1.5 钢筋的混凝土保护层
1.5.1 钢筋混凝土保护层概念
钢筋的保护层就是指钢筋外边缘与混凝土外表面间的距离。钢筋保护层顾名思义就是保护钢筋，其作用为根据建筑物耐久性要求，在设计年限内防止钢筋产生危及结构安全的锈蚀；其次是保证钢筋与混凝土间有足够的黏结力，保证钢筋与其周围混凝土能够共同工作，并且使钢筋充分发挥计算所需的强度。如果没有钢筋保护层或者钢筋保护层不足，钢筋就会受到水分或者有害气体的侵蚀，会生锈剥落，截面减小，使构件承载能力降低；钢筋生锈以后体积增大，使周围混凝土产生裂缝，裂缝展开之后又促使钢筋进一步锈蚀，形成恶性循环，进一步导致混凝土构件保护层剥落，钢筋截面变小，承载力降低，削弱构件的耐久性。混凝土保护层过小容易导致混凝土对钢筋握裹不好，使钢筋锚固能力降低，影响构件的受力性能。混凝土保护层过大也会降低构件的有效高度与承载力。对有防火要求的建筑物，为保证构件在发生火灾时按照建筑物的防火等级确立的耐火极限时段内构件的保护层对构件不失去作用。
1.5.2 钢筋混凝土保护层原理
钢筋混凝土构件是由钢筋与混凝土组成的复合材料构件。对材料的力学性能而言，钢筋的抗压强度与抗拉强度均很高，有很好的延性，而混凝土只有较高的抗压强度，抗拉强度却相对较低，是非延性材料，为了简化计算，设计时忽略不计，拉应力全部由钢筋来承担。混凝土包裹着钢筋，能够保护钢筋不受侵蚀而生锈变质。钢筋与混凝土的温度膨胀系数大体相同，因此温度变化时，钢筋与混凝土的变形基本一致。混凝土硬化收缩时，由于水泥胶体的黏结力作用，混凝土与钢筋黏结成整体，当构件受力后一起变形而不会分离。钢筋与混凝土的弹性模量比较接近，两者间有较好的化学胶合力、机械咬合力与销栓力，这样既可发挥各自的受力性能，又能很好地协调工作，共同承担结构构件所需承受的外部荷载。而对于受力钢筋混凝土构件截面设计而言，受拉的钢筋离受压区越远，其单位面积的钢筋所能够承受的外部弯矩也越大，这样钢筋发挥的力学效能也就越高。因此一般来讲，钢筋混凝土构件受拉钢筋总是应该尽量靠近受拉一侧混凝土构件的边缘。如果钢筋混凝土构件的钢筋位置放置错误或钢筋的保护层过大，轻则降低钢筋混凝土构件的承载能力，重则会发生重大事故。
混凝土水泥中含有氧化钙而呈碱性，其在钢筋表面形成碱性薄膜而保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到“钝化”保护作用。但是混凝土具有先天性缺陷，混凝土中作为骨料的砂石体积基本稳定，而水泥胶体在凝固硬化的过程中失水与胶体结晶固化，体积缩小而导致收缩。收缩变形在受约束的条件下会引起拉应力，在界面上形成许多裂隙，这些不连续的裂隙在受力或者收缩、温度作用下会互相贯通，形成裂纹并且延伸到结构混凝土的表面。由于混凝土浇捣时产生的离析、泌水现象，同时搅拌、浇筑与振捣时混凝土中还会夹入气体而形成气泡、孔穴，致使混凝土产生裂隙与毛细孔，成为有害介质入侵的通道，使构件外部的水汽通过裂缝与细孔进入混凝土内部，中和混凝土的碱性，导致混凝土的碳化现象。当碳化深度到达钢筋表面，便会消除和破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋的锈蚀成为可能。钢筋锈蚀后体积膨胀将混凝土胀裂，又反过来加速腐蚀速度，造成保护层的剥落，这样会形成恶性循环。混凝土最小保护层可延长碳化到达钢筋表面的时间，满足结构耐久性要求。
当钢筋混凝土构件的受拉钢筋与钢筋混凝土构件边缘间的距离小于最小保护层厚度时容易导致以下后果。
①降低钢筋与混凝土间的黏结力。
②钢筋混凝土构件中钢筋的主要成分铁在常温下容易被氧化，特别是在高温或者潮湿的环境中。
③造成钢筋露筋或者钢筋混凝土构件受力时表面混凝土剥落。
④随着时间的推移，钢筋混凝土构件表面的混凝土会逐渐碳化，在钢筋混凝土构件工作寿命内保护层混凝土失去了保护作用，从而造成钢筋锈蚀、有效截面减小、力学效能降低、钢筋与混凝土间失去黏结力。这样构件整体性会受到破坏，甚至还会造成整个钢筋混凝土构件的破坏。
1.5.3 钢筋混凝土保护层作用
钢筋混凝土构件中的受力钢筋外边缘至构件的表面有一定厚度，称为混凝土保护层。它能保证钢筋和混凝土之间有良好的黏结性，防止钢筋的锈蚀氧化。
构件中普通钢筋及预应力筋的混凝土保护层厚度应满足下列要求。
①构件中受力钢筋的保护层厚度不应小于钢筋的公称直径d。
②设计使用年限为50年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度应符合表1-1的规定。设计使用年限为100年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度不应小于表1-1中数值的1.4倍。
表1-1 混凝土保护层的最小厚度c
注：1.表中混凝土保护层厚度指最外层钢筋外边缘至混凝土表面的距离，适用于设计使用年限为50年的混凝土结构。
2.构件中受力钢筋的保护层厚度不应小于钢筋的公称直径。
3.一类环境中，设计使用年限为100年的结构最外层钢筋的保护层厚度不应小于表中数值的1.4倍；二、三类环境中，设计使用年限为100年的结构应采取专门的有效措施。
4.混凝主强度等级不大于C25时，表中保护层厚度数值应增加5。
5.基础底面钢筋的保护层厚度，有混凝土垫层时应从垫层顶面算起，且不应小于40。
混凝土结构的环境类别见表1-2。
表1-2 混凝土结构的环境类别
注：1.室内潮湿环境是指构件表面经常处于结露或湿润状态的环境。
2.严寒和寒冷地区的划分应符合现行国家标准《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016）的有关规定。
3.海岸环境和海风环境宜根据当地情况，考虑主导风向及结构所处迎风、被风部位等因素的影响，由调查研究和工程经验确定。
4.受除冰盐影响环境是指受到除冰盐盐雾影响的环境；受除冰盐作用环境是指被除冰盐溶液溅射的环境以及使用除冰盐地区的洗车房、停车楼等建筑。
5.暴露的环境是指混凝土结构表面所处的环境。
1.5.4 钢筋混凝土保护层控制措施
在施工过程中，对于不同构件，不同生产工艺流程，应该采取不同的控制措施来确保混凝土保护层达到一定厚度，保证混凝土构件的施工质量。
一般采用混凝土垫块控制普通钢筋混凝土结构的混凝土保护层厚度，使用时，直接把预先按设计要求制作好的垫块放在主筋与模板之间，并且加以固定。对于悬挑构造，可以用ф8～12mm的钢筋制作成支架或者马凳，以保证上部受力主筋或者双层钢筋板内两层钢筋网片的位置正确及有适当的保护层厚度。