大氣二氧化碳腐蝕環(huán)境下混凝土對鋼筋的保護(hù)亟待加強(qiáng)

程志宏，黃光輝，潘宗芳，賈文學(xué)

（1. 秦皇島市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河北 秦皇島 066000；2. 貴州畢節(jié)磐石建材有限公司，貴州 畢節(jié) 551603）

大氣二氧化碳腐蝕環(huán)境下混凝土對鋼筋的保護(hù)亟待加強(qiáng)

程志宏1，黃光輝2，潘宗芳2，賈文學(xué)1

（1. 秦皇島市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河北 秦皇島 066000；2. 貴州畢節(jié)磐石建材有限公司，貴州 畢節(jié) 551603）

本文論述了影響混凝土對鋼筋保護(hù)作用的關(guān)鍵因素。論證了二氧化碳腐蝕環(huán)境下按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計、施工、檢驗驗收的混凝土結(jié)構(gòu)，其有效鋼筋保護(hù)層厚度不足以保證結(jié)構(gòu)在全設(shè)計使用期的安全。通過分析調(diào)研確認(rèn)了大氣二氧化碳腐蝕環(huán)境及人為因素影響下的混凝土結(jié)構(gòu)，其鋼筋保護(hù)層混凝土質(zhì)量不足以保證結(jié)構(gòu)在全設(shè)計使用期的安全。因此，大氣二氧化碳腐蝕環(huán)境下混凝土對鋼筋的保護(hù)亟待加強(qiáng)。

大氣二氧化碳濃度；混凝土碳化；鋼筋混凝土保護(hù)層

1 影響混凝土對鋼筋保護(hù)作用的關(guān)鍵因素

1.1 鋼筋混凝土保護(hù)層的厚度

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

1.2 保護(hù)層混凝土的堿度

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

要建立保護(hù)層混凝土較高的堿度的堿性環(huán)境，需要單方混凝土硅酸鹽水泥熟料用量達(dá)到一定的水平之上。中國工程院土木水利與建筑學(xué)部工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性研究咨詢項目組在《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)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(hù)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(huán)境因素對鋼筋的影響，鋼筋的保護(hù)層混凝土必須具備一定的密實度。即使擁有再厚的保護(hù)層，如果保護(hù)層混凝土本身不密實，也是無法為鋼筋提供有效保護(hù)的。貫穿保護(hù)層混凝土的裂縫可成為腐蝕性介質(zhì)源源不斷抵達(dá)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(hù)。

2 大氣二氧化碳腐蝕環(huán)境對混凝土鋼筋保護(hù)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(jù)聯(lián)合國最新發(fā)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(xiàn)出加速上升的趨勢。2013 年，大氣中二氧化碳的濃度就達(dá)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(yè)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(guān)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(jié)構(gòu)在正常使用壽命期間危險腐蝕性介質(zhì)。正常情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋在堿性環(huán)境條件下，生成一層厚度很薄的鈍化膜，保護(hù)鋼筋不發(fā)生銹蝕?；炷撂蓟瘯鳒p混凝土對鋼筋的保護(hù)作用，而對于保護(hù)層厚度不足、密實度不良、裂縫較多的低質(zhì)量混凝土碳化程度則更為嚴(yán)重。碳化超過混凝土的保護(hù)層厚度時，鋼筋就會開始銹蝕，嚴(yán)重影響鋼筋混凝土的耐久性?；炷撂蓟瘜︿摻罨炷两Y(jié)構(gòu)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(hù)作用亟待加強(qiáng)

3.1 大氣二氧化碳腐蝕下鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度不足以為鋼筋提供有效的保護(hù)

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

表1 C30 普通混凝土梁柱構(gòu)件鋼筋保護(hù)層厚度設(shè)計值/施工檢驗許可值比較

② 權(quán)威組織：指中國工程院土木水利與建筑學(xué)部工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性研究咨詢項目組。建議值見《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》。

③ 權(quán)威學(xué)者：指西安建筑科技大學(xué)徐善華、牛荻濤等人。建議值見《大氣環(huán)境條件下混凝土最小保護(hù)層厚度研究》[1]。

④ 中國施工允許最大負(fù)偏差見 GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量驗收規(guī)范》附錄 E。

3.2 陰陽配合比無法保證保護(hù)層混凝土堿性環(huán)境穩(wěn)定性

當(dāng)前有很多陰陽配合比的情況出現(xiàn)，單方混凝土實際硅酸鹽水泥用量普遍遠(yuǎn)低于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定和施工圖設(shè)計文件的要求。以常用的 C30 泵送混凝土為例，根據(jù)筆者在全國范圍內(nèi)的調(diào)研，單方混凝土普通硅酸鹽水泥用量一般在170～ 220kg。

由于國內(nèi)普通硅酸鹽水泥熟料用量一般達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(yuǎn)低于《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)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(dǎo)致單方混凝土硅酸鹽水泥熟料實際用量不足，難以在保護(hù)層混凝土中建立與維持確保鋼筋鈍化膜穩(wěn)定與完整的堿性環(huán)境。

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

表3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的水泥品種與用量 kg/m3

3.3 養(yǎng)護(hù)不良導(dǎo)致保護(hù)層混凝土密實度變差，難以為鋼筋提供保護(hù)

要縮短養(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)時間。

面對激烈的競爭壓力，當(dāng)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(yǎng)護(hù)。片面追求施工進(jìn)度，早拆模成為常態(tài)。由于過早拆模、養(yǎng)護(hù)不良等原因，混凝土表層過快失水，形成利于腐蝕介質(zhì)快速滲透的連通的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)。劣化的保護(hù)層混凝土難以抵御空氣中二氧化碳和水蒸氣聯(lián)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(yán)重者達(dá) 10mm 以上。而正常情況下，2 年齡期混凝土碳化深度應(yīng)不超過 1mm。表3 為 GB 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的養(yǎng)護(hù)條件與實際施工養(yǎng)護(hù)比較。

3.4 混凝土抗裂性能差，難以為鋼筋提供有效保護(hù)

有關(guān)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(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》建議水泥比表面積不宜超過 350m2/kg。

一方面，水泥生產(chǎn)企業(yè)為了追求高早強(qiáng)，不斷提高水泥細(xì)度。另一方面，為了超標(biāo)加入更多礦物混合材以降低成本，也要盡可能增加細(xì)度以保證強(qiáng)度。

因此，水泥生產(chǎn)與銷售中也一樣存在著嚴(yán)重的陰陽配合比問題。市售量產(chǎn)普通硅酸鹽水泥組分中的硅酸鹽水泥熟料含量遠(yuǎn)低于質(zhì)量證明文件明示的含量。連國家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》規(guī)定的普通硅酸鹽水泥中熟料和石膏含量不得低于 80% 的規(guī)定都難以達(dá)到。

現(xiàn)在國內(nèi)水泥比表面積大多在 380m2/kg 左右，少數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品比表面積甚至更高，超過 400m2/kg。水泥生產(chǎn)片面追求高細(xì)度、大早強(qiáng)，混凝土抗裂性能因此變差，對鋼筋的保護(hù)作用減弱。尤其是現(xiàn)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(hù)。

表4 GB 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的養(yǎng)護(hù)條件與實際施工養(yǎng)護(hù)比較

4 加強(qiáng)混凝土對鋼筋保護(hù)的關(guān)鍵舉措

4.1 提高施工檢驗允許的最低鋼筋混凝土保護(hù)層厚度

GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》應(yīng)在考慮實際施工偏差情況下，參照美國混凝土規(guī)范 ACI318—05 的規(guī)定，適當(dāng)提高鋼筋保護(hù)層厚度設(shè)計值，以保證施工結(jié)束后最終鋼筋保護(hù)層的有效厚度仍滿足確保結(jié)構(gòu)在全設(shè)計試用期內(nèi)安全的要求。保證鋼筋保護(hù)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(dāng)然，GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》也可以強(qiáng)調(diào)其規(guī)定的鋼筋保護(hù)層厚度不包含施工允許偏差，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在編制施工圖設(shè)計文件時應(yīng)根據(jù)實際施工與質(zhì)量管理控制水平，另行確定施工允許偏差，以規(guī)范規(guī)定值＋施工允許最大負(fù)偏差作為鋼筋保護(hù)層厚度的設(shè)計值。

示例：

GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的梁柱混凝土構(gòu)件鋼筋保護(hù)層厚度 20mm。

施工允許最大負(fù)偏差 -10mm。

施工圖設(shè)計文件規(guī)定的鋼筋保護(hù)層厚度≥20+10=30mm

4.2 確實保障混凝土質(zhì)量以達(dá)到對鋼筋的有效保護(hù)

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

如果混凝土自身孔結(jié)構(gòu)不良、抗?jié)B透能力較差，或者混凝土堿度不足以維持鋼筋鈍化膜的穩(wěn)定域完整，即使在有效保護(hù)層厚度達(dá)標(biāo)的情況下也無法隔絕外界侵蝕性介質(zhì)到達(dá)鋼筋表面，不能對鋼筋提供有效防護(hù)。

4.3 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理，確保保護(hù)層混凝土質(zhì)量

由于鋼筋保護(hù)層混凝土處于混凝土結(jié)構(gòu)體的最表層，其水泥水化、孔結(jié)構(gòu)形成、強(qiáng)度增長受養(yǎng)護(hù)和其他外界因素的影響比混凝土結(jié)構(gòu)體內(nèi)部大得多，暴露在大氣環(huán)境下的混凝土極易因養(yǎng)護(hù)不良而得不到質(zhì)量良好的混凝土保護(hù)層。早齡期混凝土碳化深度明顯是保護(hù)層混凝土質(zhì)量劣化的重要標(biāo)志。因此，養(yǎng)護(hù)階段采用合理的養(yǎng)護(hù)措施隔絕大氣對混凝土的影響，保證混凝土內(nèi)在的反應(yīng)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(jié)論

現(xiàn)行大氣二氧化碳腐蝕環(huán)境下按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計、施工、檢驗驗收的混凝土結(jié)構(gòu)，其有效鋼筋保護(hù)層厚度不足以保證結(jié)構(gòu)在全設(shè)計使用期的安全。而受環(huán)境因素及不良人為因素影響下生產(chǎn)的出混凝土對鋼筋保護(hù)作用更不能滿足全設(shè)計使用期的安全。因此，大氣二氧化碳腐蝕環(huán)境下混凝土對鋼筋的保護(hù)亟待加強(qiáng)。

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

[2] 鐘明全，湯誕，孔佳偉，等．水泥細(xì)度及組成對橋梁結(jié)構(gòu)混凝土性能的影響[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011, 30(A02):1217-1220．

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

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

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