程中，梁、柱保護(hù)層厚度檢測(cè)的工程有高層筒體結(jié)構(gòu)、多層框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)(僅測(cè)樓蓋梁)，建造年代多為20世紀(jì)70-90年代；板保護(hù)層厚度檢測(cè)的工程多為1995年后建造的高層筒體結(jié)構(gòu)、高層剪力墻結(jié)構(gòu)和多層磚混結(jié)構(gòu).絕大多數(shù)工程的總體施工質(zhì)量良好，但發(fā)現(xiàn)鋼筋保護(hù)層厚度控制質(zhì)量存在較大問題.柱、梁和板面受力鋼筋保護(hù)層厚度明顯偏大，板底受力鋼筋保護(hù)層厚度基本與設(shè)計(jì)值相符；不論何種構(gòu)件，受力鋼筋保護(hù)層厚度的離散型均很大，同類構(gòu)件的級(jí)差均在8倍以上.這數(shù)十項(xiàng)工程中，未發(fā)現(xiàn)一項(xiàng)工程的受力鋼筋保護(hù)層厚度偏差能達(dá)到表2的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求.因此，我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)中受力鋼筋保護(hù)層厚度偏差達(dá)不到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求是普遍現(xiàn)象.

表4 多項(xiàng)工程的保護(hù)層厚度實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 箍筋保護(hù)層厚度的控制普遍不受到重視

對(duì)大多數(shù)工程，梁、柱縱筋的保護(hù)層厚度偏大，但是梁、柱的箍筋保護(hù)層厚度確實(shí)偏小的，梁底箍筋特別如此.在對(duì)一些工程進(jìn)行加固的時(shí)候經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)梁底箍筋銹跡斑斑，其保護(hù)層厚度幾乎為零.

究其原因，在我國(guó)從規(guī)范制定到設(shè)計(jì)、施工，談到保護(hù)層都是指縱向受力鋼筋的保護(hù)層，對(duì)箍筋的保護(hù)層厚度很少重視.在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002中雖然規(guī)定了縱向受力鋼筋和箍筋的最小保護(hù)層厚度，但前者為強(qiáng)制性條文而后者為非強(qiáng)制性條文.作為雙控條件，經(jīng)常讓人認(rèn)為只要滿足了縱向受力鋼筋的保護(hù)層最小厚度，箍筋的保護(hù)層厚度就自然滿足，因此在施工現(xiàn)場(chǎng)就沒有嚴(yán)加控制箍筋的保護(hù)層厚度.在實(shí)際施工中由于箍筋加工的誤差以及現(xiàn)場(chǎng)人員的失誤，會(huì)導(dǎo)致箍筋的保護(hù)層厚度非常小，導(dǎo)致鋼筋的銹蝕.

美國(guó)混凝土規(guī)范ACI318-05規(guī)定[7]：作為抵抗外界環(huán)境和其他影響的鋼筋的混凝土保護(hù)層是指縱向受力鋼筋的外表面到截面邊緣的垂直距離.如果橫向鋼筋包圍主要受力鋼筋，保護(hù)層厚度從箍筋，拉筋或螺旋筋的外表面算起；如果沒有拉筋和箍筋，多排鋼筋從最外層鋼筋算起；對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋算到金屬端部裝置或輸送管.而我國(guó)規(guī)范GB50010-2002規(guī)定的保護(hù)層厚度是從縱向受力鋼筋外表面算起，對(duì)箍筋保護(hù)層厚度要求另行規(guī)定.

2.4 環(huán)境對(duì)混凝土保護(hù)層的影響

文獻(xiàn)[8]通過公式計(jì)算出了北京、上海、西安、廣州、烏魯木齊和成都等六個(gè)典型城市的混凝土最小保護(hù)層值，其差異很大.因此由于地區(qū)環(huán)境(溫度、濕度)的差異，對(duì)混凝土最小保護(hù)層厚度控制要求也有所不同.有關(guān)資料顯示，氣候比較干燥的蘭州、長(zhǎng)春等地鋼筋銹蝕較慢，僅為北京、濟(jì)南地區(qū)的60%左右，而常年多雨的干濕交替頻繁的武漢、杭州地區(qū)銹蝕較快為北京、濟(jì)南的1.6倍.而規(guī)范GB50010-2002僅按環(huán)境類別對(duì)保護(hù)層厚度進(jìn)行了不同的取值，沒有考慮到地區(qū)氣候的差異性.

3 對(duì)混凝土保護(hù)層厚度控制的幾點(diǎn)看法

3.1 加強(qiáng)管理確?；炷帘Ｗo(hù)層質(zhì)量

隨著規(guī)范GB50010-2002增加了結(jié)構(gòu)實(shí)體鋼筋保護(hù)層厚度檢驗(yàn)的內(nèi)容，鋼筋保護(hù)層厚度越來越被重視，這也說明目前我們國(guó)家對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重視.有些學(xué)者通過對(duì)比中國(guó)和美國(guó)、歐洲的混凝土規(guī)范，發(fā)現(xiàn)我國(guó)對(duì)混凝土保護(hù)層厚度的取值略低于國(guó)外，要求我國(guó)規(guī)范提高混凝土保護(hù)層厚度的取值.但實(shí)踐證明，在現(xiàn)行規(guī)范框架內(nèi)，這種辦法是不可行的.一個(gè)很重要的原因是保護(hù)層加大后，在進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí)，構(gòu)件的最大裂縫寬度便不能滿足最大裂縫寬度限制要求.其次，從實(shí)踐來看，我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕主要不是由于規(guī)范規(guī)定的保護(hù)層厚度不夠造成的，而是由于施工中保護(hù)層厚度沒有達(dá)到規(guī)范規(guī)定的最小值，因此我們應(yīng)該提高施工質(zhì)量使混凝土保護(hù)層達(dá)到規(guī)范要求.對(duì)施工單位而言，控制混凝土保護(hù)層厚度不需要高新技術(shù)，只是在工程管理過程中稍加注意，這就是規(guī)范要把混凝土保護(hù)層檢驗(yàn)合格率控制在90%以上的原因.

3.2 采取構(gòu)造措施確保混凝土保護(hù)層質(zhì)量

要想控制混凝土保護(hù)層的施工質(zhì)量，有必要在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采取措施.根據(jù)歐美國(guó)家建筑工程中的一些先進(jìn)做法，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，混凝土保護(hù)層的施工構(gòu)造可考慮采用以下改進(jìn)形式[9]：采用聚乙烯等高分子材料制作鋼筋定位夾具、采用聚乙烯等高分子材料制作墊塊、采用定型的砂漿或細(xì)石混凝土墊塊、采用聚乙烯與砂漿的組合夾具、采用聚乙烯等高分子材料制作模板定位夾具.

3.3 保證施工質(zhì)量

控制混凝土保護(hù)層厚度的目的是增加混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，而施工質(zhì)量對(duì)耐久性的重要性也許怎么估計(jì)都不會(huì)過分[10].如果混凝土養(yǎng)護(hù)不良，強(qiáng)度受到影響的僅限于表層混凝土，而耐久性靠的就是表層混凝土的質(zhì)量，養(yǎng)護(hù)不良可是表層混凝土的抗侵入性成倍降低.在Dura Crete的設(shè)計(jì)指南中，規(guī)定7天的養(yǎng)護(hù)時(shí)間如減為1天，相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)將增加到原有的2倍(氯離子作用下)和4倍(碳化作用下)，對(duì)于本來可以防銹50年的結(jié)構(gòu)，將降為約25年和12.5年.此外養(yǎng)護(hù)質(zhì)量高低也非養(yǎng)護(hù)天數(shù)所能概括的.鋼筋位置的施工誤差同樣不能忽視，按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的墻、板保護(hù)層最小厚度如僅出現(xiàn)5 mm的施工允許誤差，就可使鋼筋開始發(fā)生銹蝕的年限幾乎縮短一半.因此對(duì)施工質(zhì)量保證必須作為耐久性設(shè)計(jì)中一個(gè)特殊重要的內(nèi)容列入設(shè)計(jì)文件，重點(diǎn)是確保表層混凝土的質(zhì)量(密實(shí)性和防裂)與保護(hù)層厚度.

3.4 我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)混凝土保護(hù)層厚度的要求應(yīng)進(jìn)一步完善

我國(guó)新的混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范相對(duì)于舊規(guī)范來說對(duì)混凝土保護(hù)層厚度的規(guī)定有了明顯的進(jìn)步，但是還有進(jìn)一步完善的必要，現(xiàn)建議如下：①關(guān)于箍筋最小保護(hù)層厚度要求宜改為：梁、柱箍筋的保護(hù)層厚度不應(yīng)小于相應(yīng)縱筋保護(hù)層層厚度減去相應(yīng)箍筋直徑，并不小于20 mm；②對(duì)于地理位置和氣候帶來的影響，建議規(guī)范按地理特征增加一個(gè)相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù).

3.5 只有各方重視才能提高保護(hù)層的質(zhì)量

保護(hù)層厚度已成為我國(guó)混凝土施工結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制的最大薄弱環(huán)節(jié)之一，已經(jīng)引起了規(guī)范制定、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理以及建設(shè)單位各方面的高度重視.

混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50204-2002增加了混凝土的實(shí)體檢驗(yàn)的內(nèi)容，并規(guī)定結(jié)構(gòu)實(shí)體檢驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)包括混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋保護(hù)層厚度以及工程合同約定的項(xiàng)目；必要時(shí)可檢驗(yàn)其他項(xiàng)目.在規(guī)范附錄E明確表達(dá)了結(jié)構(gòu)實(shí)體中鋼筋保護(hù)層厚度檢驗(yàn)的方法.作為施工單位而言，對(duì)混凝土保護(hù)層要進(jìn)行專項(xiàng)控制，有必要采取一定的構(gòu)造措施.監(jiān)理方面要協(xié)助施工單位做好檢查工作，嚴(yán)格把關(guān)，做好結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土保護(hù)層厚度檢驗(yàn)的見證工作.

總之，只要各方共同努力就一定會(huì)提高混凝土保護(hù)層厚度的質(zhì)量，確保工程的安全性和耐久性.

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