淺析混凝土保護(hù)層的作用及設(shè)計(jì)控制

羊偉慶

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中容易被忽視，我國的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題十分嚴(yán)重，部分已經(jīng)影響結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)使用壽命，還危及結(jié)構(gòu)安全。混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程中選擇和確保適當(dāng)?shù)幕炷帘Ｗo(hù)層厚度非常必要。混凝土構(gòu)件的耐久年限主要取決于混凝土保護(hù)層完全被碳化所需要的時(shí)間，增加混凝土保護(hù)層厚度，可以保證結(jié)構(gòu)的使用壽命，但過厚的保護(hù)層會使受彎構(gòu)件開裂彎矩降低，并容易導(dǎo)致構(gòu)件過早出現(xiàn)裂縫，反而對結(jié)構(gòu)耐久性有不利影響，因此在具體的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須合理的確定混凝土的保護(hù)層厚度。

1 鋼筋混凝土保護(hù)層對結(jié)構(gòu)的影響

1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及保護(hù)層的作用

鋼筋混凝土保護(hù)層在保證結(jié)構(gòu)受力性能、結(jié)構(gòu)安全和持久性、結(jié)構(gòu)耐火性能等方面具有重要作用。鋼筋混凝土構(gòu)件由鋼筋和混凝土組成，鋼筋有較強(qiáng)的抗拉、抗壓強(qiáng)度;混凝土抗壓強(qiáng)度較高，但抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/10左右。鋼筋和混凝土的線膨脹系數(shù)接近，兩者結(jié)合能發(fā)揮各自的材料強(qiáng)度，提高構(gòu)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(dá)到一定強(qiáng)度后，兩者之間能建立足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。混凝土保護(hù)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(jié)力。如果鋼筋保護(hù)層厚度過小，鋼筋過分靠近結(jié)構(gòu)構(gòu)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(hù)層對鋼筋還起到化學(xué)保護(hù)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(zhì)腐蝕，在表層混凝土隨著時(shí)間的推移而逐漸碳化后，邊緣鋼筋失去保護(hù)而導(dǎo)致鋼筋銹蝕，鋼筋與混凝土之間也會逐漸失去粘結(jié)力，從而影響構(gòu)件的耐久性。

1.2 保護(hù)層對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力的影響

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件截面承載力設(shè)計(jì)時(shí)，采用了基本假定，混凝土開裂后拉應(yīng)力完全由鋼筋承擔(dān)，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(diǎn)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(yuǎn)，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(xué)效能也就越高。保護(hù)層過厚時(shí)，會使截面的有效高度 h0減小，削弱構(gòu)件的承載能力，特別是對那些截面高度較小的構(gòu)件，這種情況更明顯。

1.3 保護(hù)層對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響

保護(hù)層還起著保護(hù)鋼筋不被銹蝕的作用，以確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，保護(hù)層作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面:1)物理保護(hù)，混凝土緊緊包裹在鋼筋表面，保護(hù)鋼筋免受外力和環(huán)境中有害物質(zhì)的直接侵害;2)化學(xué)保護(hù)，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(shè)計(jì)時(shí)合理確定保護(hù)層厚度并保證施工質(zhì)量，就能最大程度的保護(hù)鋼筋免受銹蝕，延緩混凝土碳化深度到達(dá)鋼筋表面的時(shí)間，確保結(jié)構(gòu)的使用年限。此外，保護(hù)層對混凝土內(nèi)部的鋼筋還具有一定的防火功能。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，保護(hù)層能延緩結(jié)構(gòu)喪失承載能力的時(shí)間，為消防救援贏得時(shí)間。

2 保護(hù)層厚度的影響因素及相關(guān)的規(guī)范要求

GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)環(huán)境類別、構(gòu)件類型及混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑等規(guī)定了混凝土保護(hù)層的最小厚度。縱向受力的普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋，其混凝土保護(hù)層最小厚度(鋼筋外邊緣至混凝土表面距離)不應(yīng)小于鋼筋的公稱直徑，且應(yīng)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(hù)層厚度大于40 mm時(shí)，應(yīng)采取有效防裂構(gòu)造措施，通常是在混凝土保護(hù)層中離構(gòu)件表面一定距離處增設(shè)由細(xì)鋼筋制成的構(gòu)造鋼筋網(wǎng)片。GB 50204-2002混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范特別提出了對鋼筋保護(hù)層厚度的檢驗(yàn)規(guī)定，對檢驗(yàn)的結(jié)構(gòu)部位和構(gòu)件數(shù)量及驗(yàn)收方法，都做了明確的說明，并對檢驗(yàn)的允許偏差范圍做了規(guī)定:鋼筋保護(hù)層厚度檢驗(yàn)時(shí)，縱向受力鋼筋保護(hù)層厚度的允許偏差，對梁類構(gòu)件為+10 mm，-7 mm;對板類構(gòu)件為+8 mm，-5 mm。現(xiàn)行規(guī)范不僅對鋼筋驗(yàn)收時(shí)鋼筋保護(hù)層厚度做出了具體要求，并且對混凝土的鋼筋保護(hù)層提出了檢測的要求，只對受彎構(gòu)件梁、板進(jìn)行鋼筋保護(hù)層厚度的實(shí)體檢驗(yàn)，并且強(qiáng)調(diào)懸臂構(gòu)件應(yīng)作為檢查的重點(diǎn)。

3 保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)控制

3.1 注意保護(hù)層厚度與截面的有效高度

在鋼筋混凝土樓蓋設(shè)計(jì)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(hù)層。在主梁的支座處，次梁與主梁的支座負(fù)筋相互交叉，主梁的負(fù)筋在次梁的負(fù)筋下面，見圖1。因此，計(jì)算主梁支座鋼筋時(shí)，其截面有效高度應(yīng)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(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分重視，否則會造成構(gòu)件的截面實(shí)際承載力小于計(jì)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(guān)，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(hù)層厚度必須達(dá)到規(guī)范規(guī)定值要求。在具體的工程設(shè)計(jì)過程中必須結(jié)合工程使用特點(diǎn)確定環(huán)境類別，從而確定合理的保護(hù)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(yù)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(hù)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(hù)層應(yīng)適當(dāng)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(dǎo)致混凝土開裂，板面鋼筋應(yīng)選擇較細(xì)直徑，且施工時(shí)應(yīng)設(shè)置足夠的支撐將負(fù)筋撐起靠近板面。

4 結(jié)語

鋼筋混凝土構(gòu)件保護(hù)層厚度直接影響構(gòu)件的承載力和耐久性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須予以充分重視，依據(jù)規(guī)范要求，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境類別、構(gòu)件類型、混凝土強(qiáng)度等確定混凝土保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)值。保護(hù)層的控制，合理的設(shè)計(jì)是前提，在施工中嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，采取合理的技術(shù)和管理措施保證鋼筋的位置是關(guān)鍵。

[1] GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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[5] 舒士霖.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[M].第2版.杭州:浙江大學(xué)出版社，2002:37-38.