基于鋼筋保護(hù)層厚度的水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的幾個(gè)問題

鄭德安

（安徽省·淮委水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

1 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

結(jié)構(gòu)的耐久性主要是通過設(shè)計(jì)使用年限來體現(xiàn)的。《混凝土耐久性檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T193-2009）第2條對混凝土耐久性作了更為明確、系統(tǒng)的分項(xiàng)規(guī)定，即耐久性主要含抗凍性能、抗水滲透及抗沖刷性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能的早期抗裂性能。從以上各耐久性分項(xiàng)指標(biāo)可看出，其性能均與混凝土的密實(shí)程度和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)（確切地說與混凝土表面質(zhì)量有較密切關(guān)聯(lián)）。本文著重從混凝土的鋼筋保護(hù)層質(zhì)量對結(jié)構(gòu)耐久性的影響進(jìn)行敘述。

2 存在的問題

在目前的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，部分設(shè)計(jì)對于耐久性問題更多的只是作為一種概念受到關(guān)注，絕大部分的設(shè)計(jì)雖然明確提出了使用年限的要求，但沒有進(jìn)一步進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計(jì)。許多設(shè)計(jì)往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計(jì)、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全及耐久。較為典型的是部分工程混凝土強(qiáng)度等級過低、保護(hù)層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過薄及構(gòu)件連接不可靠等。這些傾向在一定程度上導(dǎo)致了部分水利工程結(jié)構(gòu)使用性能差和使用壽命短的不良后果。

設(shè)計(jì)人員要深入研究問題，要更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性問題。一要重視外界有害化學(xué)物質(zhì)對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及連接部位的侵蝕；二要重視保護(hù)層厚度的確定及保護(hù)層厚度施工偏差對結(jié)構(gòu)耐久性的影響；三要重視對水工結(jié)構(gòu)疲勞損傷的研究，如研究交通橋梁的過大振動、線形不平順、接頭跳車、結(jié)構(gòu)開裂和過大的變形等；四要充分重視橋梁的超載問題，目前有相當(dāng)一部分水利工程承擔(dān)著交通橋作用，因而要進(jìn)一步對汽車超載對橋梁內(nèi)部損傷、疲勞應(yīng)力幅度加大以及對超載帶來的后果進(jìn)行研究、分析。

3 鋼筋混凝土保護(hù)層問題

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋保護(hù)層厚度是指結(jié)構(gòu)中鋼筋的外邊緣至混凝土外邊緣的最小距離。鋼筋保護(hù)層的作用主要為：

（1）保護(hù)鋼筋防止銹蝕或延長鋼筋的銹蝕進(jìn)程，以滿足耐久性的要求；

（2）保護(hù)層能增強(qiáng)鋼筋的耐火能力；

（3）保證鋼筋與混凝土的共同作用，由于混凝土內(nèi)水泥顆粒的水化作用形成了凝膠體同時(shí)體積收縮，使混凝土與鋼筋表面凹凸不平產(chǎn)生機(jī)械咬合力，使鋼筋可靠地錨固在混凝土內(nèi)，有效地發(fā)揮鋼筋和混凝土共同工作的作用。因此說，鋼筋保護(hù)層厚度是基于耐久性、防火和粘結(jié)力所需的厚度。

4 鋼筋混凝土保護(hù)層厚度的確定

水工混凝土結(jié)構(gòu)大部分處于露天或室內(nèi)高濕度環(huán)境中，其結(jié)構(gòu)的使用壽命基本取決于保護(hù)層完全碳化所需的時(shí)間，因此受力鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)根據(jù)不同等級的混凝土在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)碳化深度來確定。目前的水利規(guī)范只有《水閘施工規(guī)范》（SL27-91）和《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T191-96）對混凝土保護(hù)層厚度提出了具體明確的最低限度要求。規(guī)范所提出的最低限度要求，即所謂的設(shè)計(jì)厚度，就是在設(shè)計(jì)中用于構(gòu)件強(qiáng)度及變形計(jì)算和標(biāo)注于施工圖上的保護(hù)層厚度。而國外設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度中，一般都包含了保護(hù)層厚度施工時(shí)的允許偏差值，即設(shè)計(jì)厚度是在結(jié)構(gòu)耐久性、防火和粘結(jié)力所需厚度的基礎(chǔ)上，應(yīng)再加上保護(hù)層厚度的施工允許偏差值的絕對值。除此以外，作為設(shè)計(jì)要求，保護(hù)層的設(shè)計(jì)厚度還應(yīng)具有一定的安全富裕度或保證率。很顯然施工圖上要按以上分析的3條標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注，會使實(shí)際工程的保護(hù)層厚度增加，而保護(hù)層厚度增大后，由于荷載作用引起的構(gòu)件橫向表面彎曲裂縫的最大寬度會增加，但對構(gòu)件的耐久性來說仍然有利。鋼筋銹蝕作為一種電化學(xué)反應(yīng)，隨著保護(hù)層厚度的增加，滲入到內(nèi)部參與銹蝕反應(yīng)的氧和水分等物質(zhì)肯定會減少，必然會降低銹蝕的速度?？刂屏芽p的最終目的是為了提高耐久性，為了減少構(gòu)件表面的橫向裂縫寬度而限定保護(hù)層厚度，顯然有失偏頗。

5 鋼筋混凝土保護(hù)層厚度誤差出現(xiàn)的原因

鋼筋保護(hù)層厚度出現(xiàn)誤差的原因是多方面的，與混凝土施工有關(guān)的工序質(zhì)量均可對保護(hù)層厚度誤差產(chǎn)生影響，如：

（1）模板變形、加工粗糙、表面平整度不夠、模板架立偏位造成截面尺寸誤差。

（2）鋼筋平直度不夠，受自重或外力作用而彎曲變形；鋼筋的加工、計(jì)算、放樣成型不準(zhǔn)；綁扎搭接偏離、重疊等。

（3）鋼筋架立誤差。如網(wǎng)架定位誤差；網(wǎng)架運(yùn)輸變形；保護(hù)層墊塊過稀或脫落后網(wǎng)架變形等。

（4）墊塊誤差。如保護(hù)層墊塊制作時(shí)厚度偏差大，與鋼筋網(wǎng)連接不牢靠等。

（5）施工澆筑誤差。如拌和料入倉時(shí)直接沖擊鋼筋，使鋼筋彎曲、變形；振搗致使鋼筋、模板偏移；震動引起綁扎扣松散；混凝土尚未凝固硬化，便在其上堆積重物或遭人為踐踏等。

6 鋼筋混凝土保護(hù)層厚度施工允許誤差的確定

根據(jù)日本科學(xué)家的調(diào)查研究，假定混凝土的平均碳化深度偏差及保護(hù)層的施工誤差符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，將鋼筋剛剛出現(xiàn)斷面銹損的長度與鋼筋總長之比（P）作為鋼筋銹損率，則對于齡期為t的混凝土中鋼筋銹損率可用下式計(jì)算，其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷特征如表1。

室外露天場合：

其中：t——混凝土的齡期；

Ct——t齡期的平均碳化深度；

V——t齡期碳化深度離散系數(shù)；

σ——保護(hù)層厚度的施工標(biāo)準(zhǔn)差；

D——保護(hù)層厚度的施工實(shí)際測點(diǎn)值；

SL——設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度。

表1 鋼筋銹損率對應(yīng)的結(jié)構(gòu)損壞征狀

7 現(xiàn)行規(guī)范對鋼筋混凝土保護(hù)層厚度施工誤差的要求

現(xiàn)行的《水閘施工規(guī)范》（SL27-91）第6.3.9條對鋼筋保護(hù)層厚度提出了最低要求，同時(shí)第6.3.8條又對鋼筋安裝時(shí)保護(hù)層厚度的允許偏差作了規(guī)定；《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T191-96）第9.2.1條基于環(huán)境條件類別，規(guī)定了鋼筋保護(hù)層最小厚度值；《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144-2001）則對保護(hù)層最小厚度值及施工允許偏差無具體規(guī)定；《泵站施工規(guī)范》（SL234-1999）第5條對鋼筋安裝時(shí)鋼筋保護(hù)層的允許偏差作了規(guī)定；《水電水利基本建設(shè)工程單元工程質(zhì)量等級評定標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T 5113.1-2005）第18.4條規(guī)定了鋼筋安裝時(shí)鋼筋保護(hù)層厚度的允許偏差值，并且規(guī)定了工序質(zhì)量的評定，合格標(biāo)準(zhǔn)為一般項(xiàng)目不少于70%的檢查點(diǎn)符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)為一般項(xiàng)目不少于90%的檢查點(diǎn)符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；《水工混凝土鋼筋施工規(guī)范》（DL/T5169-2002），是以原《水工混凝土施工規(guī)范》第三章獨(dú)立出來的，第7.1條規(guī)定了鋼筋的鋼筋保護(hù)層厚度安裝時(shí)的允許偏差，其允許偏差數(shù)值與（DL/T 5113.1-2005）的規(guī)定值相一致。針對房屋建筑工程的2本規(guī)范，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2002）第9.2條基于環(huán)境類別規(guī)定了受力鋼筋保護(hù)層厚度的最小值；另1本與之相對應(yīng)的《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204-2002）（2011年版）對澆筑成型的房屋建筑工程實(shí)體的鋼筋保護(hù)層厚允許偏差有具體的要求，同時(shí)對實(shí)體檢驗(yàn)的部位、數(shù)量及檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)提出了具體要求。

綜合以上各規(guī)范對鋼筋保護(hù)層最小厚度要求，均是基于混凝土環(huán)境條件、構(gòu)件類別設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及混凝土的強(qiáng)度等級等諸多條件綜合確定的，但其數(shù)值均不包括鋼筋施工時(shí)的允許偏差；而對鋼筋安裝的保護(hù)層允許偏差各個(gè)規(guī)范規(guī)定的不盡相同，有的規(guī)定偏嚴(yán)，有的規(guī)定則偏松（如DL/T 5113.1-2005和DL/T 5169-2002中對鋼筋保護(hù)層允許偏差值規(guī)定的過大）。例如，某一水閘工程如按規(guī)范SL 27-91第6.3.9條的規(guī)定，對閘墩鋼筋的混凝土保護(hù)層最小厚度取50mm，進(jìn)行圖紙標(biāo)注施工。再如按規(guī)范DL/T 5113.1-2005和規(guī)范DL/T 5169-2002對鋼筋安裝質(zhì)量進(jìn)行工序驗(yàn)收，則厚度測點(diǎn)在37.5～62.5mm范圍內(nèi)均為合格點(diǎn)，因鋼筋安裝僅是混凝土工程的一道工序，實(shí)體質(zhì)量應(yīng)是模板、斷面控制、澆筑等幾道工序的綜合協(xié)調(diào)，如按目前的有關(guān)水工混凝土施工規(guī)范規(guī)定，該閘墩外露結(jié)構(gòu)斷面尺寸允許偏差為20mm，平整度允許偏差為10mm，如允許偏差下限的3項(xiàng)測點(diǎn)疊加于一處，則該測點(diǎn)處的實(shí)際保護(hù)層厚度只有7.5mm（只達(dá)到設(shè)計(jì)最低要求的15%），該點(diǎn)也作為合格點(diǎn)處理顯然是不對的。對于水工結(jié)構(gòu)中斷面較小的部位如薄壁墻、梁、柱等，規(guī)范對最小保護(hù)層厚度規(guī)定的更小，因此在實(shí)際施工過程中更應(yīng)嚴(yán)格控制各工序施工質(zhì)量，以免出現(xiàn)外觀尺寸和保護(hù)層厚度偏差疊加后，局部實(shí)體保護(hù)層厚度過小的情況（盡管此種情況在實(shí)際工程出現(xiàn)的可能性很?。?。

8 鋼筋混凝土保護(hù)層混凝土的質(zhì)量問題

鋼筋保護(hù)層的混凝土質(zhì)量及厚度是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最根本保證。保護(hù)層的混凝土質(zhì)量如振搗不密實(shí)和養(yǎng)護(hù)不良，會嚴(yán)重削弱表層混凝土的密實(shí)性和阻止外部有害物質(zhì)侵入的能力，可使表層混凝土抗?jié)B性能成倍降低，給混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性帶來致命傷害。混凝土表面得不到充分養(yǎng)護(hù)，在干燥、風(fēng)大的季節(jié)，其表面失水過快，將形成一層氣干層，致使該區(qū)域內(nèi)水化反應(yīng)提前結(jié)束，強(qiáng)度不再增長，造成構(gòu)件表面強(qiáng)度較低；而這一氣干層的存在，將使得混凝土表面早期碳化速度加快，繼而產(chǎn)生混凝土表面碳化加深與表面強(qiáng)度降低伴生的現(xiàn)象；尤其是對摻加粉煤灰的混凝土，表現(xiàn)更為明顯。人們往往比較重視養(yǎng)護(hù)不良對混凝土構(gòu)件承載能力的影響，而與耐久性相比，養(yǎng)護(hù)不良對承載力的損害要小得多。當(dāng)然養(yǎng)護(hù)的影響與混凝土膠凝材料的品種與組成、環(huán)境濕度以及不同的養(yǎng)護(hù)方法有很大關(guān)系。

墊塊既有控制保護(hù)層厚度的作用，其本身也是保護(hù)層的組成部分，如果墊塊的制作安裝質(zhì)量不高，不能保證尺寸、強(qiáng)度和密實(shí)性，則墊塊部位就可能成為鋼筋銹蝕的薄弱點(diǎn)。為此，首先應(yīng)該推廣使用工廠定型生產(chǎn)的鋼筋定位墊塊或定位夾，提高鋼筋施工安裝的定位精度，以保證鋼筋的保護(hù)層厚度及質(zhì)量。目前我國尚沒有針對保護(hù)層墊塊設(shè)計(jì)、制作及安裝的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。近幾年定型的塑料定位夾在國內(nèi)的建筑工地已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但應(yīng)注意須用合格的工程塑料制造，對處于水位變化區(qū)的水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建議不用塑料定位夾或墊塊。其次，在澆筑前宜通過重復(fù)檢查，提高保護(hù)層厚度尺寸的保證率。

9 減小鋼筋保護(hù)層誤差、提高結(jié)構(gòu)耐久性的途徑

（1）設(shè)計(jì)、施工是使用管理的前提。在設(shè)計(jì)方面要對耐久性進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，除要對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在計(jì)算上滿足目前規(guī)范的安全需要外，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料及施工養(yǎng)護(hù)、結(jié)構(gòu)維護(hù)、使用全過程提出明確要求。

（2）作為圖紙標(biāo)注的保護(hù)層厚度，在滿足目前規(guī)范最低厚度要求的前提下，宜再增加10%～20%的保護(hù)層厚度的施工誤差，以彌補(bǔ)因施工引起的保護(hù)層不足，同時(shí)控制其上限值。

（3）為保證結(jié)構(gòu)耐久性，工程驗(yàn)收前針對保護(hù)層厚度及質(zhì)量應(yīng)增加結(jié)構(gòu)實(shí)體檢驗(yàn)環(huán)節(jié) (目前的水利規(guī)范主要是針對施工工序的質(zhì)量檢查及驗(yàn)收，沒有針對結(jié)構(gòu)實(shí)體的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn))。而規(guī)范GB50204-2002（2011年版）中雖有針對結(jié)構(gòu)實(shí)體保護(hù)層厚度的檢驗(yàn)及判定標(biāo)準(zhǔn)，但其主要是針對建筑工程上的梁、板結(jié)構(gòu)，并不適合水工建筑物的主體結(jié)構(gòu)。

經(jīng)對目前的各種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中對鋼筋安裝允許偏差數(shù)據(jù)的比較分析，建議水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體鋼筋保護(hù)層的允許偏差值，按標(biāo)準(zhǔn)DL/T5113.1-2005和規(guī)范DL/T 5169-2002要求取值，檢驗(yàn)部位和數(shù)量可參照規(guī)范GB 50204-2002（2011年版）中針對結(jié)構(gòu)實(shí)體的檢驗(yàn)方式進(jìn)行，而判定合格與否的標(biāo)準(zhǔn)仍按標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5113.1-2005的要求進(jìn)行，即實(shí)體鋼筋保護(hù)層檢測的檢查點(diǎn)需有70%以上符合設(shè)計(jì)和允許偏差要求為合格，檢查點(diǎn)需有90%以上符合設(shè)計(jì)和允許偏差要求為優(yōu)良。

（4）鋼筋混凝土保護(hù)層是抑制混凝土碳化導(dǎo)致鋼筋銹蝕的唯一屏障，而良好的養(yǎng)護(hù)是提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最為經(jīng)濟(jì)、有效的途徑，也是控制混凝土施工早期表面裂縫的重要保證。這就要求在設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)隨混凝土的不同膠凝材料、工程的耐久性要求、施工現(xiàn)場的溫濕度等環(huán)境要求提出明確的養(yǎng)護(hù)方法及期限，這里重點(diǎn)是與保護(hù)層混凝土質(zhì)量有關(guān)的施工養(yǎng)護(hù)，對有粉煤灰摻合料的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（或構(gòu)件）尤其重要。

（5）混凝土構(gòu)件中最外側(cè)的箍筋和分布筋首先銹蝕并導(dǎo)致混凝土順筋開裂和剝落，對其保護(hù)層厚度的要求也應(yīng)引起足夠的重視。

（6）開展保護(hù)層厚度規(guī)范化研究，開發(fā)制造有利于減少誤差的模數(shù)化和定型化的鋼筋定位墊圈、帽、扣、套等建筑用品，替代砂漿墊塊，可以大幅度提高施工精度，從而提高結(jié)構(gòu)耐久性。

（7）要加強(qiáng)施工管理，為保證保護(hù)層厚度符合設(shè)計(jì)要求，施工時(shí)模板表面應(yīng)盡量做到平整，模板的加工、架立也應(yīng)盡可能準(zhǔn)確，以減小構(gòu)件的成型截面偏差。鋼筋要嚴(yán)格按規(guī)定要求加工，搭接要牢固，搭接位置要合理，較粗的鋼筋應(yīng)盡可能采用對焊連接，避免過多的旁接和綁接。要保證網(wǎng)架不變形，定位要準(zhǔn)。特別應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是混凝土澆筑下料前應(yīng)對尺寸進(jìn)行全面檢驗(yàn)。拆模后，對極少量的露筋等應(yīng)及時(shí)鑿除重澆或采取表面補(bǔ)救措施，防止鋼筋銹蝕，保證結(jié)構(gòu)耐久性