摘要：本文分析了混凝土对钢筋的保护作用机理及保护层厚度对钢筋腐蚀的影响，分析了保护层厚度对结构构件计算的影响机理，阐明了规范对混凝土保护层厚度的要求及钢筋保护层厚度有效控制的对策。

　　关键词：保护层厚度、腐蚀、粘结力、控制

　　引言

　　混凝土结构中的钢筋保护层厚度(混凝土保护层厚度)系指从受力主筋的外边缘到构件混凝土外边缘的距离，即受力主筋外皮到构件表面的尺寸[1]。对钢筋混凝土构件而言，混凝土保护层起着非常重要的作用。在一般情况下，当混凝土保护层最小厚度满足规范要求时，混凝土结构中的钢筋不易受到腐蚀。但当钢筋之保护层因某种原因失去保护作用后，混凝土结构中的钢筋会像裸露的钢筋一样受到腐蚀。而且钢筋一旦开始腐蚀，这种腐蚀比同样介质作用下裸露的钢筋还迅速，从而导致断面减小，强度降低，钢筋与混凝土之间失去粘结力，构件整体性受到破坏，严重时还会导致整个结构体系的破坏。当然，混凝土保护层厚度偏大，钢筋虽然得到了很好保护，而从构件受力分析的角度考虑，仍然会带来不安全隐患。因此钢筋混凝土工程施工中钢筋保护层厚度控制的准确与否，对结构的可靠性和耐久性都产生着不可估量的影响[2]。只有认真研究混凝土结构钢筋之保护层厚度控制的理论，才能在实践中采取正确的措施，正确处理由于保护层施工质量所带来的隐患。

　　1钢筋保护层控制理论

　　1.1混凝土对钢筋的保护作用原理

　　由于钢材表面介质的酸碱度对腐蚀速度有明显影响，由实验得知，当pH值小于5时，钢材腐蚀极快;而当pH值接近14时，在常温下，腐蚀将停止进行。混凝土对钢筋的保护作用，正是由于混凝土凝固后具有高碱度特性，混凝土的孔隙水通常可构成pH值为12—13的氢氧化钙饱和液，在钢筋表面形成一层钝化膜，使钢筋锈蚀的电化学反应不可能发生。

　　钢筋表面连续完整的钝化膜一旦破坏，钢筋会受到腐蚀。造成混凝土中钢筋钝化膜破坏的因素有两类。一类是内在因素，指混凝土本身具有腐蚀性，如使用了含超标准氯盐的地下水搅拌混凝土，使混凝土的钝化膜处于不稳定状态，pH值降低，引起钢筋发生电化学腐蚀。另一类是外在因素，指由于周围介质的作用使混凝土失去保护钢筋的能力，如物理作用、化学作用等，物理作用可以直接破坏混凝土的保护层，使钢筋处于裸露状态，失去钝化膜，以致于直接与周围介质相接触而腐蚀。化学作用主要与混凝土保护层的碳化和氯离子的渗入有关。

　　混凝土碳化的实质是混凝土的中性化，即混凝土中的氢氧化钙与二氧化碳或其他酸性气体反应，使混凝土中的碱性降低。碱性降低的结果是使钢筋表面的钝化膜失去稳定性，失去对钢筋的保护作用。当混凝土被碳化时，其碱度降低，pH值约为8～9，只要环境中存在水汽和氧，此时钢筋必然受到电化学腐蚀。因此，钢筋混凝土中钢筋的腐蚀要经历三个过程.

　　①混凝土保护层被碳化，钢筋的钝化膜被破坏;

　　②水汽、氧或其它有害介质通过混凝土保护层渗透至钢筋表面;

　　③钢筋表面发生电化学腐蚀。

　　1.2保护层厚度对钢筋腐蚀的影响效果分析

　　(1)碳化影响

　　碳化是一个由表及里，由浅入深的过程。在相同的环境下，保护层越厚，保护层完全碳化所需的时间越长，钢筋的腐蚀程度越轻。混凝土保护层厚度每减少25%，碳化到钢筋表面所需时间就缩短50%。因此，提高混凝土保护层厚度是提高混凝土耐久性的重要措施。只要钢筋的混凝土保护层具有规范要求的最小厚度以及构件裂缝不致过宽，就可使钢筋在结构正常使用年限内免遭锈蚀[3]。

　　(2)孔隙率影响

　　混凝土保护层的孔隙率不仅加快碳化速度，而且还会使钢筋表面得不到碱性溶液的严密覆盖而降低抗锈蚀能力。因此，在施工过程中保证混凝土的密实度对于提高混凝土对钢筋保护作用具有重大意义。

　　(3)火灾影响

　　受火灾或高温作用时，混凝土内部的温度随保护层增加而降低。对于混凝土结构来说，火灾时结构的破坏主要由于钢筋温度升高退火软化，导致钢筋强度降低，钢筋与混凝土之间的粘结力下降，最后丧失承载能力。因此有防火要求的混凝土结构最小保护层厚度应满足规范要求。当混凝土板厚≤120mm，保护层厚度20 mm时，耐火极限可以达到3小时。

　　(4)环境影响

　　保护层厚度相同，在室内干燥环境中使用的混凝土构件，不仅碳化速度慢，而且即使碳化层达到钢筋表面，钢筋也可能不锈蚀。若构件处在湿度较大或干湿交替的环境中，如渗水，则钢筋腐蚀较快。

　　(5)水泥砂浆面层影响

　　钢筋混凝土构件表面施加水泥砂浆面层，可以阻碍空气的渗透，延缓碳化层到达钢筋表面的时间，提高混凝土构件的耐久性。如在同样条件下，在钢筋混凝土结构构件表面抹一层10～15mm厚的1：2的水泥砂浆面层，混凝土的碳化深度和钢筋的腐蚀程度都比无砂浆面层的小。

　　(6)梁、柱钢筋位置影响

　　对于钢筋混凝土梁、柱而言，位于角部的钢筋腐蚀的程度比中间钢筋腐蚀的程度大。因为角部钢筋受到两个方向渗透的影响，因此混凝土的碳化和钢筋的腐蚀都比中间的快。在相同条件下，位于构件角部的钢筋腐蚀速度比中间部位的钢筋快50%左右。

　　1.3混凝土保护层厚度对结构构件计算的影响分析

　　在受弯构件正截面承载力计算中，钢筋混凝土构件是作为一个整体来承受外力的;由于混凝土的抗拉强度很低，为简化计算，假定不考虑受拉区混凝土未开裂部分的抗拉强度，既受拉区的合力全部由钢筋来承担，压区混凝土的应力图形用一等效矩形应力图代替[4]，见图1。

　　梁的正截面受力简图 图1

　　对压区混凝土合力作用点取矩[1]

　　ΣMC=0 M≤fY·AS(h。-x/2)

　　由上式可知，受拉的钢筋距离受压区越远，既(h。-x/2)越大，其钢筋所能承受的外部弯矩M越大，这样钢筋发挥的效率就越高。所以，无论是梁还是板，受拉钢筋总是应尽量靠近受拉一侧混凝土构件的边缘。如挑梁的受力筋应设在构件上部受拉区，如果上部受拉区混凝土保护层过大，构件抗弯能力降低，轻则降低了梁的承载能力，重则会发生重大事故。对悬挑构件而言，保护层厚度至关重要。对楼板支座负筋而言，保护层偏大，会引起板上部裂缝，支座弯矩减小，跨中弯矩增加，应按简支构件重新复核楼板的跨中抗弯承载力。

　　1.4 混凝土保护层厚度对钢筋与混凝土之间粘结力的影响效果分析

　　钢筋与混凝土之所以能共同工作，是因为混凝土硬化并达到一定强度后，两者之间建立了足够的粘结强度，这种相互作用力称为握裹力。钢筋在混凝土中的保护层必须具有一定的厚度，才能保证混凝土与钢筋之间的握裹力。如果钢筋保护层厚度过小，钢筋过分靠近结构构件的边缘，容易造成钢筋露筋或钢筋受力时表面混凝土剥落，直接导致握裹力的减小。钢筋与混凝土之间失去粘结力，从而使构件的承载力降低，严重时还会导致整个结构体系的破坏。

　　2 规范对混凝土保护层厚度的要求

　　从材料的物理力学性能分析，钢筋具有较强的抗拉、抗压强度，而混凝土只具有较高的抗压强度，抗拉强度却很低，但是两者的弹性模量较接近，混凝土有较好的粘结力，将两种材料合为一体，发挥了各自的受力性能，能很好地协调工作，共同承担结构构件所承受的外部荷载。同时钢筋受混凝土保护，不至于腐蚀而降低强度与使用寿命。我国《混凝土结构设计规范》GB50010-2002对混凝土保护层最小厚度提出以下要求：

　　纵向受力的普通钢筋及预应力钢筋，其混凝土保护层厚度(钢筋外边缘至混凝土表面的距离)不应小于钢筋的公称直径，且应满足表1的规定[5]。

　　表1 纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度(mm) 环境

　　类别 板、墙、壳 梁 柱 ≤C20 C25～C45 ≥C50 ≤C20 C25～c45 ≥c50 ≤C20 C25～C45 ≥C50 20 15 15 30 25 25 30 30 30 —l a 20 20 30 30 30 30 一l b 25 20 35 30 35 30 30 25 40 35 40 35

　　基础中纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度不应小于40mm.当无垫层时不应小于70mm。

　　表中说明环境类别越高，钢筋越容易受到腐蚀，因此保护层厚度越大。

　　规范规定：一类环境为室内正常环境;二类环境a为室内潮湿环境;非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境;二类环境b为严寒和寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境;三类环境为使用除冰盐的环境、严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境、滨海室外环境。同时规范对一类、二类、三类环境中，设计使用年限为50年的结构混凝土作如下规定，见表2：

　　表2 结构混凝土耐久性的基本要求

　　环境类别

　　最大水灰比 最小水泥用量

　　(kg/m3) 最低混凝土

　　强度等级 最大氯离子含量 (%) 最大碱含量

　　(kg/m3) 一 0.65 225 C20 1.0 不限制 二 a O.60 250 C25 0.3 3.0 b 0.55 275 C30 O.2 3.0 三 0.50 300 C30 0.1 3.O 当混凝土的最大氯离子含量与最大碱含量满足上表要求，混凝土保护层厚度满足表2要求，混凝土保护层不会产生化学变化，钢筋周围形成的钝化膜也不会遭到破坏，钢筋不腐蚀，结构耐久性得到了保证。

　　3 混凝土保护层厚度控制对策

　　在实际工程中，现浇板负弯矩钢筋保护层偏大及现浇框架结构中主次梁交界处主梁的上部负弯矩钢筋保护层偏大的问题较为突出，尤其是住宅客厅的楼板，板的跨度较大，板的保护层加厚就会导致板的有效高度降低，从而引起楼板上表面四周墙根处出现许多裂缝，影响板的安全性和使用功能;阳台悬挑板钢筋保护层厚度增大，严重者会引起板的断裂和垮塌。那么，钢筋之保护层该如何控制呢?

　　3.1钢筋工程安装前进行技术交底

　　在施工前，应针对不同的工程部位，根据设计图纸及施工验收规范，确定正确的钢筋保护层。

　　3.2重视钢筋下料工作

　　钢筋下料人员应熟悉图纸及规范的要求。对于一些钢筋密集，复杂的梁、柱交接处，主梁与次梁的交接处必须放实样，合理安排各方向的主筋与负筋位置。避免由于交接点处钢筋密集无法安装而造成钢筋挤占保护层位置，从而发生露筋情况。

　　3.3重视钢筋的绑扎成型工序

　　绑扎时要按图纸、规范操作，保证钢筋骨架各部分尺寸及精度。对一些复杂的梁板结构以及纵横交错的梁柱交接点处，应在认真进行技术交底的基础上，合理安插主、次梁结构主钢筋的位置，并注意施工顺序，避免出现钢筋挤占保护层的情况。

　　3.4安放、绑扎固定保护层垫块应作为钢筋工程施工中的一个重要环节

　　在施工过程中，重点要做到规范操作，特别是在现浇板浇筑与振捣过程中，尤其需要重视规范操作。对上层钢筋或下层钢筋应作有效的固定，采用塑料限位卡或砂浆预制块固定梁板钢筋。梁板保护层厚度不同，垫块不得混用。

　　3.5混凝土浇捣过程应注意成品保护

　　钢筋绑扎时位置往往都很正确，但一到浇捣时情况就变了样，不是人踩就是工器具压在上面，由此造成的结果是支撑钢筋的支架被踩倒，混凝土上层钢筋弯曲变形或下沉，保护层的厚度得不到保证。因此，在混凝土浇捣施工中，除了对易于偏位的钢筋应作有效的固定外，应有专人指挥监督，严禁人员在钢筋上随意行走，振捣要按操作规范要求认真有序操作，振动捧不得随意触及钢筋骨架。

　　3.6混凝土保护层厚度的检验

　　混凝土浇筑完成后应按以下要求检验：

　　(1)对选定的梁类构件，应对全部纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度进行检验;对选定的板类构件，应抽取不少于6根纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度进行检验。对每根钢筋，应在有代表性的部位测量1点。

　　(2)混凝土保护层厚度检验时，纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度的允许偏差，对梁类构件为+10mm，一7mm;对板类构件为+8mm，一5mm。

　　(3)结构实体钢筋保护层厚度验收合格应符合下列规定：当全部钢筋的保护层厚度检验的合格点率为90%及以上时，钢筋的保护层厚度的检验结果应判为合格;当全部钢筋的保护层厚度检验的合格点率小于90%但不小于80%，可再抽取相同数量的构件进行检验;当按两次抽样总和计算的合格点率为90%及以上时，钢筋的保护层厚度的检验结果仍应判为合格;

　　结束语

　　钢筋保护层是一个容易被忽视，但却非常重要的问题。通过上述分析可知不按规范施工而加大保护层厚度会降低构件的承载力，轻则导致构件裂缝，重则导致不安全事故的发生;减小保护层厚度将导致结构或构件的耐久性降低。工程中，很多楼板开裂、板底露筋泛锈等就是由于钢筋保护层厚度等原因引起的。因此，我们要充分认识到合理钢筋保护层厚度对工程结构的重要性。从设计、施工的每一个环节入手，认真对待这个问题，并特别关注负弯矩钢筋的保护层问题，以确保构件的正常使用，提高工程质量，使我们的工程施工技术水平迈向新的台阶。

　　参考文献

　　[1] 杨蓉.钢筋保护层厚度质量控制对策分析[J].山西建筑, 2009,35(10)：239-240.

　　[2] 闫宏.从工程实例谈钢筋混凝土保护层质量控制[J].科技资讯, 2008.3：61.

　　[3] 陈肇元：《土建结构工程的安全性与耐久性》，中国建筑工业出版社，2003年6月

　　[4] 熊丹安等：《建筑结构》，华南理工大学出版社，2005年1月。

　　[5]《混凝土结构设计规范》GB50010-2002 ，中国建筑工业出版社， 2002年 。