軌道交通工程鋼筋保護層檢測與控制研究

丁雙雙，徐 可，柏靜怡

（1.蘇州中正工程檢測有限公司，江蘇 蘇州 215129；2.蘇州方正工程技術開發檢測有限公司，江蘇 蘇州 215123）

0 引言

軌道交通工程是惠及千家萬戶的民生工程，其使用時間久，負荷強度大，被破壞后后果極其嚴重。鋼筋保護層厚度的控制是軌道交通工程質量控制的重要環節。我國對于軌道工程的鋼筋保護層設計與驗收均是參照房屋建筑的標準規范。但是相較于普通建筑結構，軌道工程有如下特點：①構件尺寸大；②鋼筋直徑大，根數多；③設計使用年限長；④結構一般位于地下，溫差小，濕度大。軌道工程直接套用房建工程的驗收規范的合理性有待商榷。普通的混凝土制間隔件和塑料制間隔件也常不能承受鋼筋骨架等荷載而被壓碎、折斷，有必要找出新的保護層控制間隔件。

1 鋼筋保護層重要性分析

鋼筋混凝土結構利用了混凝土抗壓強度高、鋼筋抗拉強度高的優點，鋼筋保護層是保證兩者協同工作的前提條件。一般認為鋼筋保護層具有三個作用［1］。

1.1 保證鋼筋和混凝土整體受力

規范要求，當充分利用鋼筋的抗拉強度時，保護層必須達到一定的厚度，才能保證混凝土與鋼筋之間的握裹力。一旦鋼筋與混凝土之間喪失握裹力，鋼筋極易產生體外位移和屈曲，混凝土被拉斷，發生質量安全事故。

1.2 耐久性作用

鋼筋保護層保護鋼筋在設計使用年限內不會發生危及結構安全的銹蝕，保證結構的耐久性。鋼筋混凝土耐久性的年限可以按照式（1）計算［2］：

式中：t為鋼筋混凝土結構的剩余年限，年；t0為檢驗碳化深度時，結構的齡期，年；D為受力鋼筋的保護層厚度，cm；X為檢驗時結構的碳化深度，cm。

因此當鋼筋保護層厚度減小一半，耐久性年限只有原設計年限的 1/4，鋼筋保護層厚度對確保工程的使用壽命至關重要。

1.3 防火作用

混凝土一般可以承受 700℃ 高溫，鋼筋在 400℃ 以上，首先鋼筋屈服強度急劇降低，同時鋼筋的晶格改變而忽然膨脹，會影響混凝土與鋼筋共同受力。將鋼筋包裹在混凝土內部，可以緩解鋼筋的溫度，緩解結構倒塌失效時間，為人員以及物質疏散提供寶貴的緩沖時間。如果保護層過薄，發生火災時結構容易開裂，鋼筋失效，結構容易破壞［3］。

2 我國與發達國家對最小鋼筋保護層設計值的比較分析

在我國建筑結構實際使用過程中，未達到設計使用年限就發生梁底、板低鋼筋銹漲的現象屢見不鮮，如圖 1 所示。造成這一現象的主要原因就是施工質量不達標，保護層厚度不符合設計要求，同時我國規范對于最小保護層厚度設計的要求偏低也是不可忽略的因素。陳肇元院士指出，現有規范規定的最小的保護層設計值除了處于一級環境類別的混凝土結構外，不能滿足設計使用年限內避免鋼筋嚴重銹蝕的要求［4］。

圖1 板底及梁底鋼筋銹漲露筋

如表 1 所示，對比我國與發達國家的保護層最小限值發現，我國對各類構件的最小保護層設計值均小于發達國家保護層限值［5-6］。按照公式（1）計算發現，發達國家結構的耐久性年限是我國的 1.8～4 倍，這也是發達國家百年歷史的建筑隨處可見的原因。我國對于鋼筋混凝土保護層的允許偏差范圍是梁類構件（+10，-7），對于板類構件為（+8，-5）［7］。因此，保護層設計值為 25 mm 的梁構件，實測保護層厚度為 40 mm 時，在我國已經屬于不合格范圍，而在發達國家恰好剛達到設計值。通過與發達國家的最小保護層限值對比以及我國混凝土結構的實際使用效果，表明我國保護層限值偏小。

表1 我國與不同國家對于最小保護層設計值

我國建筑施工仍屬于粗放型施工，工人的施工素養遠達不到發達國家的經過專業培訓的施工人員，而我國對于保護層的偏差范圍卻嚴于發達國家，例如美國對梁構件的允許偏差為 13 mm，歐洲國家允許偏差為 10 mm。規范對偏差規定的過于嚴格，以至于不符合現階段的施工實際，這必將給施工控制、合格驗收帶來困難［2］。

我國驗收規范對于保護層的允許偏差范圍與保護層設計值的大小無關。如圖 2 所示，假若某梁當保護層設計值為 25 mm時，最小合格值為 18 mm，耐久性使用年限為設計使用年限的 0.52 倍，最大合格值為 35 mm，耐久性年限為設計使用年限的 1.96 倍；當保護層設計值35 mm 時，最小合格值為 28 mm，耐久性年限為設計使用年限的 0.64 倍，最大合格值為 45 mm，此時耐久性年限為設計使用年限的 1.65 倍。因此，保護層限值偏差對于不同保護層設計值的耐久性年限減小或者增加不統一，其合理性有待研究。

圖2 允許偏差對不同設計值構件的耐久性影響

3 軌道交通工程與普通房建工程的差異性分析

我國對于軌道工程的鋼筋保護層厚度的驗收規范采用的是房建工程的驗收規范，可是軌道工程與房建工程有較大的差異。

3.1 構件截面差異

鋼筋保護層偏大會減小構件的有效截面高度，降低構件的承載能力。普通鋼筋混凝土單筋梁的受彎承載力計算公式見式（2）：

式中：α1為應力等效系數；fc為混凝土強度設計值，MPa；b為構件截面寬度，mm；h0為構件的有效截面高度，mm；x為受壓區高度，mm；f′y為鋼筋抗壓強度設計值，MPa；A′s為受壓鋼筋面積，mm2；α′s為受壓邊緣到受壓區縱向受力鋼筋合力作用點之間的距離，mm。

表 2 為當保護層偏厚，對普通構件與軌道構件受彎承載力的影響。普通房建構件截面尺寸較小，保護層偏厚對于承載力降低有較大影響，但是軌道交通工程構件截面尺寸遠大于房建構件的截面尺寸，同時，軌道工程為百年工程，有足夠的安全富余系數，保護層偏厚，承載力降低可以忽略不計。

表2 保護層偏厚對不同構件受彎承載力的影響

3.2 環境差異

當溫差變化較大時，鋼筋混凝土構件的內部產生較大溫度場應力，該應力由表及里，逐漸減小，當保護層較大時，鋼筋對于溫度應力的抵抗效果較弱，混凝土容易被拉裂，所以限制鋼筋保護層過厚的另一個原因是利用鋼筋抵抗溫度應力，減少混凝土開裂。但是軌道工程位于地下，外界環境影響較小，且常年打開溫控設備，溫差變化極小。所以混凝土的溫度應力較小。

軌道工程一般位于地下，環境類別一般屬于Ⅱa 類，普通房建工程室內環境類別為Ⅰ類，所以軌道工程環境濕度一般較大。此外，軌道工程作為公共工程，人流量極大，空氣中 CO2的含量也較高。高濕度與高 CO2含量造成軌道工程混凝土的碳化速度更快，軌道工程的結構構件需要更大的鋼筋保護層厚度。

4 軌道交通工程鋼筋保護層厚度檢測

現有的鋼筋保護層檢測采用最多的是電磁感應法。由于軌道工程配筋量特別大，不但鋼筋直徑大，而且鋼筋間距極小，形成“鋼筋板”，鋼筋之間相互影響，鋼筋保護層掃描儀測得的鋼筋保護層厚度均存在較大誤差。JGJ/T 152－2008《混凝土中鋼筋檢測技術規程》規定，當其他鋼筋對檢測有影響時，應采用局部破損對其進行修正。文獻［8］提出當鋼筋鋼筋直徑的比值＜3時，需要對檢測值進行修正。現階段精準的測量方法是無損測量加上局部破損測量修正的方法。由于軌道交通工程是百年工程，一般禁止對構件進行局部破壞。為解決鋼筋間距太小引起的測量誤差同時不破壞原有結構，本文通過澆筑等同于軌道交通工程配筋的試件，驗證儀器測量值與實際保護層厚度的關系，為更精確地測量軌道交通工程構件的保護層厚度提供技術參考。

4.1 試件設計

澆筑等同于軌道工程實際配筋形式的梁和板構件，具體設計參數如表 3 所示，試件的加工及檢測如圖 3 所示。

表3 梁板試件的設計參數 mm

圖3 試件現場加工

4.2 試驗結果

儀器檢測與局部破損采用游標卡尺的檢測結果，如表 4 所示。梁構件儀器檢測結果約為局部破損測量值的 0.85 倍，這就表明了鋼筋間距小，相鄰鋼筋對檢測值影響較大，儀器測值明顯小于實際鋼筋保護層值，需要對儀器測量結果進行修正。具體的修正系數需要根據鋼筋直徑、鋼筋間距、鋼筋保護層厚度有關，需要大量的試驗數據進行擬合確定。

表4 儀器測值與破損測值對比

板構件儀器測值與局部破損實測值相近，板構件儀器檢測結果約為局部破損測量值的 0.94 倍，鋼筋間距較大后，相鄰鋼筋對檢測結果的影響較弱。板類構件儀器的精度可以達到工程實際的精度要求。

5 現階段施工中對鋼筋保護層控制存在的問題

5.1 使用混凝土制間隔件

我國現階段施工中常采用綁扎砂漿（混凝土）間隔件的方法，如圖 4 所示。混凝土間隔件強度低、綁扎不牢固。綁扎、澆筑、振搗都容易使其脫落、移位、折斷，在板底放置間隔件甚至會被壓碎。實際工程應用中，砂漿（混凝土）間隔件一般在工地現場制作，強度、尺寸隨意性大，而混凝土間隔件的強度、密實度、尺寸均無相關的檢測標準，這給驗收帶來困難。這也是造成鋼筋保護層厚度不符合設計的主要原因。此外，混凝土間隔件綁扎位置隨意，常常會對保護層的控制出現較大的偏差。日本已經明確規定不得采用混凝土制間隔件。

圖4 混凝土制間隔件使用中出現的問題

5.2 使用墊筋

軌道交通工程配筋率高，單根鋼筋質量大，鋼筋綁扎難度大，在板底或梁底布筋時，現場實際施工過程中，間隔件上經常放一根玻璃纖維筋便于鋼筋綁扎。但是墊的鋼筋圓度，以及和間隔件高度的配合難以精確達到設計的保護層厚度，容易使保護層偏厚或者偏薄。同時墊筋剛度小，在上部鋼筋骨架荷載作用下，產生較大的撓度，最終保護層厚度控制值不均勻，偏差較大，給保護層控制帶來難度，如圖 5 所示。

圖5 間隔件配合墊筋的使用示意圖

5.3 使用塑料間隔件

塑料間隔件通過工廠統一生產，加工精度高，但是其穩定性、剛度有欠缺，在作為間隔件被壓裂、變形的現象時有發生。同時，混凝土與塑料間隔件的粘接性能差，塑料間隔件與混凝土的黏合效果差，容易在塑料和混凝土之間形成間隙，環境介質通過縫隙腐蝕鋼筋。塑料制品在發生火災時，外露的塑料焚燒會產生大量有毒有害氣體。

6 鋼制間隔件在軌道工程中的應用效果

為解決混凝土制間隔件和塑料制間隔件對保護層控制的缺點，采用一種新型鋼制間隔件，該間隔件具有保護層控制效果好、控制厚度可以隨意變化，費用較低等優點（見圖 6）。

圖6 鋼制鋼筋保護層控制間隔件

為了對比鋼制間隔件與混凝土制間隔件對保護層控制的效果，以某軌道工程的柱、剪力墻進行實際工程應用效果評價，如圖 7 所示，檢測數據如表 5～表 6 所示。

圖7 混凝土制間隔件與鋼制間隔件的應用效果現場驗證

根據表 5 和表 6 所示，對剪力墻構件，采用鋼制間隔件保護層合格率為 100 %，采用混凝土制間隔件保護層合格率為 83.3 %；對柱構件，采用鋼制間隔件保護層合格率為100 %，采用混凝土制間隔件保護層合格率為 33.3 %。根據圖 8 所示，采用鋼制間隔件，保護層測值差異較小，采用混凝土制間隔件的曲線上下波動較大，表明混凝土間隔件控制質量離散性較大。

表5 采用鋼制間隔件與普通混凝土間隔件的剪力墻檢測結果對比

表6 采用鋼制間隔件與普通混凝土間隔件的柱檢測結果對比

圖8 混凝土制間隔件與鋼制間隔件的應用效果

7 結語

1）工程實際應用效果以及與發達國家的規范相比，我國規范對于鋼筋保護層最小設計值的規定偏小。

2）軌道工程與房建工程相比，在構件尺寸、環境條件具有較大的差異，軌道交通工程直接套用房建工程的驗收規范的合理性有待商榷。

3）軌道交通工程配筋量大，現有的鋼筋保護層檢測設備，對于軌道交通工程的梁構件的檢測結果偏小，應當進行修正。

4）鋼制間隔件具有保護層控制效果好、控制厚度可以隨意變化，費用較低等優點。