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钢筋混凝土保护层的功能及其施工要点

作者:原创论文网 时间:2018-10-15 22:38 加入收藏

  摘要:钢筋的主要成份是铁, 铁在常温下很容易氧化。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, 用不了多久, 钢筋外混凝土就失去保护作用, 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破坏。本文阐述了保护层在钢筋混凝土结构中的作用及质量控制方法。

  关键词:钢筋; 混凝土; 保护层; 建筑工程; 质量控制; 钢筋混凝土垫块;

  1、钢筋混凝土保护层的作用

  随着各种建筑物的不断兴起, 钢筋混凝土已成为最关键的施工组成构建, 下至工厂民房上至百层高楼。没有钢筋混凝土的支撑将很难实现最终建筑的形成, 但是在实际工程操作中钢筋水泥具体有何种作用, 以及钢筋混凝土的保护层的具体作用。都是现在工程建筑所需要考虑到的实质性问题, 为了使各行建筑物在后期有着更好的使用现状及受力能力, 将从实际施工中遇到的问题展开进一步探讨。

  混凝土与钢筋通过一定的比例结合在一起组成了钢筋混凝土, 就力学角度而言, 钢筋具有很强的抗压及抗拉能力, 且在工程应用期间具有较好的弹性。混凝土在期间是很难达到抗拉值的, 但抗压强度却很好, 属于脆性材料。之所示能结合在一起使用与各大建筑之中, 主要是因为性能差异不过明显, 原因在于:

  (1) 材料在成型时需要一定的比例结合后, 粘结作用才比较强大, 其原因主要在于: (1) 混凝土配制期间会发生一定的改变, 尤其是在成型期间由于混凝土会硬质化改变原有的体积, 在于钢筋接触时会产生一定的摩擦力; (2) 钢筋表面本生凹凸不平在于混凝土结合时会产生50%的机械咬合力; (3) 混凝土在于钢筋接触时会产生很强的胶结力。

  (2) 实际应用中, 温度线膨胀系数指标的显示, 钢筋为1.2×10-5, 混凝土为1.0×10-5~1.5×10-5一定程度的说明材料的温度膨胀系数基本无差异, 因此在石英石及时温度发生改变, 使用过程中变形指数基本相同, 不会因为变形指数不同而破坏不同材料间的结构整体。

  (3) 两者在结合期间由于使用弹性具有一定的相似度, 为后期的工程使用打下了好的基础, 尤其是在协同承担外部载荷时具有很好的协调性。

  (4) 使用期间, 因为混凝土完全裹住了钢筋, 避免了钢筋长期暴露在外受到物质而影响使用质量。

  所以, 在计算两者结构时, 是两者结合后的承受外界压力的结构整体, 又由于混凝土的抗拉强度很低, 混凝土的抗拉强度只有其抗压强度的1/10~1/20, 所以计算期间标准的采纳只在于抗压应力在混凝土间的作用。

  2、保护层厚度在钢筋混凝土中的确定

  2.1、保护层规定在混凝土结构中的应用

  混凝土保护层厚度的定于为:钢筋外边缘至混凝土表面的距离。该厚度在使用过程中主要有三个作用: (1) 将钢筋全面保护起来, 不会受到外界腐蚀, 从而保证其具有更长久的实用性; (2) 使材料间具有更好的粘结性能; (3) 在火灾等情况下, 避免钢筋过早软化。

  较强的粘结性能是钢筋与混凝土结合的最大优点之一。在进行外力承受计算时, 主要是将两者结合后的受力能力看做一个整体来计算, 但是实际受力期间混凝土自身的抗拉强度达不到一定的使用要求, 所以在计算期间将所有抗拉应力承受力度重点放置在钢筋直上, 只计算混凝土的受压应力承受能力。为了钢筋所能承受的外部弯矩最大化, 使钢筋发挥最大的效率, 在设置受力构件截面时, 将钢筋与受压区域的距离设计的距离较远些。所以在进行梁或是板受拉设计时, 应与混凝土构件的边缘尽量靠近。降低工程使用期间的危险系数。

  但实际操作中并不是所有的受拉钢筋需要靠边, 铁是构成钢筋的最主要元素, 常温下的铁与空气接触后很容易发生氧化, 若是放在潮湿或高温的情况下, 氧化程度可想而知。混凝土包裹钢筋等于有了一层保护膜, 提高了使用安全系数, 但两者结合时混凝土厚度过薄时, 也就拉近了钢筋与受拉区靠的过近, 从而造成不同危害, 如:

  (1) 潮湿或高温的情况下加快钢筋氧化。

  (2) 过薄的保护膜在建筑使用期间易“跑模”混凝土受到剥落, 影响使用性能。

  (3) 钢筋混凝土在长时间的使用下, 长期暴露在外的材料出现碳化失去了保护性能, 钢筋在长时间的外界接触下发生氧化, 强度及有效界面受到损害, 两者间缺少粘结力, 造成整体结构的使用出现了损坏。

表1 混凝土保护层最小厚度 (mm)
表1 混凝土保护层最小厚度 (mm)

  2.2、轻骨料混凝土结构的保护层规定

表2 混凝土保护层最小厚度 (mm)
表2 混凝土保护层最小厚度 (mm)

  注: (1) 工厂预制构件在室内正常环境下所生产时, 等级不低于CL20的轻骨料混凝土, 按照表中规定, 保护层厚度需减少5mm, 但是在预制构件的应力保护厚度不能低于15mm, 预制构件在高湿度室内或露天环境下, 内部物件保护措施的采取, 则按照表内室内环境构建的保护层厚度数值实施保护;

  (2) 预制钢筋轻骨料混凝土在受弯构件的情况下, 想使其耐久力更好, 结合预制肋新板的保护层厚度按梁考虑, 将钢筋端头的保护层厚度确定在15mm左右;

  (3) 建筑在湿度较高的室内或露天环境下们必须保证轻骨料混凝土强度等级不低于CL25, 如果承重构建没有过多时效性, 则将表中强度等级CL20的数值应用与轻骨料混凝土中, 其保护层厚度则采用CL25的规定值;

  (4) 在建筑期间部分重要建筑物及沿海建筑物被要求延长使用期限及较强的承重能力, 为了使其更好的适应不同的环境, 则需在厚度上进行增加, 保证保护层厚度不会因此受到损害。

  2.3、保护层规定在建筑桩基混凝土中的使用

  桩身混凝在工程建筑的使用中着重需注意以下几点要求:

  (1) 混凝土强度等级, 不得低于C15, 水下灌注混凝土时不得低于C20, 混凝土预制桩尖不得低于C30;

  (2) 主筋的混凝土保护层厚度, 不应小于35mm, 水下灌注混凝土, 不得小于50mm。

  综上所述, 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, 尤其是客厅楼板。

  例如:某单位建设的跨度达5.7m的楼板, 厚度为15cm, 设计是双层双向钢筋网。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很大的经济损失。

  据有关资料统计, 目前住宅楼开裂原因70%左右是由钢筋保护层位置不正确引起的。

  3、钢筋混凝土保护层的施工质量控制

  那么, 钢筋保护层又该如何控制呢?重点应从两方面着手: (1) 抓施工前技术交底; (2) 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, 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。往往钢筋绑扎时位置很正确, 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型, 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。钢筋混凝土保护层应根据不同部位, 分别采用不同的控制措施:

  3.1、保护层控制措施在楼板间的应用

  楼面混凝土板中, 为了防止混凝土板面发生温差裂缝及面板收缩程度, 从而抵抗弯矩, 钢筋起主要的抗拉受力作用。但是该作用的发挥建立在不同材料保护层的合理应用的前提下。楼板底筋的保护层在工程使用中控制起来比较容易。但是随着距离的增加, 若是保护层与楼板底筋的距离增加到1m以上时, 想要得到科学合理的保障显得有些困难。因此, 距离需控制在1m以内才能达到好的施工效果。

  钢筋保护层在楼板面上使用时, 其保护厚度在施工期间较难控制, 其原因主要在于设计值的偏差。

  (1) 施工期间, 由于工种繁多, 操作人员互动频繁, 造成施工时出现踩踏频率较高;

  (2) 在靠近楼面时, 部分钢筋搁置在拐角支撑时属于最主要的支撑点, 若是设置的间距较大或没有设立间距, 也会造成厚度难以控制的原因之一。

  想要杜绝第一种原因带来的偏差, 可根据实际情况有针对性的采取预防措施, 如:

  (1) 同一地段, 工种较多时, 减少操作工间出现频繁互动现象可采用错时差工作。同时在作业完成后对底板钢筋进行合理绑扎, 做好收尾工作。

  (2) 减少操作工间出现频繁互动现象, 在固定的地段设置一处简易通道, 减少踩踏出现的不良现象。

  (3) 加强工作者责任意识, 尤其是保护板的防治位置, 如果避免不了必要的踩踏, 必须注意不能过多的踩踏中间架空部位的钢筋。

  (4) 为了保证浇筑之力及对不良现状进行及时整修, 需安排三人以上的钢筋工。

  (5) 想要避免过多的踩踏使钢筋受到不同程度的变形, 为了分散应力, 减少面积间的接触, 需在容易发生变形及弯曲的钢筋部位铺设临时性活动挑板。

  对于第二个问题, 则可采用以下预防措施, 如将卡槽式混凝土垫块应用到楼面双向钢筋中来, 需要注意的是采用期间纵横间的距离必须控制在700mm之内, 而且保证每个平方不能少于两个卡槽式混凝土垫块。尤其是针对直径在8mm以内的细小钢筋, 而在实际操作期间, 卡槽式混凝土的距离也需进行控制, 保证其不超过600mm以外。

  3.2、墙柱保护层控制措施

  在进行墙柱保护层控制时, 主要采取以下措施:

  (1) 将墙柱保护层纵横向间距控制在1m左右。

  (2) 保证加工期间墙、柱拉钩尺寸的准确性。

  (3) 保证墙、柱水平筋或箍筋加工尺寸的正确性。

  (4) 施工期间将新的材料及施工工艺应用到现期施工中来。

  (5) 施工期间必须保证墙柱保护层不受到破坏。

  3.3、采用混凝土钢筋垫块

  钢筋的混凝土保护层厚度关系到结构的承载力、耐久性、防火等性能, 常用混凝土钢筋垫块有以下几种:

  (1) 砂浆垫块。实际施工期间为了确保钢筋与混凝土的完美结合及混凝土对钢筋的保护作用, 主要在梁板底筋和柱筋使用砂浆垫块, 板面筋下安放Q型钢筋支架, 属于传统工艺。随着施工要求的不断增加, 传统工艺存在很多弊端, 最常见有底筋砂浆垫块容易破损、位移, 混凝土所形成的保护层受到损伤后钢筋容易暴露在外面。而施工期间由于施工人员长期的踩踏, 对保护层也造成了一定的损害, 导致梁板质量不过关或是未达到使用要求。

  传统的工艺中, 钢筋支架及砂浆垫块都是由人为手工完成, 成品会出现不统一的现状, 如薄厚、高低不统一等;还有就是制作期间由于时间、工艺配制及场地限制等问题也造成了一定的质量不过关, 使其投入到后期使用时受力不达标。或是因为在后期绑扎不到位容易在振捣或封模板期间质量受到影响。在发达国家, 普通不规则砂浆垫块已明令禁止使用。

  (2) 塑料垫块。大量的投入使用证明, 与传统垫块相比, 塑料垫块具有以下优点:

  (1) 相比传统钢筋支架及砂浆垫块, 不需要进行绑扎, 直接使用卡、套等方式进行固定, 使用方便, 提高了工作效率。安装方便快捷, 减少劳动用工, 缩短施工周期, 降低施工成本, 提高经济效益。

  (2) 通过卡口与钢筋连接塑料垫块, 具有很强的稳定性, 不会出现位移或是脱落现象。塑料垫块以点状支撑钢筋与模板的距离, 因而确保了混凝土钢筋保护层的绝对一致, 提高了混凝土构件的内部质量, 同时表面美观整洁, 不留任何痕迹。

  (3) 塑料垫块在生产期间规格统一, 且在使用期间自身高度对于保护层的厚度起到了加固作用, 减少了因为混凝土开裂造成钢筋暴露在外, 以及钢筋失去保护层后出现歪曲、位移等现象, 提高了工程的整体施工质量。

  (4) 高分子是塑料垫块最常用的聚合技术, 而且实际生产中纳米改性技术也被部分厂家采取应用:因为自身优势使其在使用过程中工作性能极好, 而且所涉及到的力学性能一般都高于4MPa, 施工期间与各个材料间的配合具有很好的兼容性, 并且不会出现锻炼或超载荷现象。

  (5) 在向厂家订制需要的货物时, 不需要经过专门的加工及定做, 制作工艺得到了充分的完善, 节约了一定的人力、物力、财力的投入, 而且成本低。按照板、梁、柱综合计算, 其每平方建筑面积的费用仅为几毛钱。

  (6) 具有很好的通用性、标准型及定型性是该垫块做大的优势特点, 生产期间按照国家标准尺寸进行成品制作, 属于标准件。在模具统一的情况下该垫块的模型、尺寸及使用性能都具有完整的统一性。降低了因为人工操作而带来的危害。

  塑料垫块的使用已被纳入商业化, 不同于传统技术的是该垫块在使用期间不仅在于使用简便、保护性能良好, 而且在建筑层前期设计中具有较好的兼容性, 目前在我国各个发展共城市也被慢慢接纳得到了广泛的推广和普及。

  (3) 钢筋混凝土垫块。长方体垫块和模板接触面积大, 混凝土浇筑时, 混凝土浆液很难将其全部包裹, 露于混凝土构件外表, 使其犹如“补丁”一般, 损伤了构件的外观质量。此外, 有些构件不宜使用长方体垫块, 如钻孔灌注桩钢筋骨架较重, 在工地运输、就位过程中会发生碰撞、磨擦, 使其垫块破碎或丢失, 最终所剩无几, 幸存的垫块或绝大部分处于松动状态, 或被挤入井壁泥土之中, 实际上难以发挥撑托作用。

  (1) 环型垫块

  水泥混凝土环转动垫块 (简称环行垫块) , 是为预防钻孔灌注桩露筋而研制的一种新型垫块, 它最大的特点是能够转动。使用时将环型垫块安装在钻孔桩钢筋笼加劲筋 (为防止钢筋笼成型安装时刚度不够, 一般每隔4m设一道直径为20mm左右的箍筋, 俗称加劲筋) 上, 由于环型垫块具有转动功能, 钢筋笼在运输、就位过程中硬性碰击现象减少、滑动磨檫变成了滚动磨察, 因此, 环型垫块既能撑托钢筋笼与井壁保持一定距离, 保证钢筋保护层厚度, 又可通过转动使钢筋笼顺利就位而不插划碰伤井壁。

  环型垫块是一个空心圆柱体, 截面半径与灌注桩钢筋保护层等同, 一般不小于5cm, 柱高据灌注桩桩径定, 一般不小于环行转动垫块截面的半径, 也不大于其直径。

  环型垫块的内孔直径, 根据加劲筋的直径和桩径大小而定, 一般比加劲筋直径大6~10mm为宜。

  环型垫块混凝土强度要求高于钻孔桩混凝土标号的5~15%, 具体视钻孔桩混凝土强度等级而定, 低则取上限, 高则取下限。以保证有足够的强度, 不至于被碰撞损坏。

  预制环型垫块时, 拆模后应将其表面刻痕、强行划毛或将其制作模板粗糙化, 以利于与灌注混凝土牢固结合。

  制作加劲筋时应将其环型垫块串上, 每根加劲筋一般用4~5个, 待其焊接或绑扎钻孔桩纵向受力筋时, 将其环型垫块置于两纵向受力筋 (主筋) 之间即可。相临加劲筋上的环型垫块其平面投影位置要相互错开。

  (2) 弓型垫块

  弓型垫块是新研制的另一种新型垫块, 其特性是改长方体垫块之面接触为线接触。其断面为弓型, 矢高与混凝土构件箍筋净保护层厚度相等。弓长约为3~5cm (一般根据钢筋粗细而定, 钢筋较细者选用3cm, 钢筋较粗者选用5cm) , 垫块宽与弓长相等, 垫块所用水泥砂浆强度等级以等于或不低于构件混凝土强度等级为宜。

  钢筋绑扎、焊接成型过程中可先用木块托垫, 待钢筋骨架初具规模后再用弓型垫块换下木块, 以防垫块在集中力作用下碎裂。使用弓型垫块时, 应将弧线面贴靠模板、平面贴靠钢筋。以减少垫块与模板的接触面积, 同时弓型垫块弧线在模板上的垂直投影应平行于所支垫的主筋轴线, 以利支撑稳定。

  弓型垫块常用的制作方法有三种。当垫块主要用于构件底部时, 垫块可不预埋绑丝, 若用量较少, 可选用“木模具法”;若用量较大, 可选用“滑模器法”;当垫块用于构件侧面时, 需要于垫块中预埋绑丝, 此时应选用“钢模法”。

  弓型垫块既避免了长方体垫块造成的构件表面“补丁”现象, 又避免了“垫石子法”厚度不一, 钢筋骨架受力不均, 使其局部变形, 钢筋保护层超标和石子表面粗糙, 其棱角易损伤隔离剂或刺破隔膜, 导致板梁与底模局部粘联, 损伤其表观质量。

  (3) 鼎式垫块

  鼎式垫块比长方体垫块多四只足 (其足位于底面四角) , 如鼎一般, 增大了垫块底部的空间, 它将长方体垫块的面接触变成了点接触, 在振捣器械的振动下, 浇筑的混凝土混合料浆液会很容易的将垫块包裹, 克服了钢筋混凝土构件因垫块不良产生“补丁”现象的弊病。

  鼎式垫块的强度等级应等同于或高于混凝土构件的强度等级即可, 一般没有严格要求。由于鼎式垫块是靠四足和底模接触, 接触面积太小其足易碎、太大避免出现“补丁”现象的意图就会落空。解决这个问题可通过调整垫块强度等级、鼎足端面大小、使用数量来解决。鼎足采用“圆锥体状”或“半球状”均可。足高5~10mm即可, 特殊部位、特殊条件可采用特殊尺寸, 该垫块的平面尺寸较长方体垫块大一些, 一般为3cm×5cm。

  鼎式垫块可用于构件底面, 也可用于构件侧面。但用于构件底面时, 应先垫木块, 待钢筋骨架成型或钢筋骨架主体成型后, 方可用鼎式垫块替代。鼎式垫块的使用数量, 应根据支托的钢筋骨架的重量计算确定, 以垫块不被压碎为宜。当用于构件侧面时, 可靠绑丝直接捆扎牢固即可, 其使用数量应以钢筋骨架在浇筑混凝土混合料的压力下不会产生大的变形影响钢筋保护层厚度为宜。

  鼎式垫块的制作与长方体垫块没有太大的区别 (均为网格式模具法) , 只是底模不同, 一般采用厚塑料板底模、木侧模。底模选用厚度为5~10mm的塑料板, 用电钻 (钻头直径为准5~准10) 在每个3cm×5cm的网格四角, 各打一个深度为5~10mm的孔, 而后浇注砂浆, 启动振动台振动, 压光, 插入绑丝, 待砂浆达到一定强度, 脱模、养生, 即可得到一组鼎式垫块。

  鼎式垫块的优点是使用稳定性好, 制造模具和生产工艺简单, 可批量生产, 其几何尺寸随构件钢筋骨架重量不同可大可小, 随钢筋净保护层大小不同, 足高可适当调整, 故适用范围广。垫块固定位置准确, 支垫钢筋时可用于构件底面、侧面。由于预制时可插入绑丝, 其适应性强。鼎式垫块的不足是体积大, 占用的平面位置大, 由于靠四足鼎立, 所需自身强度、刚度均高于其它构件, 故所用材料性能要求较高。

  环型垫块、弓型垫块和鼎式垫块都具有独特的优点, 在保证构件内在质量和表观质量方面的特殊功能, 是传统的长方体垫块无法比拟的, 但这些新式垫块也各自存在局限性和不足之处, 这就需要广大工程技术人员, 在实践中继续探索、改进、提高, 研制新型垫块, 以满足目前建材领域主流之一———钢筋混凝土内在质量和表观质量的需要。

  虽然在整个施工期间, 保护层并不是重要组成部分, 但是不加以重视的依旧会存在浅在性的危害性因素。因此在整个施工过程中必须结合现有不足之处及实际施工策略, 对保护层的厚度及防护加以重视, 使其更好的贡献与我国各大建筑。同时使我国建筑技术更具完整化及可行化。

  参考文献
  [1]《混凝土结构设计规范》 (GB50010-200) .
  [2]《建筑桩基技术规范》 (JGJ94-94) .
  [3]《建筑基坑支护技术规程》 (JGJ120-99) .
  [4]《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3-2002) .
  [5]《轻骨料混凝土结构设计规程》 (JGJ12-99) .
  [6]胡兴福.建筑力学与结构 (第1版) .武汉理工大学出版社, 2016, 7.

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