广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广东广州 510000
摘要：通过现场对某教学楼结构进行耐久性检测，对其柱构件出现开裂的原因进行了分析，对其构件的剩余使用年限进行了计算，对结构的耐久性能进行了鉴定。
关键词：钢筋锈蚀，耐久性，检测鉴定
前言
结构耐久性是指在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。混凝土结构的耐久性损伤主要表现为环境作用下的钢筋锈蚀和混凝土腐蚀及损伤，包括大气环境及氯盐侵蚀环境下的钢筋锈蚀、冻融损伤、碱-集料反应、化学腐蚀、疲劳、物理磨损等。其中钢筋锈蚀是混凝土结构最普遍、危害最大的耐久性损伤，因钢筋严重锈蚀使结构往往达不到预期的使用寿命。 在大气环境下，混凝土碳化以后碱度降低，钢筋钝化膜破坏，在有氧和水的条件下发生电化学反映，生成铁锈。锈蚀产物是铁原体积的3~8倍，混凝土保护层受到膨胀压力，出现沿筋的锈胀裂缝。在实际工程中，大量混凝土结构由于环境侵蚀、材料老化及使用不当产生各种累积损伤，使结构耐久性能下降，从而不能满足结构的安全与正常使用。通过对既有结构进行耐久性评定，可以对结构下一目标使用年限内仍能满足各项功能的时间作出预测。
1实际工程概况
某教学楼始建于1996年，竣工后一直投入使用，于2014年开始发现部分柱构件存在锈胀开裂，部分构件存在钢筋锈蚀、保护层剥落现象。为分析钢筋锈蚀产生的原因，评估其结构耐久性，为该结构提供技术处理依据，鉴定人员对该教学楼进行了结构耐久性检测鉴定。
技术人员主要完成的工作如下：1）使用条件调查：调查该建筑物的使用环境、使用用途、使用历史、施工竣工验收资料等工程资料完整程度等；2）结构图纸恢复：恢复教学楼结构示意图，包括层数、层高与柱网尺寸、构件截面几何尺寸等，确定其结构体系；3）裂缝及缺陷检查检测：对该教学楼群的框架柱、梁板构件外观进行普查，对存在的裂缝、掉角及保护层脱落等现象进行详细检测和记录；对存在锈斑、敲击存在空鼓或已开裂的构件，凿开保护层检查主筋及箍筋是否发生锈蚀；4）钢筋锈蚀状况检测：对存在锈蚀开裂或重要的结构构件，采用剔凿检测，剔凿出钢筋直接测定其有效截面；5）保护层厚度检测：对凿开保护层的构件直接测量并记录保护层厚度，采用钢筋探测仪对其他未破损的构件进行扫描检测；6）混凝土碳化深度检测：对选定的混凝土构件开凿，清理浮灰，采用1%的酚酞酒精喷洒混凝土新鲜表面，测量碳化深度；7）钢筋配置检测：对需要进行承载力验算的构件，进一步检测其钢筋直径、数量、间距等；8）混凝土抗压强度检测：采用钻芯法对选取的构件抽取芯样，检测其混凝土抗压强度；9）混凝土氯离子含量检测：从现场检测构件中取回混凝土样品进行化验及试验，测定受检混凝土氯离子含量。
2主要检测结果
现场调查结果表明，该教学楼构件使用环境等级为一般大气环境，年平均气温约为23.3℃，多年平均相对湿度约为79%。该建筑物部分框架柱构件存在锈胀开裂，主筋存在锈蚀，部分柱构件因锈胀导致保护层脱落；其他框架柱、梁暂未见因钢筋锈蚀导致的裂缝。保护层开裂、主筋锈蚀构件如图1、图2所示。
图1 锈胀开裂 图2 剥开保护层发现钢筋锈蚀
该教学楼框架柱钢筋存在锈蚀情况，锈蚀主筋截面损失率在4.5%~17.4%之间，锈蚀箍筋截面损失率为23.4%~43.8%之间，其他抽检的框架梁、柱、楼板钢筋暂未见明显锈蚀。依据《混凝土结构耐久性评定标准》，对于锈蚀损伤严重、受力钢筋截面损失率超过6%的构件，应进行承载力验算。根据钢筋锈蚀状况检测结果，该教学楼首层柱5×A、三层柱9×A、首层柱9×A应进行承载力验算。
本次抽检的框架柱构件平均保护层厚度为28.0mm~64.3mm，碳化深度平均值为15.8mm~62.6mm；抽检的框架梁构件平均保护层厚度为27.4mm~42.2mm，碳化深度平均值为6.7mm~22.6mm；抽检的楼板构件平均保护层厚度为14.7mm~26.0mm，碳化深度平均值为8.3mm~15.0mm；抽检的6个框架柱的混凝土抗压强度范围为18.0MPa~33.2MPa；抽检的构件混凝土砂浆氯离子含量在0.005%~0.0076%之间。
3钢筋锈蚀原因分析
根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）第3.5.3条，该结构环境等级为一级，最大氯离子含量（系指其占胶凝材料总量的百分比）为Mcr=0.30% 。根据混凝土砂浆氯离子含量检测结果，该结构抽检的构件混凝土砂浆氯离子含量在0.005%~0.076%之间。考虑到工程中强度等级为C20~C40的普通混凝土配合比情况，m 砂/m水泥<2.75；故可换算出该结构抽检的构件混凝土氯离子含量（占胶凝材料总量的百分比）不大于0.285%，未超出规范规定的混凝土材料的最大氯离子含量Mcr=0.30%。根据以上分析，该结构框架柱构件混凝土中氯离子不是导致钢筋锈蚀的原因。保护层厚度及混凝土碳化深度检测结果表明，该结构抽检的部分构件不同的主筋的保护层厚度相差较大；抽检的部分构件角部钢筋两侧保护层厚度相差较大；部分构件同测区内的碳化深度值接近或超过主筋保护层厚度值，且在对应位置存在钢筋锈蚀现象。以上分析表明，该教学楼由于施工质量原因导致部分混凝土构件保护层碳化过快，碱度降低，引起钢筋钝化膜破坏后发生锈蚀。
4结构及构件耐久性评定
根据现场调查检测结果，该教学楼结构所处环境为一般大气环境，结构损伤属于钢筋锈蚀的耐久性损伤，因此进行大气环境下钢筋锈蚀耐久性评定。
依据《混凝土结构耐久性评定标准》（CECS220-2007）第5.1~5.2节，本次对该教学楼结构构件进行大气环境下钢筋锈蚀耐久性评定。
该楼自竣工后至现场检测时间约为17年，下一目标使用年限确定为33年，以保护层锈胀开裂作为耐久性极限状态。混凝土保护层厚度、碳化深度、钢筋直径等根据实际检测情况确定，环境等级及局部环境系数、累计平均温度、湿度按实际情况取值。根据以上参数，部分计算构件结果如下表所示。
表1 构件耐久性评级结果（摘录）
依据《混凝土结构耐久性评定标准》（CECS220-2007）第5.2.9节及附录D，对严重锈蚀构件进行承载力验算。本验算以现场抽检的构件截面尺寸、结构轴网尺寸、混凝土强度和钢筋配置检查结果、钢筋锈蚀情况作为模型建立的主要依据，钢筋及混凝土部分性能指标依据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）及《混凝土结构耐久性评定标准》（CECS220-2007） 附录D进行采用，柱构件轴力、弯矩、剪力效应采用中国建筑科学研究院开发的PKPM2010软件建模计算得出，严重锈蚀构件承载力验算情况详见附件6。
表2 构件信息及混凝土材料取值
注：对保护层锈胀剥落构件裂缝宽度取为3mm；
其中材料的取值主要依据如右公式[1]计算：截面损失率5%<≤12%时，；截面损失率>12%时：。
表3 承载力验算结果
依据《混凝土结构耐久性评定标准》（CECS220-2007）第9节，该结构评定单元构件项评级结果见表4。
表4 构件项耐久性评定结果
5结论及建议
1）该教学楼结构单元耐久性评为c级，该结构下一目标使用年限内不满足耐久性要求。
2）混凝土碳化过快使钢筋钝化膜破坏、发生锈蚀，是导致该教学楼结构构件钢筋锈蚀、混凝土保护层胀裂的主要原因。
3）应对存在开裂、钢筋锈蚀或保护层剥落、耐久性被评为c级的构件进行修复或采取其他提高耐久性的措施，修复过程中应剔除保护层，对受力钢筋进行除锈处理；
参考文献：
[1] 张克波，张建仁，王磊.锈蚀对钢筋强度影响试验研究[J].公路交通科技 第27卷第12期
论文作者:何胜华
论文发表刊物:《防护工程》2018年第7期
论文发表时间:2018/8/8
标签：构件论文; 锈蚀论文; 钢筋论文; 保护层论文; 耐久性论文; 混凝土论文; 结构论文; 《防护工程》2018年第7期论文;