摘 要：钢筋混凝土结构是房屋建筑、市政工程中被广泛采用的结构形式.在我们的建设工程质量监督的日常工作中,对钢筋混凝土结构工程实体质量的检查监督无疑是一个重点.由于钢筋混凝土工程量大面广,在检查中我们经常发现一些施工单位在施工过程中对混凝土结构中的钢筋保护层厚度控制不严,造成钢筋位置不准.再加上模板尺寸偏差较大等因素造成钢筋保护层超标,并且在混凝土浇筑后,又不能直观的看到其内部结构,因而给工程质量带来隐患.钢筋混凝土保护层是关系到钢筋混凝土结构构件力学性能和建筑物使用寿命的重要因素,介绍了施工时3种行之有效的控制板负弯矩筋混凝土保护层厚度的方法.除了原材料质量因素以外,钢筋混凝土结构构件的钢筋保护层偏差直接影响到钢筋混凝土构件的力学性能及耐久性,关系到建筑物的使用安全及使用寿命.因此,参与建设、施工的各方均应足够重视并关注钢筋混凝土结构的保护层问题.下面就笔者参与建设工程质量监督工作以来所积累的经验和体会,对钢筋混凝土结构保护层厚度的控制提出几点见解供大家探讨.
关键词:钢筋;保护层;控制;施工
1 前 言
1.1 钢筋保护层控制的特点及研究意义
钢铁工业尽管起步较早,但真正应用于工程施工时间并不长,混凝土在建筑工程中的应用更是近100年左右时间的事.自从人们找到水泥这种新兴建筑原材料,工程施工技术得到了突飞猛进的进步.特别是近50年,由于普通钢筋混凝土结构 及预应力钢筋混凝土结构在工程中的应用,更使得建筑领域发生了翻天覆地的革命.摩天大楼拔地而起 ，几百米跨度的桥梁建造也由过去的神话变成了现实.这中间都少不了钢筋和混凝土这两种材料的功劳.
那么,钢筋与混凝土到底是如何工作的呢?它们究竟是什么样的关系呢?从材料的物理力学性能来讲,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,还有较好的粘结力,这样既发挥了各自的受力性能,又能很好地协调工作,共同承担结构构件所承受的外部荷载.
因为钢筋与混凝土之间存在足够的粘结力,在结构计算时,钢筋混凝土构件是作为一个整体来承受外力的;又由于混凝土的抗拉强度很低,为简化计算,一般混凝土只考虑承受压应力，而拉应力则全部由钢筋来承担.对于受力构件截面设计来讲,受拉的钢筋离受压区越远,其单位面积的钢筋所能承受的外部弯矩也越大,这样钢筋发挥的效率也就越高.所以一般来讲,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.如果放置错误或者钢筋保护层过大,轻则降低了梁的承载能力,重则会发生重大事故.
那么,受拉的钢筋是否越靠边越好呢?答案当然是否定的.这是因为钢筋的主要成分是铁,铁在常温下就很容易氧化,更别说在高温或潮湿的环境中.钢筋被包裹在混凝土构件中形成钝化保护膜，不与外界接触相对还比较安全,但如果钢筋保护层厚度过小,也就是钢筋过分靠近受拉区一侧,一方面容易造成钢筋露筋或钢筋受力时表面混凝土剥落,另一方面随着时间的推移,表面的混凝土将逐渐碳化,用不了多久,钢筋外混凝土就失去了保护作用,从而导致钢筋锈蚀,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.通常除基础外梁的保护层厚度一般为2.5cm.
在工程实际中,由于钢筋保护层厚度未按规范要求所导致的质量问题不胜枚举.比较突出的如现在商品住宅楼工程建设中楼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.以住宅楼为例,如今的住宅面积越来越大,楼板跨度也越来越大,尤其是客厅楼板.笔者曾见到过某单位建设的跨度达5.7米的楼板,厚度为15cm,设计是双层双向钢筋双层双向钢筋网.从结构的力学计算来讲,支座处的负弯矩不比跨中板底正弯矩小多少,但由于施工时施工单位对支座负弯矩钢筋未引起足够重视,结果工程刚竣工还未使用就发现楼板上表面四周墙根处出现了许多裂缝.后经权威检测部门检查测试后发现,支座处负筋的保护层普遍超过规范2-4cm,最大的甚至超过了7cm,使楼板上部的负弯矩钢筋的作用大大降低,有些甚至完全失去作用,最后在迫不得已的情况下经设计同意采取局部加固补强措施,尽管这样还是给施工单位本身造成了很大的经济损失.据有关资料统计,目前住宅楼板开裂原因中70%左右是由钢筋保护层位置不正确引起的.
诚然,钢筋保护层厚度对单项工程质量并不是起决定作用的,但如果不重视它,所产生的危害也是不容忽视的.我们要在正确了解钢筋及混凝土的受力机理的前提下,充分认识到合理的钢筋保护层厚度对工程结构 的重要性.只有防微杜渐,才能使我们的工程施工技术水平更上一个档次.
1.2 钢筋保护层控制及其质量的研究现状
钢筋和混凝土在建筑工程中已经成了不可分割的孪生兄弟,从材料的物理力学性能来分析,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,抗拉强度很低.但两者的弹性模量较接近,还有较好的粘结力,这样既发挥了各自的受力性能,又能很好地协调工作,共同承担结构构件所承受的外部荷载.
那么,钢筋保护层又该如何控制呢?我认为重点应从两方面着手,一是抓施工前技术交底;二是抓过程中要素控制.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.保护层的厚度并非千篇一律,一般来说现浇楼板的保护层厚度1.5cm,而基础的保护层厚度通常为5cm,有时甚至达到10cm.因此,在对操作者的技术交底中必须明确此厚度,否则很容易造成返工.在施工过程中,则重点要做到规范操作,特别是在混凝土现浇板浇捣过程中,尤其需要重视.往往是钢筋绑扎时位置都很正确,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马墩被踩倒,混凝土上层钢筋弯曲变形,保护层的厚度也就得不到保证.所以在施工过程中,应做到规范操作,严禁操作人员在钢筋上随意行走;对上层钢筋应作有效的固定;浇捣中还应经常检查,发现问题及时解决.
1.3 现有研究的不足及本文的研究内容
本文从施工的各个方面进行全面分析钢筋混凝土保护层,从而使施工人员更好的认识保护层的重要性及操作要领.
2 对钢筋混凝土结构保护层厚度控制的重要性分析
2.1 从力学角度分析
钢筋混凝土结构构件是由钢筋和混凝土组成.从原材料的力学性能而言,钢筋具有较强的抗拉强度;混凝土则具有较高的抗压强度,而其抗拉强度却很低.这种组合发挥了它们各自的优势性能,共同承担结构构件所承受的外部荷载.因此,一般我们在考虑钢筋混凝土的受力条件时,着重考虑的是混凝土的受压应力和钢筋的受拉应力.而钢筋混凝土结构构件中钢筋的实际受拉应力是否能与设计计算应力相吻合,主要取决于钢筋在结构中的位置是否正确.这也正是我们要求控制钢筋保护层厚度的主要原因.
一般来讲,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,如果钢筋保护层厚度过大,轻则由于钢筋不能有效发挥其应有的抗拉作用,而使混凝土受拉应力超标产生裂缝,重则由于悬挑结构上部钢筋所受拉力的力矩高度(h0)变小,而使钢筋受拉应力超标发生结构断裂.此类事故在建设史上并不少见.再比如,大面积的现浇楼板,下排钢筋如果垫得过高,保护层过大,在外加荷载作用下,混凝土下部受拉应力超标,也会产生板底裂缝.
2.2 从钢筋与混凝土的粘结力分析
钢筋与混凝土之所以能共同工作,是因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.另外,钢筋保护层过小,表层混凝土将随着时间的推移而逐渐碳化,边缘钢筋失去保护作用而导致钢筋锈蚀,钢筋与混凝土之间也会失去粘结力,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.
2.3 从构件的耐久性分析
保护层的作用除上所述之外,顾名思义还起着保护钢筋不被锈蚀的作用,以确保钢筋混凝土结构的耐久性.影响钢筋混凝土结构耐久性的因素很多,除了特殊的外界因素以外,在一般使用条件下,主要考虑大气的侵蚀而使钢筋氧化生锈.而混凝土不密实、裂缝、钢筋保护层偏小,再加上混凝土碳化以及钢筋的电化学反应等因素就会因此加速这种侵蚀过程.钢筋氧化锈蚀又会导致体积膨胀,致使混凝土保护层开裂造成恶性循环,更加加快钢筋锈蚀进程,从而大大缩短建筑物的使用寿命.因此,保证保护层厚度在设计及规范规定范围之内,就能最大程度的保护钢筋免受锈蚀,延缓混凝土碳化深度到达钢筋表面的时间,确保结构的使用年限.对一些特殊环境下的建筑物,如处于腐蚀气体环境下的建筑结构,设计上对混凝土结构的钢筋保护层还要作一些专门的规定,以确保建筑结构的耐久性.
2.4 从混凝土的防火要求分析
保护层对混凝土内部的钢筋还具有一定的防火功能.
当建筑结构发生火灾时,环境温度急剧升高,钢筋与混凝土的热膨胀系数是不同的.当钢筋的膨胀值逐渐大于混凝土的膨胀值时,就会损伤和破坏混凝土与钢筋之间的握裹力;此外,当钢筋温度上升到700℃时,钢筋屈服强度大幅度降低,就会失去与混凝土共同工作的条件,而导致结构破坏.然而,混凝土是不良导热体,它能保护钢筋不会立即受到高温影响,从而延缓结构丧失承载能力的时间,为消防救援赢得时间.
由于以上诸多原因,国家规范对钢筋混凝土保护层厚度的提出强制性要求:
国标GB50010-2002《混凝土结构设计规范》在强制性条文中明确规定:纵向受力的普通钢筋及预应力钢筋,其混凝土保护层最小厚度(钢筋外边缘至混凝土表面距离)不应小于钢筋的公称直径,且应符合表2.1的规定.
国标GB50204-2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》特别提出了对钢筋保护层厚度的检验,对检验的结构部位和构件数量及验收方法,都做了明确的说明,并对检验的允许偏差范围做了规定:钢筋保护层厚度检验时,纵向受力钢筋保护层厚度的允许偏差,对梁类构件为+10mm,-7mm;对板类构件为+8mm,-5mm.
在我们建筑施工中尤其要注意保证钢筋保护层的厚度.在日常施工中,主要采取下列措施来保证混凝土保护层的厚度:
