钢筋混凝土中的钢筋保护层

混凝土的保护层

摘要：在钢筋混凝土构件中，为防止钢筋锈蚀，并保证钢筋和混凝土牢固黏结在一起，钢筋外面必须有足够厚度的混凝土保护层。对于此混凝土保护层也有所规定，它不应小于钢筋直径，也不应小于粗骨料最大粒径的1。25倍，所以要确定好适当的厚度。对所选的混凝土也要根据环境条件的影响（露天，雨天或者室内），其质量的影响，还有设计使用年限，确定其耐久性等等，进行设计及施工。其实此保护层在不同构件中的厚度都是有所差别的，比如是基础中钢筋的保护层厚度，或者是辅助钢筋，还是预制混凝土构件的保护层厚度。因此，这种必要的保护层主要与钢筋混凝土结构构件、环境因素、混凝土的选择等因素都有很大的关系，明确这些方面至关重要。

关键词：钢筋混凝土的作用碳化厚度耐久性要求影响

混凝土结构中钢筋并不外露而被包裹在混凝土里面。由钢筋外边缘到混凝土表面的最小距离称为保护层厚度。混凝土保护层的作用如下：

1．维持受力钢筋及混凝土之间的握裹力

混凝土结构中钢筋能够受力是因为其与周围混凝土之间的黏结锚固作用。受力钢筋（尤其是变形钢筋）与混凝土之间的咬合作用是构成握裹力的主要的成分。钢筋周围混凝土的握裹力很大程度上取决于混凝土握裹层的厚度，是成正比的。为了保护受力钢筋的抗力能够正常发挥，受力钢筋的混凝土保护层厚度不应小于其直径。

2．保护钢筋免遭锈蚀

混凝土结构与钢结构相比，其突出优点是耐久性好。这是由于混凝土的碱性环境使包裹在其中的钢筋表面形成钝化膜而不宜锈蚀。但是，由于浇筑混凝土过程中离析、泌水、沉陷而形成的毛细孔道和裂隙；混凝土收缩、温度变化或受力后引起的裂缝使大气中的水和二氧化碳或其他酸性介质得以渗入混凝土内部，中和了混凝土的碱性而使其变成中性的碳酸钙，这个过程称为碳化。碳化随时间由混凝土表面向内部发展，其速度与混凝土的质量及环境有关。

当碳化到达钢筋表面以后，钢筋由于失去钝化膜的保护，可能因电化学作用而锈蚀，从而引起锈胀裂缝，甚至削弱钢筋截面，最终降低锚固作用和承载能力。碳化的时间与保护层厚度有关，因此一定的保护层厚度是保证结构耐久性所必须的条件。

调查表明，我国混凝土结构的耐久性普遍较差。由于传统的混凝土强度偏低，抗碳化能力不强，加之保护层厚度偏小，一般使用单位又缺乏合理的维护检修，甚至对结构粗暴使用。因此，我国不少混凝土结构不能保证在50年的设计使用年限内应有的使用功能和承载能力。大多数工业建筑使用25~30年后即需大修；对于有害介质环境中的建筑，使用寿命仅15~20年。民用建筑及公共建筑的室外构件，如阳台等也往往出现钢筋锈蚀现象，甚至酿成事故。因此，从耐久性和可持续发展的角度，我国混凝土保护层的厚度应适当增加。

3．对构件受力有效高度的影响

从锚固和耐久性的角度，钢筋在混凝土保护层中的厚度应该越大越好；然而从受力的角度而言，则正好相反。保护层厚度越大，构件截面有效高度就越小，构件的受力将受到影响。

因此，确定混凝土保护层厚度应综合考虑锚固、耐久性及有效高度三个因素，在能保证锚固和耐久性的条件下可尽量取较小的保护层厚度。而规范给出的保护层最小厚度正是保护层厚度的最低限度取值。

确定保护层厚度的原则：

1．粘结锚固作用及握裹层厚度

钢筋与混凝土之间的粘结锚固主要是依靠钢筋横肋与混凝土咬合齿之间的挤压作用。国

内外许多学者用有限元方法分析了握裹层中，尤其是咬合齿附近的应力状态，且进一步用强度准则分析了握裹层混凝土的变形、裂缝和破坏过程。得出的结论是：随着与钢筋表面距离的加大，咬合齿侧压力的承载面积迅速扩大。因此随着保护层厚度的增加，钢筋与混凝土之间的粘结锚固强度增大。这已为大量试验研究所证实。但握裹层混凝土中应力很快扩散衰减，因此有效的握裹层仅在钢筋表面有限的范围内。

分析和试验都表明，在带肋钢筋的混凝土咬合齿附近集中了较大的挤压应力，往往形成内裂区。裂缝多为肋前斜裂缝及肋面挤压破碎，其范围在2倍肋高左右，再向外侧以环向拉应力形成提供环箍作用的混凝土约束层。在钢筋握裹层中配置的构造钢筋大大加强了这种环箍约束作用。因此应力随着直径的加大而迅速扩大衰减。从粘结锚固机理看，钢筋周围握裹力主要集中在厚度约为钢筋直径的范围内，尤其是混凝土强度较高及配有约束钢筋时更是如此。因此，从设计的角度看，一般钢筋的保护层厚度不应小于受力钢筋的直径，钢筋间距有不应小于同样的数值。

在实际设计时，钢筋间距及保护层厚度并非越大越好。这一方面是因为这样做必然加大构件截面，减小有效高度，因而不经济；另一方面当保护层过厚时，构件一旦开裂，将导致比较宽的构件表面裂缝。因此，为了避免一旦开裂而形成较宽的裂缝，对于保护层过大的情况还应进行裂缝宽度的验算加以控制；或采用在保护层中配钢筋网片的方法，控制可能的开裂和裂缝宽度。

2．混凝土耐久性的要求

20世纪80年代末，我国曾就混凝土结构的耐久性进行过综合调查。调查内容为不同气候地区、不同建筑物的混凝土碳化及规律；钢筋锈蚀情况及影响；腐蚀性介质对结构寿命的影响以及对混凝土结构耐久性现状的评价。调查表明，影响混凝土结构耐久性的主要因素有三个：环境条件；混凝土的自身质量；结构的使用年限。

（1）耐久性与环境条件的关系

混凝土的碳化和脱钝，受力钢筋的锈蚀与锚固作用削弱，都与周围环境中的有害介质及物理、化学作用有关。环境条件是影响混凝土耐久性的最主要因素。传统设计只含糊地将其区分为“室内正常环境”及“露天或室内高湿度环境”两类。这样过于简单粗糙的考虑不能反映环境条件的重要影响。因此，在确定混凝土保护层的最小厚度时，应区别对待不同条件下的保护层厚度。

（2）混凝土的质量

混凝土强度等级是其组成成分和性能的综合反映，可与混凝土保护层的最小厚度建立关系。一般情况下强度等级高的混凝土比较密实，炭化速度和有害介质入侵的速度慢，耐久性相对较好。因此，在其他条件相同的情况下，混凝土保护层的厚度可以相对较小。在确定混凝土保护层最小厚度时，混凝土质量的影响可以反映为混凝土强度等级这一基本设计参数。

（3）设计使用年限

我国绝大多数建筑物设计使用年限为50年。因此，在确定混凝土保护层最小厚度时，一般均按50年考虑。对于安全等级较低的临时建筑，虽然其设计使用年限仅为5年，基本可以不考虑时间因素的影响，但从钢筋与混凝土的粘结锚固和受力角度而言，太薄的保护层厚度不妥，故仍应保持保护层最小厚度的要求。对于安全等级较高的，设计使用年限100年的重要建筑物，应提出更为严格的混凝土保护层厚度要求。

保护层的其他构造要求还有：

1．露天悬臂构件

处于二、三类环境中的悬臂板，其上表面应另作水泥砂浆保护层或采取其他保护措施。这是由于该处的负弯矩钢筋受力开裂后，裂缝开口向上，特别容易受到腐蚀物的侵入。