混凝土保护层及重要作用

3 混凝土保护层的重要作用与结构耐久性和质量要求钢筋混凝土保护层是指钢筋混凝土结构构件中起到保护钢筋、避免钢筋直接裹露的那一部分混凝土。简单的说，就是指结构构件中钢筋外边缘至构件表面范围用于保护钢筋的混凝土，简称保护层。根据混凝土和钢筋共同工作机理，混凝土与钢筋之间存在着足够的握裹力，亦称粘结力、粘结锚固力、粘结锚固作用或粘聚力。这种握裹力是由胶结力、摩擦力、咬合力、机械锚固力构成，与钢筋混凝土结构的性能和承载力有着非常密切的联系。保证混凝土和钢筋共同工作，确保结构受力性能，就是保证混凝土与钢筋之间的这种握裹力，就需要混凝土保护层必须具有足够的密实性和足够的厚度。根据2010年新修订的混凝土结构设计规范(GB50010-2010)（以下简称新设计规范）的规定，保护层的厚度是指构件中最外层的钢筋外边缘至构件表面的最小距离。这个厚度是指不包括构件表面的粉刷层在内3.1混凝土保护层的任务与作用3.1.1 保护层的任务混凝土结构构件中，保护层作为构件的重要的组成部分，长期在外界环境“三相”（气相、液相、固相）作用下，经受碳化作用的透析，担负着握裹（粘聚）钢筋、保护钢筋在良好的环境中与混凝土共同工作、共同承受荷载（恒载和活载）、协同变形；抵抗外界环境（大气中）有害介质的侵蚀作用；承受外部损伤，抵抗偶然的突发性危及结构安全的灾害（如地震、火灾、潮啸、冰雪、爆炸、撞击等）的破坏；保证结构的承载力和受力性能，延长结构的使用寿命，确保结构的安全和耐久性，提高结构抗焚耐烧性能等重任。3.1.2保护层的功能与作用1 保证混凝土与钢筋之间的握裹力，确保结构受力性能和承载力混凝土与钢筋两种不同性质的材料共同工作，是保证结构构件承载力和结构性能的基本条件。混凝土是抗压性能较好的脆性材料，钢筋是抗拉性能较好的延性材料；这两种材料各以其抗压、抗拉性能优势相结合，构成了具有抗压抗拉抗弯抗剪抗扭等结构性能的各种结构形式的建筑物或构筑物。混凝土与钢筋共同工作的保证条件是依靠混凝土与钢筋之间具有足够的握裹力。握裹力由粘结力、摩擦力、咬合力和机械锚固力构成。混凝土与钢筋之间的握裹力与钢筋混凝土的性能和承载力直接相关。（1）粘结力亦称胶结力，即化学胶着力。是混凝土与钢筋接触界面上的化学吸附力。由水泥浆体在硬化前对钢筋氧化层的渗透、硬化过程中晶体的生长等产生的。此力一般都很小，一旦界面发生相对滑移，化学胶着力便会消失，仅在无滑移区局部起作用。（2）摩擦力即为混凝土收缩后紧紧握裹钢筋所产生的力。它与接触面的粗糙程度及侧压力有关，混凝土与钢筋之间的接触面越粗糙，挤压力越大，则摩擦力也越大。但会随着滑移发展其作用减小。光面钢筋压入的粘结强度比拉拔的粘结强度大，这是由于钢筋受压会变粗，对混凝土的挤压力增大，使摩擦力也增大。而对于带肋钢筋而言，其摩擦力比光面钢筋的大得很多。（3）咬合力亦称机械咬合力，即主要由混凝土的咬合嵌入与钢筋表面的凹凸不平（光面钢筋其表面轻微腐蚀形成的蚀坑，带肋钢筋横肋对肋前混凝土挤压）的作用而产生的。此种咬合力往往作用很大，且为带肋钢筋握裹（粘结）力的主要来源。（4）机械锚固力即是钢筋端部的弯钩、弯折及附加焊锚板、贴焊短角钢或短钢筋等方法提供的增强锚固力。握裹力在不同情况下（不同受力阶段、构件部位和钢筋的截面形式）发挥自己的作用。在这里，机械咬合力提供握裹力作用最为主要，但若布置不当，就会产生大滑移、裂缝甚至局部混凝土破碎等现象。保证混凝土与钢筋之间的握裹力是有效保证混凝土与钢筋共同工作的基础；能够承受由变形差（相对滑移）沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力的基本前提是二者间具有的黏结强度，通过黏结应力来传递二者间的应力，使钢筋与混凝土共同受力。钢筋与混凝土之间的黏结强度如果遭到破坏，就会使构件变形增加、裂缝剧烈开展，甚至提前破坏。在重复荷载（特别是强烈地震）作用下，很多结构的毁坏都是黏结破坏及锚固失效引起的。2 保护钢筋不锈蚀，确保结构安全和耐久性混凝土中钢筋的锈蚀是一个相当漫长的过程。钢筋因受到外界介质的化学作用或电化学作用而逐渐破坏的现象称为锈蚀。钢筋锈蚀不仅使截面有效面积减小，性能降低甚至报废，而且由于产生锈坑，可造成应力集中，加速了结构的破坏。尤其在冲击荷载、循环交变荷载作用下，将产生锈蚀疲劳现象，使钢筋疲劳强度大为降低，甚至出现脆性断裂。在混凝土中，钢筋锈蚀会使混凝土开裂，降低对钢筋的握裹力。有资料报道，当锈蚀率大于3%时，混凝土与钢筋的握裹力迅速下降，锈蚀率为5%时，握裹力在未锈蚀钢筋的50%以下；锈蚀率达8%时，混凝土裂缝宽度达1.53，握裹力在未锈蚀钢筋10%以下。混凝土保护层对钢筋具有保护作用。同时混凝土中水泥水化的高碱度（PH12.5），使被包裹在混凝土构件中的钢筋表面形成钝化保护膜（即简称钝化膜）是混凝土能够保护钢筋的主要依据和基本条件，任何削弱或丧失这个条件的因素，都将促使钢筋锈蚀，影响混凝土的耐久性。（1）钢筋环境稳定性差，自然环境状态下（即常温下）很容易被氧化，暴露在空气中的钢筋表面会因为由于吸收空气中的CO2、O2或SO2的水分而产生锈蚀作用。根据锈蚀作用机理，钢筋锈蚀可以分有两种形态:一种是化学作用锈蚀；另一种是电化学作用锈蚀。钢筋直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀称为化学作用锈蚀。这种锈蚀多数是氧化作用，使钢筋表面形成疏松的氧化产物，正常气温环境下，钢筋表面会形成有一层薄层氧化保护膜FeO,可以起到一定的防止钢筋锈蚀的作用，故而在干燥恒温的环境中，钢筋锈蚀进展的速度不是很快，较为迟缓。但是，一旦高温、潮湿（相对湿度达到75%以上）时，化学锈蚀进展加快。另一种是钢筋在自然状态下吸收空气中的溶有CO2、O2或SO2的水分，形成一种电解质水膜时，会在钢筋的表层的晶体界面或组成钢筋的成分之间构成无数微电池而产生的锈蚀，称为电化学作用锈蚀。暴露于潮湿的空气或土壤中的钢筋表面附着一层电解质水膜，由于表面成分或受力变形不均匀等因素，使局部产生电极电位差，形成许多“微电池”。在电极电位较低的阳极区，铁被氧化失去电子呈Fe离子进入水膜；在阴极区得到了电子与溶入水中的氧作用形成OH，两者结合形成电化学腐蚀，生成的Fe(0H)2在空气中进一步氧化成Fe(OH)3（铁锈）。氧化反应式如下：阳极区反应 FeFe + 2e阴极区反应 O2 2H2O 4e4OH两者结合 Fe + 2OH=Fe(OH)2 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2=4Fe(OH)3 。1这种氧化产物生成后体积增大24倍（最大可达到5倍），使其周围混凝土产生拉应力直到引起混凝土的开裂破坏；同时会加剧混凝土的收缩，导致混凝土开裂。钢筋锈蚀截面有效面积减小、受力性能削弱、承载力下降，而且其锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层开裂甚至剥落，这样钢筋失去保护屏障，空气中的水分、潮气就会更加容易地加快、加重钢筋的继续锈蚀，钢筋与保护层问题就形成了恶性循环，其直接危害就是构件承载力下降、结构失稳破坏而引发出一系列的工程事故，由此可见，混凝土保护层的作用是具有极其重大意义的。（2）保护层的抗碳化与抗渗功能混凝土本身就具有易碳化的性质，混凝土碳化是一个由表及里、由浅入深的漫长过程。混凝土的碳化速度是随时间的增长、空气中CO2的浓度的增加及混凝土孔隙的增大而加快，特别是孔隙率，它不但影响混凝土的碳化速度，过大的孔隙率还会使钢筋表面得不到碱性溶液的严密覆盖而降低其抗锈蚀能力。混凝土碳化的作用会为钢筋的锈蚀提供外部条件，即等于是在为钢筋锈蚀添加催化剂。混凝土碳化机理。混凝土的碳化（即碳酸化），它是指混凝土水泥石中的水化产物Ca(OH)2与空气中的CO2在一定湿度条件下发生化学反应，生成碳酸钙（CaCO3）和水（H2O）的过程。碳化使混凝土的碱度降低，固又称混凝土碳化为混凝土“中性化”。碳化过程是由表及里逐步向混凝土内部发展的，碳化深度大致与碳化时间的平方根成正比，可用下式表示:h= k根号t。式中：h碳化深度（mm）； t碳化时间（d）； k碳化系数。碳化速度系数（k）与混凝土的原材料、孔隙率和孔隙构造、CO2浓度、温度、湿度等条件有关。在外部条件（CO2浓度、温度、湿度）一定的情况下，它反映混凝土的抗碳化能力强弱。值越大，混凝土碳化速度越快，抗碳化能力越差。碳化对混凝土的物理力学性能有着明显的影响。碳化会使混凝土中的钢筋表层的钝化膜因失去碱性而剥落破坏，引起钢筋锈蚀；另外，参与碳化反应的氢氧化钙（Ca(OH)2）是从较高应力区溶解，故而使混凝土表层产生碳化收缩增大，导致混凝土表面产生拉应力，从而降低混凝土抗拉强度、抗折强度，严重时直接导致混凝土开裂。同时由于开裂降低了混凝土的抗渗性能，使得CO2和其他腐蚀性介质更加容易进入混凝土内部，加速碳化作用，降低耐久性。再就是，碳化作用使混凝土的碱度降低，失去混凝土强碱环境对钢筋的保护作用导致钢筋锈蚀膨胀,严重时使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂，直至剥落，进一步加速碳化和腐蚀，严重影响钢筋混凝土结构的力学性能和耐久性,并因碳化作用释放出来的水分（H2O）更利于促进未水化的水泥颗粒进一步水化。这样一来，便形成了碳化锈蚀锈蚀膨胀膨胀开裂加快碳化锈蚀加剧这么一个恶性循环的过程。