鋼筋混凝土用碳素鋼-纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)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(huì)進(jìn)步，人們對(duì)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(hù)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(jì)損失可占到GDP的4%，與鋼筋腐蝕相關(guān)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(hù)費(fèi)用高達(dá)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(fù)，1979年檢查鋼筋脹裂21%，1988年檢查鋼筋脹裂91%并于當(dāng)年拆除。1981年建成的北侖港碼頭、引橋，1987年開始修復(fù)鋼筋脹裂69%-100%。

為適應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)提高建筑物長(zhǎng)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(jìn)標(biāo)準(zhǔn)、以及我國鋼筋產(chǎn)品研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)。

以美國為代表的發(fā)達(dá)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(yīng)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(hù)，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(xué)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(jià)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(jià)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(fù)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(fù)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(fù)合鋼筋，兩種金屬之間可達(dá)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(shí)，不銹鋼的重量占總重量的10%-20%，造價(jià)僅為實(shí)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(shí)還在很大程度上延長(zhǎng)了建筑的壽命。

2013年發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于化解產(chǎn)能嚴(yán)重過剩矛盾的指導(dǎo)意見》中明確提出“實(shí)施綠色建材工程，制修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提高建筑用鋼使用標(biāo)準(zhǔn)，帶動(dòng)產(chǎn)品升級(jí)換代”。2014年印發(fā)的《關(guān)于印發(fā)關(guān)鍵材料升級(jí)換代工程實(shí)施方案的通知》提出，到2016年推動(dòng)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(diǎn)新材料實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用。海島建設(shè)中，海拌海養(yǎng)鋼筋混凝土工程面臨的一個(gè)問題就是鋼筋的耐腐蝕性能。中國制造2025中也提出了“強(qiáng)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(dǎo)綠色生產(chǎn)和綠色消費(fèi)”等要求。在這種背景下，鋼筋混凝土用鋼分委員會(huì)向國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)申報(bào)了《鋼筋混凝土用熱軋?zhí)妓劁?不銹鋼復(fù)合鋼筋》國家標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目并獲得立項(xiàng)。

2標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容

2.1編制原則

本標(biāo)準(zhǔn)以采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)、力爭(zhēng)達(dá)到“科學(xué)、合理、先進(jìn)、實(shí)用”以及與國家標(biāo)準(zhǔn)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(huì)發(fā)布了AASHTO MP13M/ MP13《混凝土加固用光圓及變形不銹鋼復(fù)合鋼筋》標(biāo)準(zhǔn)，歐洲、日本等未查閱到不銹鋼復(fù)合鋼筋相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)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(duì)于覆層主要參照GB/T 20878《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分》等標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)參考了美國ASTMA955/A955M、ASTMA959、ASTM A1035等標(biāo)準(zhǔn)。

2.2標(biāo)準(zhǔn)名稱及范圍

本標(biāo)準(zhǔn)涉及的產(chǎn)品是不銹鋼與碳鋼（或低合金鋼）雙金屬復(fù)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(jí)光圓鋼筋屬于碳素鋼范疇，GB/T 1499.2及報(bào)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(fù)合在一起達(dá)到冶金結(jié)合的狀態(tài)后，再進(jìn)入軋線進(jìn)行熱軋。因此，標(biāo)準(zhǔn)命名為：鋼筋混凝土用熱軋?zhí)妓劁?不銹鋼復(fù)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(fù)合鋼筋。

2.3分類、牌號(hào)

因復(fù)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(jìn)行復(fù)合，因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度級(jí)別與上述標(biāo)準(zhǔn)保持一致，即：鋼筋按屈服強(qiáng)度特征值等級(jí)分為300、400、500級(jí)。雖然600級(jí)已經(jīng)包括在GB/T 1499.2的報(bào)批稿中，但該標(biāo)準(zhǔn)尚未批準(zhǔn)發(fā)布，同時(shí)考慮到該級(jí)別的鋼筋目前尚無更多的應(yīng)用數(shù)據(jù)支撐，因此本標(biāo)準(zhǔn)暫時(shí)未納入該級(jí)別。因此標(biāo)準(zhǔn)形成了HPB300SC、HRB400SC、HRB500SC的強(qiáng)度系列（SC分別為Stainless和Compound的首字母）。對(duì)于抗震級(jí)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(yīng)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(fù)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(jìn)行復(fù)合，同時(shí)考慮到混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)應(yīng)用規(guī)格和尺寸的要求，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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(shù)要求

2.5.1牌號(hào)和化學(xué)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(jìn)行復(fù)合，因此基材成分按照GB/T 1499.1、GB/T 1499.2的規(guī)定。

對(duì)于不銹鋼覆層的牌號(hào)及化學(xué)成分，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況從GB/T 20878中牌號(hào)選擇了部分牌號(hào)，見表2。本標(biāo)準(zhǔn)覆層所采用的比較典型的不銹鋼牌號(hào)。其中304、304L、316和316L牌號(hào)屬于奧氏體不銹鋼，2205 牌號(hào)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(gè)牌號(hào)，本標(biāo)準(zhǔn)比該美國標(biāo)準(zhǔn)增加了304、304L、2205三個(gè)牌號(hào)。

304不銹鋼是應(yīng)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(qiáng)度和機(jī)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(xué)、食品加工、家庭用品、汽車配件、醫(yī)療器具、船舶部件等領(lǐng)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(chǎng)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(dǎo)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(qiáng)度有較大的提高，耐高溫可達(dá)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(yán)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(jìn)行焊后退火處理，而使用316L不銹鋼，則無需進(jìn)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(qiáng)度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗應(yīng)力腐蝕能力。2205雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度是奧氏體不銹鋼的2倍，采用2205牌號(hào)不銹鋼做覆層可減少鋼筋強(qiáng)度損失。另外，2205雙相不銹鋼耐應(yīng)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(fù)合鋼筋的覆層。

為了滿足不同用戶可能對(duì)其他覆層不銹鋼牌號(hào)的需求，標(biāo)準(zhǔn)中增加了需方可以選擇其他耐蝕性能更好的覆層牌號(hào)。

2.5.2力學(xué)性能

力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)與GB/T 1499.1、GB/T 1499.2保持一致。鋼筋的屈服強(qiáng)度Rel、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后伸長(zhǎng)率A、最大力總伸長(zhǎng)率Agt等力學(xué)性能特征值要求見表3。

2.5.3覆層要求

1）覆層厚度

本標(biāo)準(zhǔn)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(huì)造成不必要的浪費(fèi)，且鋼筋強(qiáng)度損失也會(huì)增大；覆層太薄，鋼筋在生產(chǎn)、裝運(yùn)、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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定覆層厚度檢測(cè)值90%的數(shù)據(jù)不應(yīng)小于175μm，最低檢測(cè)值不能小于120μm。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼筋不銹鋼覆層厚度比美國AASHTO MP 13M/MP-13標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)。從我國目前生產(chǎn)的不銹鋼復(fù)合鋼筋產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量和相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)來看，本標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)殇摻钤趹?yīng)用過程中，不可避免地要進(jìn)行彎折，對(duì)于普通鋼筋通常要求彎折后無裂紋等即可，但對(duì)于復(fù)合材料而言就要求更嚴(yán)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：鋼筋經(jīng)拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)后其斷面或彎折變形部位覆層與基材結(jié)合界面應(yīng)無剝落和目視可見分層。

2.5.4鋼筋耐蝕性能

不銹鋼復(fù)合鋼筋除了要滿足力學(xué)性能外，另一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)就是耐腐蝕性。美國AASHTO MP 13M/MP-13標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不銹鋼復(fù)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不銹鋼覆層厚度比美國AASHTO MP13M/MP-13標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)。但考慮到GB/T 8165-2008《不銹鋼復(fù)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(yàn)。因此標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)鋼筋兩端橫切面上應(yīng)涂上防護(hù)層（如環(huán)氧樹脂）。試驗(yàn)結(jié)果除橫切面外，鋼筋表面不得有因腐蝕產(chǎn)生的漏點(diǎn)和晶間腐蝕裂紋。

3結(jié)束語

本標(biāo)準(zhǔn)在參考美國AASHTO MP 13M/MP-13、ASTM A955、ASTM A959、ASTM A1035等標(biāo)準(zhǔn)和我國GB/T 1499.1、GB/T 1499.2、GB/T 20878等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)合鋼筋的基材和覆層牌號(hào)、力學(xué)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(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均進(jìn)行了規(guī)定，指標(biāo)充分反映了我國目前不銹鋼復(fù)合鋼筋的實(shí)際水平。本標(biāo)準(zhǔn)的制定，不僅會(huì)促進(jìn)我國耐腐蝕鋼筋的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，也會(huì)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(hù)成本奠定材料基礎(chǔ)。本標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，將會(huì)對(duì)促進(jìn)我國綠色長(zhǎng)壽命鋼筋的推廣應(yīng)用、推動(dòng)鋼鐵和建筑兩個(gè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步起到積極作用。（劉寶石 向勇）

本文摘選自本報(bào)2017年第47期B10部分內(nèi)容，若要詳細(xì)了解更多相關(guān)行業(yè)和技術(shù)信息，請(qǐng)關(guān)注本報(bào)紙質(zhì)報(bào)紙每期A版和B版內(nèi)容，或者登陸本報(bào)手機(jī)APP客戶端，或者本報(bào)網(wǎng)站新址：http://www.worldmetals.com.cn/電子報(bào)閱讀全文。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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