浅谈钢筋混凝土构件保护层

作者简介：孙秀红 女 土木工程系
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孙秀红 刘红霞
[文章摘要] 钢筋混凝土构件的保护层厚度直接影响着构件的耐久性和承载能力，所以在钢筋混凝土构件设计和施工中应采取有效控制措施，保证保护层厚度的准确性。

[关 键 词] 钢筋混凝土构件，保护层，承载力，耐久性，控制措施
0 引言
混凝土保护层被完全碳化通常是钢筋锈蚀的重要前提,而碳化所需时间同其厚度成正比，构件的耐久年限主要取决于混凝土保护层完全被碳化所需要的时间。

从这个角度来讲,增加混凝土保护层厚度,可以保证结构的使用寿命。

但试验证明[1]
，过厚的保护层会降低受弯构件开裂弯矩,当试验荷载处于破坏荷载的15%～20%时,构件就开始出现裂缝。

同时，过厚的保护层容易在构件表面出现较大的收缩及温度裂缝,在受外力碰撞后容易破碎缺损,对结构耐久性有不利影响。

所以，可以针对使用年限、大气环境、水灰比等参数对混凝土保护层厚度进行耐久性优化设计[2]
，并在此基础上，采取有效的施工控制措施，确保钢筋混凝土构件保护层位置的正确。

1 钢筋混凝土构件保护层厚度的确定 1.1 钢筋混凝土构件的工作原理
钢筋混凝土构件由钢筋和混凝土组成。

就原材料的力学性能而言，钢筋有较强的抗拉、抗压强度，但混凝土只有较强的抗压强度，而抗拉强度却很低。

但两者弹性模量接近，有较好的化学胶结力、摩擦力和机械咬合力，所以二者结合，既能发挥各自的材料强度，大大提高构件的承载力，又能很好地协调工作，改善混凝土的脆性。

结构计算时，由于混凝土的抗拉强度很低，为简化计算，一般混凝土只考虑承受压应力，而拉应力则全部由钢筋来承担。

为防止钢筋锈蚀和保证钢筋与混凝土的紧密粘
结，梁、板、墙、柱都应具有足够的保护层（受力钢筋外边缘到混凝土外边缘的最小距离称为保护层厚度）。

1.2 保护层对混凝土结构承载力的影响
钢筋混凝土构件截面承载力设计时，从受弯构件的正截面承载力计算式：M ≤ Mu = α1*fcbh 02*αs [3]可以看出，混凝土开裂后拉力完全由钢筋承担，弯矩M 与截面的有效高度h 02成正比。

即h 0(受拉钢筋合力作用点到混凝土受压区边缘的距离)越大，其受拉钢筋离受压区越远，其单位面积的钢筋所能承受的外部弯矩也越大，这样钢筋发挥的力学效能也就越高。

保护层过厚时，会使截面的有效高度h 0减小，削弱构件的承载能力，特别是对那些截面高度较小的构件，这种情况更明显、更危险；然而保护层如过小，即受拉钢筋靠近钢筋混凝土构件的边缘时，则会产生以下后果：钢筋周围由于粘结滑移所引起的裂缝很容易发展到构件表面，形成沿纵向钢筋的裂缝，使保护层混凝土发生劈裂破坏，而且难以抵御外界氯离子及其他介质侵入结构内部，导致钢筋、混凝土腐蚀破坏及形成应力腐蚀,直接影响结构的耐久性，甚至还会导致整个构件的破坏。

1.3 保护层对混凝土结构耐久性的影响
在钢筋混凝土结构中，保护层作用体现在两个方面：一是物理保护：混凝土紧紧包裹在钢筋表面，保护钢筋免受外力和环境中有害物质的直接侵害；二是化学保护，水泥水化时析出大量的Ca (OH) 2 ，
混凝土的初始碱度较高(pH > 12)，钢筋表面形成一种致密的钝化膜,可避免钢筋锈蚀，所以影响保护层作用机理的主要是材料本身性能和保护层的厚度，提高混凝土密实性、合理设置保护层的厚度是抑制混凝土结构钢筋腐蚀、提高结构耐久性的有效措施。

1.4 保护层厚度的影响因素
规范[4]对钢筋保护层的厚度作了规定，如表1所示。

由表1可以看出，影响混凝土保护层大小的因素有：环境类别、构件类型及混凝土强度、钢筋直径等。

规范[4]规定，对梁、柱中纵向受力钢筋保护层厚度大于40mm时，应采取有效防裂构造措施，通常是在混凝土保护层中离构件表面一定距离处全面增设由细钢筋制成的构造钢筋网片。

而且只对受弯构件梁、板进行钢筋保护层厚度的实体检验，并且强调悬臂构件应作为检查的重点。

这是因为钢筋移位（保护层变化）对受弯构件的结构性能有着直接而重要影响的缘故。

所以钢筋的保护层厚度必须从设计和施工角度严格设置，以保证构件的承载力、耐久性要求。

2 钢筋混凝土构件保护层厚度的设计控制措施
钢筋混凝土构件设计时，对于保护层厚度确定，应综合考虑耐久性、粘结锚固以及截面有效高度3个因素；根据耐久性要求，混凝土保护层最小厚度限值必须严格按照设计使用年限、环境类别、构件类型、混凝土强度等级选用，且不得小于钢筋直径（满足粘结锚固要求），并以此下限值为基础，另外还要考虑施工尺寸负偏差的不利影响，确定混凝土保护层厚度的设计值。

在钢筋混凝土梁设计中，主次梁钢筋交叉处，一般主梁的上部钢筋设置在上层（否则会导致支座处主梁上部裂缝加宽、加深，同时增加了此处板面的上部裂缝）。

垂直于主梁方向的板面钢筋，无论是计算设置还是附加设置，施工时主梁两侧都需要设置支撑将板面钢筋撑起，而不能简单的搁置。

在钢筋混凝土板设计中，在梁与柱、梁与梁、板与梁相交处须给予专门考虑，以保证各部钢筋能互相避开而仍保持正确的保护层。

为防止混凝土碳化，延缓钢筋锈蚀，保证耐久性，板面钢筋的混凝土保护层厚度必须达到规范规定值要求。

而另一方面,为保证板面钢筋的抗弯承载力，以及防止板面混凝土收缩和冷缩而产生拉应力进而可以导致混凝土开裂，板面钢筋设计应选择较细直径，且施工应设置足够的支撑将钢筋撑起靠近板面。

所以板面钢筋的设置必须妥善协调构造，充分发挥其作用。

3钢筋混凝土构件保护层厚度的施工控制措施
3.1钢筋混凝土构件施工中保护层常见质量问题
对于钢筋混凝土梁、柱、墙构件来说，由保护层厚度不当引起的质量问题有漏筋或截面有效高度不够。

前者原因是当垫块太小或漏放时，保护层太小或振捣棒撞击钢筋或踩踏钢筋，使钢筋移位外露（混凝土内部主筋、副筋或箍筋局部裸露在结构构件的表面），这会导使钢筋锈蚀，构件承载力和耐久性均会降低。

保护层厚度过大时，梁的有效高度h0降低，截面承载力会降低（弯矩M与h0成正比），柱、墙的构件核心面积减小，也会降低构件的受压承载力，而且过厚的保护层容易在构件表面出现较大的收缩及温度裂缝,在受外力碰撞后容易破碎缺损,对结构耐久性也有不利影响。

混凝土板中的钢筋起着抵抗外荷载所产生的弯矩和防止混凝土收缩和温差裂缝发生的双重作用，而这一双重作用均需钢筋处在上下合理的保护层
前提下才能确保有效。

但是，楼面上层钢筋网的保护层很难控制，常见问题就是上部负弯矩钢筋因踩踏而下沉, 造成有效高度( h0 ) 不足,从而降低抗弯承载力及裂缝控制性能及刚度[5]。

造成保护厚度不当的施工原因有：
⒈许多施工人员对混凝土保护层存在着错误的理解，对梁箍筋的肢高通常是取梁高减去两个设计或施工规范规定的保护层的厚度，认为梁柱的混凝土保护层是针对箍筋而言；有时施工为防止露筋，认为混凝土保护层越厚越好，箍筋内径的尺寸偏小，无形中增大了混凝土保护层厚度，减小了构件有效高度。

⒉绑扎钢筋时常将板、次梁、主梁、框架梁的负筋一层层地往上叠,使保护层最小厚度不能保证。

3. 采用垫块形式及摆放随意性大。

施工现场采用的垫块形式不规范，有选用砂浆垫块、石子垫块、钢筋垫块，还有选用碎砖垫块，甚至还有用混凝土碎块或石子或碎钢筋头，规格和强度根本没有质量保证。

3.2钢筋混凝土构件保护层施工控制措施
3.2.1 梁、板保护层控制措施
工程施工中，梁内钢筋的保护层（底部和侧面）比较容易正确控制，常用水泥砂浆垫块或塑料卡控制保护层厚度，垫块均匀分布，且其位置固定，避免漏放、错放。

板底钢筋也比较容易控制，其垫块一般呈梅花形设置，间距不宜大于1m，因为当间距过大时，局部楼板底筋的保护层厚度就无法得到保障。

楼板面层钢筋的保护层一直是施工中的一大难题，这是因为施工过程中，各工种交叉作业，施工人员行走频繁，钢筋难免被大量踩踏，而板筋一般较细，容易弯曲、变形；再就是上层钢筋网的钢筋马凳设置间距过大，甚至不设(仅依靠楼面梁上部钢筋搁置和分离式配筋的拐脚支撑)。

这些问题可采取下列措施加以解决：
1．合理、科学地安排好各工种交叉作业时间，板底钢筋绑扎后，线管预埋和模板封镶、收头应及时穿插进行，以减少板面钢筋绑扎后的作业人员数量；同时对施工人员加强教育和管理，使他们重视保护板面上层负筋的正确位置，尽量沿钢筋小马撑支撑点通行。

2．严格控制垫块厚度，保证厚度均匀；控制绑扎密度；切实保证垫块扎牢。

改变传统的施工工艺，推广和使用塑料垫块和塑料卡子，有效地保证混凝土保护层厚度和钢筋的位置。

3．混凝土浇筑时对裂缝易发生部位和负弯矩筋受力最大区域，应铺设临时性活动跳板，尽量避免上层钢筋受到重新踩踏变形。

混凝土浇筑时安排足够数量的钢筋工进行护筋，确保钢筋位置正确。

4．楼面双层双向钢筋必须设置钢筋小马凳，其纵横向间距不应大于700mm(即每平方米不得少于2只)，特别是对于Ф8一类细小钢筋，马凳的纵横向间距不应大于600mm(即每平方米不得少于3只)，以确定钢筋位置的正确。

5．在楼梯、通道等频繁和必须的通行处应搭设(或铺设)临时的简易通道，以供必要的施工人员通行。

3.2.2 墙、柱保护层控制措施
墙柱保护层一般比较容易控制，主要措施：
1．模板要求：墙的内外模板之间用螺栓紧固，加外模支撑，防止模板外倾或变形；柱的模板要保证其位置、垂直度符合规范要求，且支撑固定。

2．钢筋要求：墙、柱的水平钢筋、箍筋、拉钩的加工尺寸一定要准确，加工尺寸准确，且连接牢靠。

3．垫块要求：墙柱保护层纵横向间距一般控制在1米左右(且不少于2列)，切忌数量太少；尽量采用新工艺、新产品，如采用塑料垫块或使用卡撑式定位件等。

4结论和建议
保护层的厚度的不当会引起构件表面露筋或截
面有效高度降低，这直接影响着构件的承载力和耐久性，所以必须从设计和施工两个方面严格控制保护层的厚度：依据规范要求，综合考虑耐久性、截面有效高度等因素，严格按照设计使用年限、环境类别、构件类型、混凝土强度等确定混凝土保护层厚度的设计值；并且在施工中模板牢固，钢筋尺寸准确；垫块、马凳等选材得当、布置合理，严禁错放、漏放；各工种穿插有序，严格隐蔽验收，确保保护层厚度的准确。

参考文献：
[1 ]朱江.混凝土保护层厚度与强度关系的研究[J].广西工学院学报,2003 ,11 (1) :71-74
[2] 宋晓冰,刘西拉.结构耐久性设计的混凝土保护层厚度[J].工业建筑,2001,31(10 ):43-46
[3] 罗向荣.钢筋混凝土结构[M]. 北京:高等教育出版社, 2003.37-38
[4] GB 50010-2002 混凝土结构设计规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.113-114
[5] 徐有邻,刘刚,程志军等,混凝土结构中钢筋保护层厚度的检验[J]. 施工技术,2005 ,34 (4):78-80。