鄭德安

（安徽省·淮委水利科學研究院 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)計使用年限來體現(xiàn)的?！痘炷聊途眯詸z驗評定標準》（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指標可看出，其性能均與混凝土的密實程度和內(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層質(zhì)量對結(jié)構(gòu)耐久性的影響進行敘述。

2 存在的問題

在目前的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中，部分設(shè)計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)計雖然明確提出了使用年限的要求，但沒有進一步進行專門的耐久性設(shè)計。許多設(shè)計往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強度計算上的安全度需要，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、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計、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度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、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；二要重視保護層厚度的確定及保護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，目前有相當一部分水利工程承擔著交通橋作用，因而要進一步對汽車超載對橋梁內(nèi)部損傷、疲勞應力幅度加大以及對超載帶來的后果進行研究、分析。

3 鋼筋混凝土保護層問題

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

（1）保護鋼筋防止銹蝕或延長鋼筋的銹蝕進程，以滿足耐久性的要求；

（2）保護層能增強鋼筋的耐火能力；

（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體積收縮，使混凝土與鋼筋表面凹凸不平產(chǎn)生機械咬合力，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層完全碳化所需的時間，因此受力鋼筋的混凝土保護層厚度應根據(jù)不同等級的混凝土在設(shè)計基準期內(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)計規(guī)范》（SL/T191-96）對混凝土保護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)計厚度，就是在設(shè)計中用于構(gòu)件強度及變形計算和標注于施工圖上的保護層厚度。而國外設(shè)計規(guī)范規(guī)定的保護層設(shè)計厚度中，一般都包含了保護層厚度施工時的允許偏差值，即設(shè)計厚度是在結(jié)構(gòu)耐久性、防火和粘結(jié)力所需厚度的基礎(chǔ)上，應再加上保護層厚度的施工允許偏差值的絕對值。除此以外，作為設(shè)計要求，保護層的設(shè)計厚度還應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條標準標注，會使實際工程的保護層厚度增加，而保護層厚度增大后，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反應，隨著保護層厚度的增加，滲入到內(nèi)部參與銹蝕反應的氧和水分等物質(zhì)肯定會減少，必然會降低銹蝕的速度。控制裂縫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層厚度，顯然有失偏頗。

5 鋼筋混凝土保護層厚度誤差出現(xiàn)的原因

鋼筋保護層厚度出現(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、計算、放樣成型不準；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)架運輸變形；保護層墊塊過稀或脫落后網(wǎng)架變形等。

（4）墊塊誤差。如保護層墊塊制作時厚度偏差大，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 鋼筋混凝土保護層厚度施工允許誤差的確定

根據(jù)日本科學家的調(diào)查研究，假定混凝土的平均碳化深度偏差及保護層的施工誤差符合標準正態(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算，其對應的結(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——保護層厚度的施工標準差；

D——保護層厚度的施工實際測點值；

SL——設(shè)計保護層厚度。

表1 鋼筋銹損率對應的結(jié)構(gòu)損壞征狀

7 現(xiàn)行規(guī)范對鋼筋混凝土保護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條對鋼筋保護層厚度提出了最低要求，同時第6.3.8條又對鋼筋安裝時保護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)定了鋼筋保護層最小厚度值；《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144-2001）則對保護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條對鋼筋安裝時鋼筋保護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)量等級評定標準》（DL/T 5113.1-2005）第18.4條規(guī)定了鋼筋安裝時鋼筋保護層厚度的允許偏差值，并且規(guī)定了工序質(zhì)量的評定，合格標準為一般項目不少于70%的檢查點符合質(zhì)量標準，而優(yōu)良標準為一般項目不少于90%的檢查點符合質(zhì)量標準；《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》第三章獨立出來的，第7.1條規(guī)定了鋼筋的鋼筋保護層厚度安裝時的允許偏差，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)定了受力鋼筋保護層厚度的最小值；另1本與之相對應的《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50204-2002）（2011年版）對澆筑成型的房屋建筑工程實體的鋼筋保護層厚允許偏差有具體的要求，同時對實體檢驗的部位、數(shù)量及檢驗評定標準提出了具體要求。

綜合以上各規(guī)范對鋼筋保護層最小厚度要求，均是基于混凝土環(huán)境條件、構(gòu)件類別設(shè)計基準期及混凝土的強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的允許偏差；而對鋼筋安裝的保護層允許偏差各個規(guī)范規(guī)定的不盡相同，有的規(guī)定偏嚴，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層最小厚度取50mm，進行圖紙標注施工。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)量進行工序驗收，則厚度測點在37.5～62.5mm范圍內(nèi)均為合格點，因鋼筋安裝僅是混凝土工程的一道工序，實體質(zhì)量應是模板、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項測點疊加于一處，則該測點處的實際保護層厚度只有7.5mm（只達到設(shè)計最低要求的15%），該點也作為合格點處理顯然是不對的。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)范對最小保護層厚度規(guī)定的更小，因此在實際施工過程中更應嚴格控制各工序施工質(zhì)量，以免出現(xiàn)外觀尺寸和保護層厚度偏差疊加后，局部實體保護層厚度過小的情況（盡管此種情況在實際工程出現(xiàn)的可能性很?。?。

8 鋼筋混凝土保護層混凝土的質(zhì)量問題

鋼筋保護層的混凝土質(zhì)量及厚度是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最根本保證。保護層的混凝土質(zhì)量如振搗不密實和養(yǎng)護不良，會嚴重削弱表層混凝土的密實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?；炷帘砻娴貌坏匠浞逐B(yǎng)護，在干燥、風大的季節(jié)，其表面失水過快，將形成一層氣干層，致使該區(qū)域內(nèi)水化反應提前結(jié)束，強度不再增長，造成構(gòu)件表面強度較低；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)護不良對承載力的損害要小得多。當然養(yǎng)護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)護方法有很大關(guān)系。

墊塊既有控制保護層厚度的作用，其本身也是保護層的組成部分，如果墊塊的制作安裝質(zhì)量不高，不能保證尺寸、強度和密實性，則墊塊部位就可能成為鋼筋銹蝕的薄弱點。為此，首先應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，以保證鋼筋的保護層厚度及質(zhì)量。目前我國尚沒有針對保護層墊塊設(shè)計、制作及安裝的技術(shù)標準。近幾年定型的塑料定位夾在國內(nèi)的建筑工地已經(jīng)廣泛應用，但應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檢查，提高保護層厚度尺寸的保證率。

9 減小鋼筋保護層誤差、提高結(jié)構(gòu)耐久性的途徑

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

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

（3）為保證結(jié)構(gòu)耐久性，工程驗收前針對保護層厚度及質(zhì)量應增加結(jié)構(gòu)實體檢驗環(huán)節(jié) (目前的水利規(guī)范主要是針對施工工序的質(zhì)量檢查及驗收，沒有針對結(jié)構(gòu)實體的驗收標準)。而規(guī)范GB50204-2002（2011年版）中雖有針對結(jié)構(gòu)實體保護層厚度的檢驗及判定標準，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)對目前的各種標準、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)實體鋼筋保護層的允許偏差值，按標準DL/T5113.1-2005和規(guī)范DL/T 5169-2002要求取值，檢驗部位和數(shù)量可參照規(guī)范GB 50204-2002（2011年版）中針對結(jié)構(gòu)實體的檢驗方式進行，而判定合格與否的標準仍按標準DL/T 5113.1-2005的要求進行，即實體鋼筋保護層檢測的檢查點需有70%以上符合設(shè)計和允許偏差要求為合格，檢查點需有90%以上符合設(shè)計和允許偏差要求為優(yōu)良。

（4）鋼筋混凝土保護層是抑制混凝土碳化導致鋼筋銹蝕的唯一屏障，而良好的養(yǎng)護是提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最為經(jīng)濟、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、施工時應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)護方法及期限，這里重點是與保護層混凝土質(zhì)量有關(guān)的施工養(yǎng)護，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致混凝土順筋開裂和剝落，對其保護層厚度的要求也應引起足夠的重視。

（6）開展保護層厚度規(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）要加強施工管理，為保證保護層厚度符合設(shè)計要求，施工時模板表面應盡量做到平整，模板的加工、架立也應盡可能準確，以減小構(gòu)件的成型截面偏差。鋼筋要嚴格按規(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。特別應強調(diào)的是混凝土澆筑下料前應對尺寸進行全面檢驗。拆模后，對極少量的露筋等應及時鑿除重澆或采取表面補救措施，防止鋼筋銹蝕，保證結(jié)構(gòu)耐久性