大氣二氧化碳腐蝕環境下混凝土對鋼筋的保護亟待加強

程志宏，黃光輝，潘宗芳，賈文學

（1. 秦皇島市建設工程質量監督站，河北 秦皇島 066000；2. 貴州畢節磐石建材有限公司，貴州 畢節 551603）

大氣二氧化碳腐蝕環境下混凝土對鋼筋的保護亟待加強

程志宏1，黃光輝2，潘宗芳2，賈文學1

（1. 秦皇島市建設工程質量監督站，河北 秦皇島 066000；2. 貴州畢節磐石建材有限公司，貴州 畢節 551603）

本文論述了影響混凝土對鋼筋保護作用的關鍵因素。論證了二氧化碳腐蝕環境下按現行標準規范設計、施工、檢驗驗收的混凝土結構，其有效鋼筋保護層厚度不足以保證結構在全設計使用期的安全。通過分析調研確認了大氣二氧化碳腐蝕環境及人為因素影響下的混凝土結構，其鋼筋保護層混凝土質量不足以保證結構在全設計使用期的安全。因此，大氣二氧化碳腐蝕環境下混凝土對鋼筋的保護亟待加強。

大氣二氧化碳濃度；混凝土碳化；鋼筋混凝土保護層

1 影響混凝土對鋼筋保護作用的關鍵因素

1.1 鋼筋混凝土保護層的厚度

清華大學教授中國工程院陳肇元院士在《鋼筋的混凝土保護層設計要求急待改善》一文中指出，混凝土結構的安全使用年限近似與保護層厚度的平方成反比關系。因此，鋼筋的混凝土保護層厚度是影響混凝土對鋼筋保護作用的主要因素之一。

1.2 保護層混凝土的堿度

建立并維持保護層混凝土較高堿度的堿性環境對保障鋼筋表面鈍化膜的穩定與完整具有十分重要的意義。

要建立保護層混凝土較高的堿度的堿性環境，需要單方混凝土硅酸鹽水泥熟料用量達到一定的水平之上。中國工程院土木水利與建筑學部工程結構安全性與耐久性研究咨詢項目組在《混凝土結構耐久性設計與施工指南》中，建議單方混凝土水泥熟料用量不低于 240kg。

1.3 保護層混凝土的密實度與抗水、氣滲透能力、抗裂性能

要隔絕外部環境因素對鋼筋的影響，鋼筋的保護層混凝土必須具備一定的密實度。即使擁有再厚的保護層，如果保護層混凝土本身不密實，也是無法為鋼筋提供有效保護的。貫穿保護層混凝土的裂縫可成為腐蝕性介質源源不斷抵達鋼筋表面的通道。因此，只有密實度良好擁有抗水、抗氣滲透、抗裂性能的混凝土才能為鋼筋提供有效的保護。

2 大氣二氧化碳腐蝕環境對混凝土鋼筋保護作用的影響

隨著人類活動造成的大氣污染日益加劇，大氣二氧化碳濃度正逐年提高。據聯合國最新發布的《年度溫室氣體公報》顯示，地球大氣之中所含二氧化碳的濃度與過去 20 年相比，呈現出加速上升的趨勢。2013 年，大氣中二氧化碳的濃度就達到了有記錄以來的最高水平，大氣中二氧化碳的平均濃度接近 400ppm——這一濃度水平比工業革命前約增加了40%。目前二氧化碳濃度上升速度之快超過了 1984 年以來的任何時期。因此大氣中二氧化碳濃度對混凝土的影響值得關注。

混凝土的碳化是引起鋼筋銹蝕影響混凝土耐久性的重要原因之一。氯離子是鋼筋混凝土結構在正常使用壽命期間危險腐蝕性介質。正常情況下，鋼筋混凝土結構中，鋼筋在堿性環境條件下，生成一層厚度很薄的鈍化膜，保護鋼筋不發生銹蝕。混凝土碳化會削減混凝土對鋼筋的保護作用，而對于保護層厚度不足、密實度不良、裂縫較多的低質量混凝土碳化程度則更為嚴重。碳化超過混凝土的保護層厚度時，鋼筋就會開始銹蝕，嚴重影響鋼筋混凝土的耐久性。混凝土碳化對鋼筋混凝土結構的耐久性影響不容忽視。

3 大氣二氧化碳腐蝕下的混凝土對鋼筋的保護作用亟待加強

3.1 大氣二氧化碳腐蝕下鋼筋的混凝土保護層厚度不足以為鋼筋提供有效的保護

GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》與 GB 50204—2015《混凝土結構工程質量驗收規范》關于鋼筋保護層的規定不協調。GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》在沒有充分考慮必要的施工偏差對保護層有效厚度的影響的情況下，規定的鋼筋的混凝土保護層厚度設計值（表1）明顯低于國際知名規范的規定。GB 50204—2015《混凝土結構工程質量驗收規范》附錄 E 又規定了較大的施工檢驗允許負偏差。在設計和施工均符合規范規定的理想條件下，能保證的鋼筋的混凝土保護層有效厚度僅僅 7～9mm。實際施工過程中這樣的理想狀態是得不到保障的。而設計單位對混凝土耐久性要求在設計文件中也未全面的詳細說明，依據《中華人民共和國建筑法》第五十六條的規定，設計單位在設計文件中應明確規定出混凝土產品的大氣二氧化碳腐蝕環境中混凝土抗碳化性能等技術指標。

表1 C30 普通混凝土梁柱構件鋼筋保護層厚度設計值/施工檢驗許可值比較

② 權威組織：指中國工程院土木水利與建筑學部工程結構安全性與耐久性研究咨詢項目組。建議值見《混凝土結構耐久性設計與施工指南》。

③ 權威學者：指西安建筑科技大學徐善華、牛荻濤等人。建議值見《大氣環境條件下混凝土最小保護層厚度研究》[1]。

④ 中國施工允許最大負偏差見 GB 50204—2015《混凝土結構工程質量驗收規范》附錄 E。

3.2 陰陽配合比無法保證保護層混凝土堿性環境穩定性

當前有很多陰陽配合比的情況出現，單方混凝土實際硅酸鹽水泥用量普遍遠低于有關標準規范的規定和施工圖設計文件的要求。以常用的 C30 泵送混凝土為例，根據筆者在全國范圍內的調研，單方混凝土普通硅酸鹽水泥用量一般在170～ 220kg。

由于國內普通硅酸鹽水泥熟料用量一般達不到標準規定的含量（不少于 75%），單方混凝土硅酸鹽水泥熟料用量一般在 120～160kg，遠低于《混凝土結構耐久性設計與施工指南》單方混凝土水泥熟料用量不低于 240kg 的建議值（表2）。因此，陰陽配合比導致單方混凝土硅酸鹽水泥熟料實際用量不足，難以在保護層混凝土中建立與維持確保鋼筋鈍化膜穩定與完整的堿性環境。

表2 實地調研獲得的全國各地攪拌站實際生產配合比單方混凝土硅酸鹽水泥熟料含量 kg/m3

表3 標準規范規定的水泥品種與用量 kg/m3

3.3 養護不良導致保護層混凝土密實度變差，難以為鋼筋提供保護

要縮短養護時間，就不能使用低成本大摻合料混凝土；要使用低成本大摻合料混凝土，就必須延長養護時間。

面對激烈的競爭壓力，當前比較普遍的情況是既使用低成本大摻量礦物摻合料混凝土，但又難以保證必要的養護。片面追求施工進度，早拆模成為常態。由于過早拆模、養護不良等原因，混凝土表層過快失水，形成利于腐蝕介質快速滲透的連通的毛細孔結構。劣化的保護層混凝土難以抵御空氣中二氧化碳和水蒸氣聯合作用形成的碳化腐蝕，一個月齡期混凝土碳化深度一般在 4～6mm，嚴重者達 10mm 以上。而正常情況下，2 年齡期混凝土碳化深度應不超過 1mm。表3 為 GB 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》規定的養護條件與實際施工養護比較。

3.4 混凝土抗裂性能差，難以為鋼筋提供有效保護

有關研究表明，要保證混凝土具備良好的抗裂性能，水泥的比表面積最好不高于 320m2/kg[2-3]。JTG/T B07—01—2006《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》建議水泥比表面積不宜超過 350m2/kg。

一方面，水泥生產企業為了追求高早強，不斷提高水泥細度。另一方面，為了超標加入更多礦物混合材以降低成本，也要盡可能增加細度以保證強度。

因此，水泥生產與銷售中也一樣存在著嚴重的陰陽配合比問題。市售量產普通硅酸鹽水泥組分中的硅酸鹽水泥熟料含量遠低于質量證明文件明示的含量。連國家標準《通用硅酸鹽水泥》規定的普通硅酸鹽水泥中熟料和石膏含量不得低于 80% 的規定都難以達到。

現在國內水泥比表面積大多在 380m2/kg 左右，少數企業的產品比表面積甚至更高，超過 400m2/kg。水泥生產片面追求高細度、大早強，混凝土抗裂性能因此變差，對鋼筋的保護作用減弱。尤其是現階段高濃度二氧化碳的大氣條件下，裂縫形成通道，加大了碳化深度，更無法保證混凝土對鋼筋提供有效的保護。

表4 GB 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》規定的養護條件與實際施工養護比較

4 加強混凝土對鋼筋保護的關鍵舉措

4.1 提高施工檢驗允許的最低鋼筋混凝土保護層厚度

GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》應在考慮實際施工偏差情況下，參照美國混凝土規范 ACI318—05 的規定，適當提高鋼筋保護層厚度設計值，以保證施工結束后最終鋼筋保護層的有效厚度仍滿足確保結構在全設計試用期內安全的要求。保證鋼筋保護層必要的有效厚度，對對抗大氣碳化作用有十分重要的意義。

當然，GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》也可以強調其規定的鋼筋保護層厚度不包含施工允許偏差，要求結構設計人員在編制施工圖設計文件時應根據實際施工與質量管理控制水平，另行確定施工允許偏差，以規范規定值＋施工允許最大負偏差作為鋼筋保護層厚度的設計值。

示例：

GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》規定的梁柱混凝土構件鋼筋保護層厚度 20mm。

施工允許最大負偏差 -10mm。

施工圖設計文件規定的鋼筋保護層厚度≥20+10=30mm

4.2 確實保障混凝土質量以達到對鋼筋的有效保護

具備良好密實性、抗裂性、較高的堿度的混凝土是保護鋼筋不銹蝕的基礎。不談保護層混凝土的質量，單純討論保護層混凝土的厚度是沒有任何意義的。

如果混凝土自身孔結構不良、抗滲透能力較差，或者混凝土堿度不足以維持鋼筋鈍化膜的穩定域完整，即使在有效保護層厚度達標的情況下也無法隔絕外界侵蝕性介質到達鋼筋表面，不能對鋼筋提供有效防護。

4.3 加強養護管理，確保保護層混凝土質量

由于鋼筋保護層混凝土處于混凝土結構體的最表層，其水泥水化、孔結構形成、強度增長受養護和其他外界因素的影響比混凝土結構體內部大得多，暴露在大氣環境下的混凝土極易因養護不良而得不到質量良好的混凝土保護層。早齡期混凝土碳化深度明顯是保護層混凝土質量劣化的重要標志。因此，養護階段采用合理的養護措施隔絕大氣對混凝土的影響，保證混凝土內在的反應完全，防止因暴露在大氣條件下形成密實度不良混凝土表面。

5 結論

現行大氣二氧化碳腐蝕環境下按現行標準規范設計、施工、檢驗驗收的混凝土結構，其有效鋼筋保護層厚度不足以保證結構在全設計使用期的安全。而受環境因素及不良人為因素影響下生產的出混凝土對鋼筋保護作用更不能滿足全設計使用期的安全。因此，大氣二氧化碳腐蝕環境下混凝土對鋼筋的保護亟待加強。

[1] 徐善華，牛荻濤，王慶霖，等．大氣環境條件下混凝土保護層取值的研究[J]．土木工程學報，2005（11）：45-50．

[2] 鐘明全，湯誕，孔佳偉，等．水泥細度及組成對橋梁結構混凝土性能的影響[J]．重慶交通大學學報（自然科學版），2011, 30(A02):1217-1220．

[3]湯誕．水泥細度和組成成分對連續剛構橋耐久性及潛在安全性的影響研究[D]．重慶：重慶交通大學[A]，2010．

［單位地址］河北省秦皇島市西港路79號秦皇島市建設大廈1312（066000）

程志宏（1987—），男，河北秦皇島人，秦皇島市建設工程質量監督站巡查科科員。從事建設工程質量監督工作。