保护层研究背景

国内外学者多年来对钢管混凝土力学性能和设计方法开展了深入细致的研究工作，已取得丰硕成果。国外有关钢管混凝土的设计规范，这些规范中大都同时包括了圆钢管混凝土和方钢管混凝土构件设计方面的条文。自五、六 十年代以来，我国的研究者也进行了钢管混凝土力学性能和设计方法方面的研究工作，特别是近十几年来取得了令人瞩目的成就，已先后由国家建材总局、中国工程建设标准化协会、国家经济贸易委员会和中国人民解放军总后勤部颁布发行了有关设计规程。

方钢管对其核心混凝土的约束效果不如圆钢管显著，但仍有良好的效果，尤其可以有效地提高构件的延性。另外，与梁的连接节点处理也较容易，因此，在实际工程中具有很好的应用前景。方钢管混土已在欧美、日本、加拿大和澳大利亚等国得到广泛应用。近年来在我国的工程实践也已开始起步。

我国主要采用，在钢管中填充素混凝土的钢管混凝土。由于进行钢管混凝土柱耐火极限试验研究时费用昂贵，我国以往在这方面的研究工作相对较少，尚未制定该类结构抗火设计方面的规定，不但制约了该类结构的推广，而且对于已建成结构的耐火极限也缺乏必要的科学依据。在已建成的结构中，有的按照钢筋混凝土的要求外包以混凝土，有的则按钢结构的要求涂以防火涂料。这样做虽也可能保证防火要求和结构的安全性，但大都偏于保守而造成浪费，且缺乏科学性和统一性。因此，深人研究钢管混凝土柱的耐火性能，合理确定其防火设计方法具有十分迫切的理论意义和实用价值。

保护层研究进展

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。钢筋混凝土保护层具有以下几个作用和影响：

1、维护结构耐久性混凝土中保护层太薄容易渗入潮湿气体和水，过厚则易产生裂缝，这些都可能使钢筋锈蚀并膨胀，从而使混凝土遭受破坏，影响使用和结构安全。

2、承受外力作用保护层对钢筋有锚固力，利用混凝土与钢筋间的锚固力，两者紧密结合，共同参与工作。保护层过薄或缺失时，减低了它的锚固力从而降低了结构抵抗轴力和弯矩的作用。

3、从正截面受弯承载力计算公式可以看出，当面筋保护层过厚导致截面有效高度h₀减小时，将降低截面受弯承载力。可见保护层厚度是影响结构承载力多么重要的因素。

4、防火保护层混凝土具有一定的隔热作用，遇到火灾时能对较易软化的钢筋进行保护，如果保护层厚度过薄，在高温环境下容易开裂，致使钢筋因过热而降低强度从而破坏整体结构。

因此，在当前的质量验收工作中保护层厚度的控制越来越受到重视，新规范规定在验收过程中要进行实体检测。

路面保护层是指在磨耗层上用砂土材料铺成厚度不超过1cm的薄结构层，其作用是保证路面的平整度。

煤矿保护层：在开采煤层群时，有的煤层突出（煤与瓦斯突出）危险性大，有的煤层突出危险性小，甚至没有突出危险性。在开采有突出危险的矿井，必须采取相应的防突措施。在突出矿井中，预先开采的并能使与其相邻的有突出危险的煤层受到采动影响而减小或消除突出危险的煤层叫保护层，后开采的煤层称被保护层。保护层位于被保护层上方为上保护层，相反为下保护层。

植物器官如叶、枝、花和果等脱落后，在离区中有几层起保护作用的细胞，称为保护层。这些细胞往往栓质化，以防止外来病菌的侵入和水分的丧失。

保护层研究背景

随着煤矿开采规模的不断扩大以及开采深度的增加，煤矿瓦斯的特殊涌出成为制约矿井高产高效的主要因素。尤其在开采低透气性高瓦斯有突出危险煤层时，煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的自然灾害之一，如何安全、经济、有效地防治煤与瓦斯突出，前人为此进行了大量的研究，提出了许多有效的防治措施，对减少和预防煤与瓦斯突出做出了卓有成效的贡献。其中保护层开采技术是已被大量实践证明并用法规形式确立的防治煤矿突出危险的行之有效的方法，在国内外被广泛应用。保护层开采能使突出危险煤层的应力- 形变状态和瓦斯动力状态发生改变，使被保护层卸压，释放煤层的弹性潜能，增大煤层的透气性，有利于被保护层的瓦斯流动、解吸，从而减少煤层含量，以降低煤层瓦斯内能，达到预防煤与瓦斯突出的目的。在研究保护层开采过程中，被保护层变形特性对现场保护层开采方案的有效实施具有重要的理论和实际意义。

保护层数值模拟本构关系

岩石应力- 应变曲线的非线性是由于其受力后的不断损伤引起微裂纹萌生和扩展而造成的，而不是由于其塑性变形，因此，用弹性损伤力学的本构关系来描述岩石的细观力学性质是合适的。从岩石的微观结构上讲，一方面因为大量节理、 裂隙的存在，岩石不是连续介质；另一方面由于岩石仍属于结晶材料，故岩石也不是离散介质，这就说明了岩石从构造本质上讲是一种非线性材料。岩石的非线性本质还显示为岩石的变形、演化以及其中裂隙和孔隙空间分布的复杂性和高度无序性等方面。

在岩石破坏初始状态，细观单元是弹性的，其力学性质可以完全由弹性模量和泊松比来表达，随着单元应力的增加，当单元的应力状态或者应变状态满足给定的损伤阈值时，单元开始损伤。在不同的应力组合条件下，岩石的破坏表现出剪切和拉伸2种形式。通常，可以利用库仑准则判别压缩破坏，利用最大拉应力准则判别拉伸破坏。

保护层研究结果

(1)保护层开采对被保护层产生较大影响，随着保护层开采，上覆岩层不断垮落，被保护层的最大主应力大大降低，被保护层在一定范围内发生膨胀变形，但随着保护层推进距离的不断增加，被保护层的最大主应力有所恢复，煤层的膨胀变形逐渐减小，达到一定值后趋于稳定，该区域煤体裂隙发育，煤层透气性大大增加，有利于瓦斯运移和煤层瓦斯卸压抽放。

(2)随着保护层工作面推进距离的增大，被保护层卸压区煤层水平变形出现两个区域，切眼前方一定距离煤层的水平移动方向与回采方向一致；工作面后方一定距离煤层的水平移动方向与回采方向相反，这样被保护层卸压区煤层受到水平拉抻和挤压作用，使该区域煤体机械破坏增加，有利于被保护层次生裂隙的发育，进一步增加煤层的透气性。

(3)在保护层开采过程中相对层间距对被保护层卸压变形产生较大影响，相对层间距愈大，保护层开采对被保护层的影响愈小，膨胀变形的滞后时间增加，不利于被保护煤层离层裂隙和破断裂隙的产生，为了保证保护层开采效果，应增大开采超前距。因此，在矿井生产的实际过程中，在被保护层中进行卸压抽放时，应考虑保护层开采过程中，被保护层透气性的时空演化分布规律。 2100433B

根据2010年新的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）保护层厚度不再是纵向钢筋（非箍筋）外缘至混凝土表面的最小距离，而是“以最外层钢筋（包括箍筋、构造筋、分布筋等）的外缘计算混凝土的保护层厚度”。

保护层最小厚度的规定是为了使混凝土结构构件满足的耐久性要求和对受力钢筋有效锚固的要求。

混凝土保护层厚度大，构件的受力钢筋粘结锚固性能、耐久性和防火性能越好。但是，过大的保护层厚度会使构件受力后产生的裂缝宽度过大，就会影响其使用性能（如破坏构件表面的装修层、过大的裂缝宽度会使人恐慌不安），而且由于设计中是不考虑混凝土的抗拉作用的，过大的保护层厚度还必然会造成经济上的浪费。因此，2010年《混凝土结构设计规范》8.2.1条，规定纵向受力的普通钢筋及预应力钢筋，其混凝土保护层厚度(钢筋外边缘至混凝土表面的距离)不应小于钢筋的公称直径d，且应符合下表的规定。一般设计中是采用最小值的。

混凝土保护层最小厚度(mm)

注：1.混凝土强度等级不大于C25时，表中保护层数值增加5mm.

2.钢筋混凝土基础宜设置混凝土垫层，基础中钢筋的混凝土保护层厚度应从垫层顶面算起，且不应小于40mm.

3.板在混凝土等级强度大于C25时，保护层厚度不小于20mm，且不应小于钢筋的公称直径d。

（1）块料面层保护层。块料面层分地面砖和混凝土预制板保护层，可采用水泥砂浆铺贴。铺砌必须平整，并满足排水要求，块料应先浸水湿润并阴干。摆铺后应立即挤压密实、平整，使之结合牢固。块料之间应做勾缝处理。

（2）水泥砂浆保护层。水泥砂浆保护层与防水层之间应设置隔离层。保护层用的水泥砂浆配合比一般为1：（2.5~3）（体积比）。保护层施工前，应根据结构情况用木模设置纵横分格缝。铺设水泥砂浆时应随铺随拍实，并用刮尺刮平。排水坡度应符合设计要求。立面水泥砂浆保护层施工时，为使砂浆与防水层粘结牢固，可事先在防水层表面进行处理(如粘麻丝、金属网等），然后再做保护层。

（3）细石混凝土保护层。施工前应在防水层上铺设隔离层，并按设计要求支设好分格缝木模。设计无要求时，每格面积不大于36m2，分格缝宽度为20mm.一个分格内的混凝土应连续浇筑，不留施工缝。振捣宜采用铁辊滚压或人工拍实，以免防水层被破坏。拍实后随即用刮尺按排水坡度刮平，初凝前用木抹子提浆抹平，初凝后及时取出分格缝木模，终凝前用铁抹子压光。细石混凝土保护层浇筑后应及时进行养护，养护时间不应少于7d.养护期满即将分格缝清理干净，待干燥后嵌填密封材料。

保护层厚度正常环境

板、墙保护层15mm，梁、柱保护层20mm。

保护层厚度高湿度

1、砼强度小于等于C20时，板、墙保护层35mm，梁、柱保护层45mm

2、砼强度C25或C30时，板、墙保护层25mm，梁、柱保护层35mm

3、砼强度大于等于C35时，板、墙保护层15mm，梁、柱保护层25mm

基础按有无垫层区分：有垫层时40mm，无垫层时70mm

保护层具体还要按设计图纸定，图纸设计保护层厚度有可能有小幅调整。2100433B