王海伦
天津港工程监理咨询有限公司 300450
摘要：在水运工程中钢筋混凝土结构在海水环境的作用下，受物理力学以及化学反应等各种因素的影响容易发生腐蚀，而腐蚀问题的出现就会造成水运工程钢筋混凝土的破坏，而钢筋混凝土结构实体保护层作为有效预防水运工程中钢筋混凝土结构发生腐蚀的重要屏障，探究和分析保护层的的作用机制，对有效提高水运工程混凝土结构的耐久性具有非常重要的意义。文章从水运工程中钢筋保护层的概念出发，提出了钢筋混凝土保护层设计的作用，海洋环境对混凝土结构中钢筋腐蚀的原理，以及保护层厚度对混凝土结构产生作用的机制进行了阐述。
关键词：水运工程；混凝土结构；钢筋保护层；保护层厚度
引言
我国有着漫长的海岸线，新世纪前20年，大型深水码头、离岸海洋工程和跨海桥隧工程等大量涌现，采用的钢筋混凝土结构在基础设施建设中起着极其重大的作用，因此成为世界上最庞大的建筑材料和结构形式。然而，钢筋混凝土在一定条件下也是相对耐久的，国内外的大量工程实践表明，许多在海水环境中的钢筋混凝土结构远远达不到人们期望的使用年限，甚至在几年、十几年左右就发生严重破损，给工程建设乃至国民经济带来重大影响。
钢筋混凝土结构在海水环境中由于力学、物理、化学等方面的众多因素影响，混凝土的耐久性问题十分复杂。一般认为钢筋腐蚀、冻融、碱集料反应及化学侵蚀等是影响混凝土耐久性的主要原因。Basheer等统计了英国271个结构劣化破坏事例，发现钢筋锈蚀占55%，是引起钢筋混凝土结构破坏的主要因素，其中氯盐污染引起钢筋锈蚀占33%，属首位破坏因素。
1 钢筋保护层概念
混凝土保护层系指包裹在钢筋外面的一定厚度的混凝土层。其厚度为钢筋的外边缘到混凝土的外边缘(表面)之间的最小距离。当设计图纸上没有明确说明时,保护层厚度一般指主筋的保护层厚度。还要注意一般所规定的保护层厚度应不包括与基体可能脱开或将会脱开的任何抹面层。
国外工程中有“名义保护层”的提法,它是指包括箍筋在内的所有钢筋的混凝土保护层设计厚度,也有把混凝土保护层定义为任何钢筋与最近的混凝土表面之间的最小距离的,而且我国也有净保护层的提法。需要根据设计说明确定工程中实际保护层厚度。
2 钢筋保护层的作用
1)保证钢筋与混凝土的共同作用，满足受力钢筋粘结锚固要求；
2)保护钢筋免受锈蚀或延长钢筋的锈蚀进程；
3)增强钢筋在火灾作用下的耐火能力。氯盐侵蚀环境影响下的海港工程钢筋混凝土结构，由于保护层厚度不足导致构件中钢筋过早发生锈蚀破坏引起结构功能下降、耐久性寿命降低的现象十分普遍。
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过薄的保护层大大缩短了氯离子的渗透通道，使钢筋过早锈蚀，严重影响了建筑物的安全使用寿命。随着海港工程建设事业的发展，大跨度跨海大桥、深水及离岸工程越来越多，对混凝土耐久性安全性要求越来越高。
3 混凝土保护层中钢筋腐蚀原理
大部分钢筋混凝土建筑物均能够持续地按照其设计性能发挥作用,并提供一种低维护的解决方案。在钢筋混凝土结构中,水泥在水化状态所呈现的碱性可导致在钢筋的表面上形成钝态氧化层,而这种氧化层能有效地降低钢筋腐蚀到可忽略不计的水平。但是,混凝土本身的有限渗透性可允许化学物的渗入,从而导致保护性的钝化层遭到破坏,并最终使钢筋遭到腐蚀。腐蚀产物的膨胀,导致钢筋周围对混凝土的挤胀压力可达210～250MPa,这样就会在混凝土保护层最小、最薄弱的部位上超过混凝土抗拉强度而出现裂缝。在海水环境中导致钢筋腐蚀的最主要的过程是氯化物侵蚀, 而钢筋保护层就是防备钢筋锈蚀的屏障。
4 钢筋保护层厚度对混凝土结构产生作用的机制研究
4.1 影响混凝土结构使用寿命的机制
由于力学、物理、化学等方面的众多因素影响,混凝土的耐久性问题十分复杂。一般认为钢筋腐蚀、冻融、碱集料反应及化学侵蚀等是影响混凝土耐久性的主要原因,但其中Cl-渗透造成的钢筋腐蚀问题则排在首位。自20世纪80年代开始,已有许多学者研究了Cl-环境下钢筋混凝土结构使用寿命的预测问题,现已提出多种预测混凝土使用寿命的方法和应用实例。
一般假定Cl-在混凝土中的非稳态扩散过程服从Fick第二定律,Cl-扩散计算的基本数学模型表明,混凝土使用寿命与保护层厚度大小有关。显而易见,保护层越厚,混凝土使用寿命越长。因此,设计时适当加大保护层厚度,对延长遭受氯盐污染混凝土结构的使用寿命有利。
4.2 影响混凝土结构表观质量的机制
怎样有效地保证混凝土钢筋不产生锈蚀是结构耐久性和安全性所追寻的手段,也是考虑混凝土结构使用寿命主要关注点之一。一般除了对混凝土中有害杂质含量的控制外,对钢筋的保护层厚度和混凝土表面裂缝的控制也是控制要点,目前我国各种混凝土施工及设计规范中都已有所反映,体现出在环境条件越恶劣时所要求的保护层越厚及混凝土强度等级提高时可适当降低保护层厚度的观点,这种观点在假设混凝土结构完整或仅有无害裂缝存在的条件下是合理的。然而,混凝土表面开裂与保护层厚度有关,保护层越厚,混凝土表面开裂的宽度越大。因此,当以控制裂缝宽度为要求时,增加保护层厚度反而不利。可见,如何确定适当的保护层厚度对防止钢筋锈蚀非常重要。
由于裂缝宽度与保护层厚度相关,国外有些规范对允许裂缝宽度以保护层厚度表示(例如允许裂缝宽度取为0.0035C～0.005C,其中C为保护层厚度；也有规定允许裂缝宽度取为保护层厚度的4‰等),而我国规范则将允许裂缝宽度取为定值。
近几年来,随着矿物掺合料和高效减水剂的应用,以及高性能混凝土技术的发展,混凝土结构的耐久性理所应当有很大提高,然而事实上由于各种宏观和微观裂缝的存在,目前有些混凝土结构并没有想像的那么耐久。究其原因,混凝土破坏是由表及里的过程,混凝土保护层开裂是导致这些混凝土结构耐久性降低的主要原因之一。虽然适当加大保护层厚度对延长混凝土结构使用寿命有利,但这是以保护层不开裂为前提的,否则也是浪费。因此,加强保护层裂缝特性的研究将对解决混凝土结构耐久性发挥重要作用,也是一个新的研究发展方向。
结语
水运工程钢筋混凝土结构实体保护层具有非常重要的作用，保护层的应用可以有效提高结构抗力的强度，可以有效延长结构实体的使用寿命和有效控制结构实体表面裂缝的产生，其意义非常重大。因此，在水运工程的混凝土结构施工质量控制过程中，需要严格做好钢筋隐蔽工程的控制和验收工作，使得保护层厚度的薄厚满足设计及规范要求，达到交付合格工程质量的目的。
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作者简介：
王海伦1987年12月，女，工程师职称，大学本科学历，工程硕士学位，研究方向：港口土建
论文作者:王海伦
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/21
标签：保护层论文; 钢筋论文; 混凝土论文; 厚度论文; 混凝土结构论文; 工程论文; 裂缝论文; 《防护工程》2018年第32期论文;