鋼筋混凝土用碳素鋼-纖維增強復合材料復合鋼筋

1概述

鋼筋作為主要的建筑用鋼材，一直占據(jù)我國鋼材生產(chǎn)的較大比重。隨著社會進步，人們對建筑物的安全性能和使用壽命等提出越來越高的要求。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物破壞的主要原因是鋼筋的銹蝕、混凝土保護層的碳化和氯離子侵入。美國每年由于氯鹽腐蝕所造成的經(jīng)濟損失可占到GDP的4%，與鋼筋腐蝕相關的腐蝕損失占總腐蝕損失的40%-50%。2016年紐約州安排的橋梁涵洞維護費用高達2億美元。在我國，許多海港、碼頭的混凝土結(jié)構(gòu)同樣發(fā)生過腐蝕的情況。例如1956年建成的湛江碼頭，1963年明顯腐蝕破壞并開始修復，1979年檢查鋼筋脹裂21%，1988年檢查鋼筋脹裂91%并于當年拆除。1981年建成的北侖港碼頭、引橋，1987年開始修復鋼筋脹裂69%-100%。

為適應混凝土結(jié)構(gòu)提高建筑物長壽命的要求，我國已經(jīng)在結(jié)合美國、歐洲等國家和地區(qū)先進標準、以及我國鋼筋產(chǎn)品研究和應用的基礎上制定了環(huán)氧樹脂涂層鋼筋、耐腐蝕鋼筋、鋅鋁合金鍍層鋼筋、不銹鋼鋼筋等具有耐蝕耐候性能的鋼筋產(chǎn)品標準。

以美國為代表的發(fā)達國家，一直非常重視具有耐蝕、耐候鋼筋產(chǎn)品的發(fā)展和應用。表1示出了美國鋼筋的發(fā)展過程，即從普碳鋼到涂層保護，再到不銹鋼、合金鋼和覆層鋼筋。

眾所周知，不銹鋼具有良好的力學性能和抗銹蝕性。如304不銹鋼耐海水腐蝕能力約為普通碳鋼的1000倍左右。在海水腐蝕環(huán)境下，304不銹鋼鋼筋混凝土壽命約為普通鋼筋混凝土的10倍左右，但其生產(chǎn)成本過高，價格昂貴，約為普通碳素鋼筋的6-10倍。受不銹鋼主要合金Cr、Ni等元素資源限制，加之價格昂貴，在一定程度上制約了不銹鋼鋼筋的廣泛使用。而采用普通鋼筋為基材、覆蓋層為不銹鋼的復合鋼筋，既能降低成本又能保證材料的耐蝕性能。研究表明，碳素鋼-不銹鋼復合鋼筋的允許銹蝕界限比普通碳素鋼筋的界限值大24倍。采用碳素鋼做基材、304或316等不銹鋼做覆層通過熱軋而成的復合鋼筋，兩種金屬之間可達到冶金結(jié)合狀態(tài)，能滿足在使用過程中不銹鋼與碳鋼不分離。同時，不銹鋼的重量占總重量的10%-20%，造價僅為實心不銹鋼筋的25%左右，既能充分發(fā)揮不銹鋼的防腐性能，又降低了采用全不銹鋼的成本，同時還在很大程度上延長了建筑的壽命。

2013年發(fā)布的《國務院關于化解產(chǎn)能嚴重過剩矛盾的指導意見》中明確提出“實施綠色建材工程，制修訂相關標準規(guī)范，提高建筑用鋼使用標準，帶動產(chǎn)品升級換代”。2014年印發(fā)的《關于印發(fā)關鍵材料升級換代工程實施方案的通知》提出，到2016年推動新一代海洋工程等產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需的海水拌養(yǎng)混凝土等重點新材料實現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)和規(guī)模應用。海島建設中，海拌海養(yǎng)鋼筋混凝土工程面臨的一個問題就是鋼筋的耐腐蝕性能。中國制造2025中也提出了“強化產(chǎn)品全生命周期綠色管理”、“支持企業(yè)開發(fā)綠色產(chǎn)品，顯著提升產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保低碳水平，引導綠色生產(chǎn)和綠色消費”等要求。在這種背景下，鋼筋混凝土用鋼分委員會向國家標準化管理委員會申報了《鋼筋混凝土用熱軋?zhí)妓劁?不銹鋼復合鋼筋》國家標準項目并獲得立項。

2標準主要技術內(nèi)容

2.1編制原則

本標準以采用國際標準和國外先進標準、力爭達到“科學、合理、先進、實用”以及與國家標準體系協(xié)調(diào)一致為原則。經(jīng)查閱，國外只有美國國家道路與交通協(xié)會發(fā)布了AASHTO MP13M/ MP13《混凝土加固用光圓及變形不銹鋼復合鋼筋》標準，歐洲、日本等未查閱到不銹鋼復合鋼筋相關標準。對于基材材料主要參考我國GB/T 1499.1《鋼筋混凝土用鋼 第1部分：熱軋光圓鋼筋》、 GB/T 1499.2《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》，對于覆層主要參照GB/T 20878《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》等標準，同時參考了美國ASTMA955/A955M、ASTMA959、ASTM A1035等標準。

2.2標準名稱及范圍

本標準涉及的產(chǎn)品是不銹鋼與碳鋼（或低合金鋼）雙金屬復合鋼筋，表層為不銹鋼，基材為碳素鋼或低合金鋼。GB/T 1499.1中規(guī)定的300MPa級光圓鋼筋屬于碳素鋼范疇，GB/T 1499.2及報批稿中規(guī)定的熱軋帶肋鋼筋產(chǎn)品屬于低合金鋼范疇。鋼筋的生產(chǎn)采用經(jīng)過加工的圓鋼和不銹鋼鋼管通過特定的工藝復合在一起達到冶金結(jié)合的狀態(tài)后，再進入軋線進行熱軋。因此，標準命名為：鋼筋混凝土用熱軋?zhí)妓劁?不銹鋼復合鋼筋，其適用范圍為：以不銹鋼做覆層、碳素鋼（或低合金鋼）做基材通過熱軋生產(chǎn)的碳素鋼-不銹鋼復合鋼筋。

2.3分類、牌號

因復合鋼筋主要是以GB/T 1499.1、GB/T 1499.2 中規(guī)定的鋼筋作為基材與不銹鋼進行復合，因此標準規(guī)定的強度級別與上述標準保持一致，即：鋼筋按屈服強度特征值等級分為300、400、500級。雖然600級已經(jīng)包括在GB/T 1499.2的報批稿中，但該標準尚未批準發(fā)布，同時考慮到該級別的鋼筋目前尚無更多的應用數(shù)據(jù)支撐，因此本標準暫時未納入該級別。因此標準形成了HPB300SC、HRB400SC、HRB500SC的強度系列（SC分別為Stainless和Compound的首字母）。對于抗震級別的鋼筋，本次也沒有納入，主要是考慮到此類產(chǎn)品屬于新研發(fā)產(chǎn)品，待有足夠數(shù)量的應用數(shù)據(jù)后再考慮納入。

2.4公稱直徑范圍、尺寸、外形及允許偏差

因復合鋼筋主要是GB/T 1499.1、GB/T 1499.2中規(guī)定鋼筋作為基材與不銹鋼進行復合，同時考慮到混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中對應用規(guī)格和尺寸的要求，標準中對產(chǎn)品的公稱直徑范圍、尺寸、外形及允許偏差均與GB/T 1499.1、GB/T 1499.2保持一致。

2.5技術要求

2.5.1牌號和化學成分

主要采用GB/T 1499.1、GB/T 1499.2中規(guī)定的材料作為基材與不銹鋼進行復合，因此基材成分按照GB/T 1499.1、GB/T 1499.2的規(guī)定。

對于不銹鋼覆層的牌號及化學成分，根據(jù)實際生產(chǎn)情況從GB/T 20878中牌號選擇了部分牌號，見表2。本標準覆層所采用的比較典型的不銹鋼牌號。其中304、304L、316和316L牌號屬于奧氏體不銹鋼，2205 牌號屬于奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。美國 AASHTO MP13M/MP-13規(guī)定覆層不銹鋼只有316和316L兩個牌號，本標準比該美國標準增加了304、304L、2205三個牌號。

304不銹鋼是應用最為廣泛的一種鉻-鎳不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性、韌性、低溫強度和機械特性；良好的沖壓、彎曲等熱加工性，無熱處理硬化現(xiàn)象（使用溫度-196～800℃）；良好的加工性能和可焊性。304不銹鋼適合用于建材、化學、食品加工、家庭用品、汽車配件、醫(yī)療器具、船舶部件等領域。

304L是碳含量較低的304不銹鋼的變種，更適用于有焊接需要的場合。較低的碳含量使其在焊縫熱影響區(qū)附近所析出的碳化物減至最少，而碳化物的析出可能導致不銹鋼在某些環(huán)境中產(chǎn)生晶間腐蝕（焊接侵蝕）。

316、316L不銹鋼因添加Mo元素，使其耐蝕性和高溫強度有較大的提高，耐高溫可達到1200-1300℃，可在苛酷的條件下使用。耐腐蝕性能優(yōu)于304不銹鋼，而且316、316L不銹鋼還耐海洋和侵蝕性工業(yè)大氣的侵蝕。因此在侵蝕性嚴重的工業(yè)或海洋大氣中，最好采用316、316L不銹鋼。316L是碳含量較低的316不銹鋼的變種。為獲得最佳的耐腐蝕性能，316不銹鋼的焊接斷面需要進行焊后退火處理，而使用316L不銹鋼，則無需進行焊后退火處理。

2205屬于奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，具有高強度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗應力腐蝕能力。2205雙相不銹鋼的屈服強度是奧氏體不銹鋼的2倍，采用2205牌號不銹鋼做覆層可減少鋼筋強度損失。另外，2205雙相不銹鋼耐應力侵蝕破裂的能力比奧氏體不銹鋼更高，尤其在含氯離子環(huán)境中；耐磨損侵蝕和疲憊侵蝕性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼；比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)低，和碳鋼接近，適宜與碳鋼銜接，因此更適宜做復合鋼筋的覆層。

為了滿足不同用戶可能對其他覆層不銹鋼牌號的需求，標準中增加了需方可以選擇其他耐蝕性能更好的覆層牌號。

2.5.2力學性能

力學性能各項指標與GB/T 1499.1、GB/T 1499.2保持一致。鋼筋的屈服強度Rel、抗拉強度Rm、斷后伸長率A、最大力總伸長率Agt等力學性能特征值要求見表3。

2.5.3覆層要求

1）覆層厚度

本標準規(guī)定的不銹鋼覆層厚度為不低于180μm。這主要是考慮到覆層太厚，會造成不必要的浪費，且鋼筋強度損失也會增大；覆層太薄，鋼筋在生產(chǎn)、裝運、加工和使用過程中容易因輕微碰撞、刮擦損傷而露出基材，或不能抵御腐蝕環(huán)境的侵蝕而失去抗腐蝕能力。美國AASHTO MP 13M/MP-13標準規(guī)定覆層厚度檢測值90%的數(shù)據(jù)不應小于175μm，最低檢測值不能小于120μm。本標準規(guī)定鋼筋不銹鋼覆層厚度比美國AASHTO MP 13M/MP-13標準要嚴。從我國目前生產(chǎn)的不銹鋼復合鋼筋產(chǎn)品實物質(zhì)量和相關檢測數(shù)據(jù)來看，本標準所規(guī)定的不銹鋼覆層厚度是可以保證鋼筋耐蝕性能的。

2）覆層結(jié)合性

因為鋼筋在應用過程中，不可避免地要進行彎折，對于普通鋼筋通常要求彎折后無裂紋等即可，但對于復合材料而言就要求更嚴格一些，通常要求鋼筋經(jīng)拉伸、彎曲、切斷后，除了不能出現(xiàn)裂紋等，還不應出現(xiàn)基材和覆層脫落、分層等剝離現(xiàn)象，如圖1和圖2所示。因此標準中規(guī)定：鋼筋經(jīng)拉伸試驗、彎曲試驗后其斷面或彎折變形部位覆層與基材結(jié)合界面應無剝落和目視可見分層。

2.5.4鋼筋耐蝕性能

不銹鋼復合鋼筋除了要滿足力學性能外，另一項重要的考核指標就是耐腐蝕性。美國AASHTO MP 13M/MP-13標準對不銹鋼復合鋼筋的耐蝕性沒有做要求，只規(guī)定不銹鋼覆層厚度不低于規(guī)定要求就可以了。本標準規(guī)定的不銹鋼覆層厚度比美國AASHTO MP13M/MP-13標準要嚴。但考慮到GB/T 8165-2008《不銹鋼復合鋼板和鋼帶》和GB/T 33959-2017《鋼筋混凝土用不銹鋼鋼筋》都要求按GB/T 4334-2008的方法E做晶間腐蝕試驗。因此標準中規(guī)定，除鐵素體型覆層鋼筋外，其他覆層鋼筋交貨狀態(tài)按GB/T 4334-2008的方法E進行晶間腐蝕試驗。試驗時鋼筋兩端橫切面上應涂上防護層（如環(huán)氧樹脂）。試驗結(jié)果除橫切面外，鋼筋表面不得有因腐蝕產(chǎn)生的漏點和晶間腐蝕裂紋。

3結(jié)束語

本標準在參考美國AASHTO MP 13M/MP-13、ASTM A955、ASTM A959、ASTM A1035等標準和我國GB/T 1499.1、GB/T 1499.2、GB/T 20878等標準的基礎上，對復合鋼筋的基材和覆層牌號、力學性能、尺寸偏差、覆層厚度、基材和覆層結(jié)合性能、耐腐蝕性能等關鍵技術指標均進行了規(guī)定，指標充分反映了我國目前不銹鋼復合鋼筋的實際水平。本標準的制定，不僅會促進我國耐腐蝕鋼筋的生產(chǎn)和推廣應用，也會為提升海工混凝土工程、道路橋梁等建筑物的使用壽命和安全性，降低維護成本奠定材料基礎。本標準實施后，將會對促進我國綠色長壽命鋼筋的推廣應用、推動鋼鐵和建筑兩個行業(yè)的技術進步起到積極作用。（劉寶石 向勇）

本文摘選自本報2017年第47期B10部分內(nèi)容，若要詳細了解更多相關行業(yè)和技術信息，請關注本報紙質(zhì)報紙每期A版和B版內(nèi)容，或者登陸本報手機APP客戶端，或者本報網(wǎng)站新址：http://www.worldmetals.com.cn/電子報閱讀全文。轉(zhuǎn)載請注明出處。

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