建筑用鋼筋品種的研究與開發(fā)

1、    建筑用鋼筋品種的研究與開發(fā)         我國建筑業(yè)消費(fèi)的鋼材約占全部消費(fèi)量的50%，其中建筑用鋼筋超過1億t，在建筑用鋼筋中400MPa級以上鋼筋產(chǎn)量不足20%。我國廣大農(nóng)村房屋建筑中大量使用235MPa級別鋼筋。與國際上發(fā)達(dá)國家建筑中均采用400MPa以上級別鋼筋相比，尚有巨大差距。我國長型材的生產(chǎn)裝備和技術(shù)參差不齊，先進(jìn)與落后并存。全國鋼筋生產(chǎn)廠家300余家，生產(chǎn)線700多條，并且相當(dāng)多生產(chǎn)企業(yè)不具備生產(chǎn)微合金化400MPa級鋼筋的能力或技術(shù)。另外，以微合金化

2、技術(shù)生產(chǎn)400MPa鋼筋，按照年產(chǎn)量1億t的規(guī)模，全世界礬（或鈮）產(chǎn)量的1/2將被我國的鋼筋消耗掉。從能源消耗角度，目前的400MP，級鋼筋生產(chǎn)技術(shù)是高溫快軋工藝，是典型的高能耗、低收得的生產(chǎn)過程。因此，面對巨大市場需求和資源的巨大消耗，提高鋼筋性能，減少建筑用鋼筋用量，尋找一條減少資源消耗，環(huán)境友好型，可循環(huán)利用的鋼筋生產(chǎn)技術(shù)路線，已成為今后我國建筑用鋼筋現(xiàn)代化發(fā)展的必然之路?？偨Y(jié)和借鑒國內(nèi)外鋼筋技術(shù)發(fā)展趨勢，有利于促進(jìn)我國建筑用鋼筋生產(chǎn)技術(shù)的健康發(fā)展。1 建筑用鋼筋品種國內(nèi)外發(fā)展趨勢鋼筋按加工藝分為：熱軋鋼筋、熱處理（調(diào)質(zhì)熱處理、軋后余熱處理）鋼筋、冷加工（冷拉、冷拔、冷軋等）鋼筋、低成本

3、高性能細(xì)晶粒鋼筋。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋按強(qiáng)度級別分為300MPa（335MPa）、400MPa、500MPa等級別。面對高層建筑和抗震的需要，日本目前開發(fā)出了USD685MPa、USD785MPa、USD980MPa、USDl275MPa系列高強(qiáng)抗震鋼筋。該系列鋼筋不同于傳統(tǒng)的PC鋼棒或預(yù)應(yīng)力鋼筋，是結(jié)合控制軋制技術(shù)和微合金化技術(shù)的產(chǎn)品。從材料角度看，上述品種均為低合金鋼或微合金化低合金高強(qiáng)鋼筋。世界各國均在努力開發(fā)耐腐蝕鋼筋和耐火鋼筋等特殊用途鋼筋，目前還沒有相關(guān)產(chǎn)品研制成功的文獻(xiàn)報道。1.1 高強(qiáng)抗震鋼筋鋼筋品種性能向高強(qiáng)化發(fā)展是全世界的總趨勢，發(fā)達(dá)國家普遍采用400MPa和500MPa級

4、鋼筋。但是對于抗震性能指標(biāo)的設(shè)定，以及不同生產(chǎn)技術(shù)路線（微合金化技術(shù)、余熱處理技術(shù)以及細(xì)晶粒鋼生產(chǎn)技術(shù)等）生產(chǎn)的鋼筋品種的抗震性能要求還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識。國際上ISO標(biāo)準(zhǔn)中的抗震指標(biāo)也沒有得到各國專家的一致認(rèn)可。因此有必要進(jìn)行深入的分析。目前，對于鋼筋的性能指標(biāo)的設(shè)定一直沒有定論，隨著技術(shù)進(jìn)步和對建筑用鋼筋應(yīng)用性能的認(rèn)識深入，國際上相關(guān)鋼筋標(biāo)準(zhǔn)的各項指標(biāo)也在不斷地修訂。汶川大地震后，鋼材包括鋼筋的抗震性能的研究引起廣泛重視，提出了各種性能指標(biāo)要求，包括鋼應(yīng)具有高強(qiáng)度、高塑性、高韌性、低屈強(qiáng)比、良好焊接性和易反彎變形、低應(yīng)變時效敏感性和低脆性轉(zhuǎn)變溫度以及良好的疲勞性能等。日本阪神大地震后的建筑

5、物調(diào)查表明，防止鋼材的脆性斷裂，是防止建筑物垮塌和造成毀滅性災(zāi)害的關(guān)鍵性指標(biāo)。因此，建筑物需要考慮堅固性的同時，要兼顧塑性和柔韌性。由于晶粒細(xì)化是提高鋼材低溫韌性的有效方法，因此，日本各大鋼廠加大了細(xì)晶、超細(xì)晶鋼筋的開發(fā)力度。由于細(xì)化晶?？梢蕴岣咪摬牡牡蜏仨g性，雖然沒有明確的細(xì)晶鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)，但是從已公開文獻(xiàn)報道表明，已經(jīng)在建筑中應(yīng)用。日本專利技術(shù)：特開平9-95735和特開平9-9573均是針對抗震開發(fā)的超細(xì)晶粒鋼筋。其技術(shù)特點(diǎn)是，添加各種微合金元素與采用低溫控軋控冷技術(shù)相結(jié)合。從汶川倒塌房屋原因分析上看，柱梁節(jié)點(diǎn)處強(qiáng)韌性不足是主要原因之一，發(fā)生垮塌性事故的鋼筋混凝土建筑，很多是由于柱梁節(jié)點(diǎn)處

6、斷裂而導(dǎo)致建筑物垮塌。此外，地震的特點(diǎn)是持續(xù)時間短，通常在1min以內(nèi)，振幅較大，震動頻率低，振幅和頻率衰減快，往復(fù)震動次數(shù)極少，動能較大以及地震的橫向波和縱向波疊加等。這些特點(diǎn)決定了無法用單一的大應(yīng)變低周疲勞數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬。同時鋼筋混凝土建筑中，鋼筋僅承受拉力這一結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了鋼筋的塑形指標(biāo)在地震過程中所起的作用。因此，對于抗震鋼筋的性能要求應(yīng)是：高強(qiáng)度、高韌性和高塑性等。從材料自身角度評估，鋼筋應(yīng)具備抗大變形交變載荷條件下龜裂擴(kuò)展能力，以防止在地震導(dǎo)致房屋晃動時，鋼筋發(fā)生快速斷裂。這一特性大多與材料的化學(xué)成分、微觀組織、潔凈度、表面質(zhì)量等因素有關(guān)，從標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)制定角度考慮尚無法做到明確規(guī)

7、定。綜合以上分析，抗震的主要指標(biāo)應(yīng)考慮以下幾方面：高強(qiáng)度、高塑性、高屈強(qiáng)比、高韌性。如果針對我國國情，鋼筋焊接技術(shù)的普遍使用，則還需要考慮焊接性能。日本在防止柱梁節(jié)點(diǎn)脆性破壞的指針中提出了為防止柱梁節(jié)點(diǎn)脆性斷裂所必需的韌性值?，F(xiàn)有規(guī)定27J只能保證斷裂強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的0.9，70J才能達(dá)到1.0。焊接韌性的影響公式fHAZ，以判斷能否確保焊接節(jié)點(diǎn)的夏比值27J或70J。fHAZ=C+Mn/8+6（P+S）+12N-4Ti但是Ti量為0.005%以下時，Ti量為0。vE（0）70J：fHAZ0.58vE（0）27J：fHAZ0.63這里具有明確技術(shù)指標(biāo)意義的是：（1）明確給出了鋼材韌性指標(biāo)與斷

8、裂設(shè)計強(qiáng)度的關(guān)系；（2）提出了鋼材保證焊接韌性的參數(shù)，雖然fHAZ是針對鋼結(jié)構(gòu)用鋼焊接韌性評估而設(shè)立，但是對于目前我國鋼筋焊接技術(shù)廣泛使用情況，該公式有重要的參考價值。表1為日本焊接協(xié)會公布的高強(qiáng)鋼筋相關(guān)數(shù)據(jù)，其屈服點(diǎn)延伸率指標(biāo)直接與鐵素體的晶粒尺寸和含量有關(guān)見圖1。表2為高強(qiáng)度鋼筋的種類和性能要求。   顯然，日本新標(biāo)準(zhǔn)中，將屈服點(diǎn)延伸率這一概念引進(jìn)來，巧妙地對鋼筋微觀組織的晶粒尺寸間接地進(jìn)行了限制規(guī)定，從而達(dá)到細(xì)化鋼筋晶粒尺寸和提高韌性的目的。1.2 耐蝕鋼筋鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞已經(jīng)成為世紀(jì)各國普遍關(guān)注的一大災(zāi)害。1984年美國報道，僅就橋梁而

9、言，57.5萬座鋼筋混凝土橋，一半以上出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，當(dāng)年的修復(fù)費(fèi)為54億美元；1988年，鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復(fù)費(fèi)，一年要2500億美元，其中橋梁修復(fù)費(fèi)為1550億美元，是這些橋初建費(fèi)用的4倍。加拿大早期大量使用除冰鹽，使鋼筋混凝土橋梁等破壞嚴(yán)重。歐洲、澳大利亞、海灣國家等，都有以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞問題，其中英國修復(fù)費(fèi)為每年50億英鎊。韓國曾發(fā)生一系列建筑物破壞、倒塌事件，其中很多也與“鹽害”有關(guān)。我國交通部的統(tǒng)計報告表明，港口鋼筋混凝土的建筑物壽命一般在10-15年，遠(yuǎn)低于設(shè)計50年標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)達(dá)國家先后投巨資設(shè)立課題，研究開發(fā)了鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)抗各種環(huán)境腐蝕的新材料。但是目前除涂層鋼筋

10、、碳纖維鋼筋和不銹鋼鋼筋外，還沒有生產(chǎn)成本較低的耐蝕鋼筋品種。板材品種的耐候鋼、耐蝕鋼的強(qiáng)度，一般在300MPa級水平，還沒有達(dá)到400MPa水平。對冰鹽、海鹽、鹽堿地等的“鹽害”，還是重視不夠、認(rèn)識不深和措施不力。美國1933年研究成功耐候鋼“Corten”鋼，并投入市場進(jìn)行銷售；自1936年開始研制耐海水腐蝕鋼，到1951年研制成功了“Mariner”鋼，并于1964年投入市場進(jìn)行銷售。就耐海水腐蝕鋼而言，從世界上產(chǎn)生第一個名牌鋼號“Mariner”鋼起，迄今已研制了幾十年，鋼號也不少。但是應(yīng)用范圍并不很廣，產(chǎn)量也不很多。究其原因，是由于耐海水腐蝕鋼的耐腐蝕性能受到某種程度的限制。因為影響

11、海水腐蝕的因素很多，諸如海水中氧的溶解量、鹽分濃度、溫度、流速、海生物、pH值、污染海水等，這些腐蝕因素不僅對鋼在海水不同部位的四個帶（飛濺帶、潮差帶，全浸帶、海土帶）的腐蝕影響不同，而且腐蝕機(jī)理各不相同。而且在不同的海域中，其腐蝕狀況和腐蝕規(guī)律也各不相同，甚至差別很大。所以說，海水對鋼的腐蝕情況非常復(fù)雜，而要求低合金高強(qiáng)度鋼完全滿足整個海洋各個海域、海水的四個帶的耐腐蝕性能實(shí)在是很困難的。迄今為止，世界上還沒有一個低合金耐海水腐蝕鋼號能夠全面達(dá)到這個要求。我國從1965年起開始研制耐海水腐蝕鋼，但是通過鑒定和在鑒定后投入生產(chǎn)和在市場上銷售的鋼號和數(shù)量并不多。到目前為止，已通過鑒定的鋼號有6個

12、，如10Cr2MoAlRE鋼，08PVRE鋼，09MnCuPTi鋼，10MnPNbRE鋼，10NiCuAs鋼和10CrMoAl鋼。通過技術(shù)鑒定的鋼號為10CrMoCuSi鋼，其中只有10MnPNbRE鋼在1969年納入了冶金部部頒標(biāo)準(zhǔn)，而且產(chǎn)量較大，主要用于鋼板樁，其余鑒定轉(zhuǎn)產(chǎn)的鋼號（其中09MnCuPTi鋼主要是耐大氣腐蝕鋼），除了少數(shù)用戶因某項工程需要進(jìn)行訂貨外，尚未推廣開來。應(yīng)用少，產(chǎn)量也少。目前世界上對于耐蝕鋼筋的開發(fā)，基本上沒有成功品種的公開報道，其主要原因是：鋼筋混凝土為堿性環(huán)境，在服役過程中水泥會發(fā)生碳化過程而使混凝土pH值中性化。水泥的堿性環(huán)境有利于鋼筋的保護(hù)，但是混凝土與外界

13、水汽、CO2等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致碳化過程，也是鋼筋的腐蝕過程。因此這一過程十分復(fù)雜，與所處地理環(huán)境密切相關(guān)，加之海洋環(huán)境中的Cl-參與其中的化學(xué)反應(yīng)，因此對科學(xué)研究造成很大困難，時至今日還沒有明確的耐蝕鋼筋品種和相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2 我國建筑用鋼筋品種開發(fā)2.1 高強(qiáng)抗震鋼筋我國現(xiàn)有鋼筋分為熱軋（冷拉）鋼筋、中高強(qiáng)鋼絲鋼絞線及冷加工鋼筋三類。國內(nèi)外熱軋鋼筋的品種強(qiáng)度級別已漸趨統(tǒng)一，強(qiáng)度等級為300（335）MPa、400MPa、500MPa。400MPa級已成為主力受力鋼筋。新修訂的GB1499.2-2007鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋將細(xì)晶粒鋼筋納入標(biāo)準(zhǔn)之中，形成了HRBF335、HRBF400、H

14、RBF500系列鋼筋，見表3。標(biāo)準(zhǔn)中明確列入細(xì)晶鋼筋的系列品種，是明確鼓勵企業(yè)采用新技術(shù)，減少能源和資源的消耗。 目前，對于鋼筋的抗震性能指標(biāo)的設(shè)定一直是有爭議的研究課題，專家對不同抗震性能指標(biāo)有著不同認(rèn)識。對于建筑物的抗震性能可以從總體設(shè)計角度進(jìn)行研究。但是，鋼筋作為建筑物的“筋骨”，應(yīng)當(dāng)是在地震發(fā)生時，建筑物不發(fā)生垮塌的最后一道生命防線。從此角度分析，鋼筋需要有強(qiáng)韌性和塑性，在保：證建筑物的牢固性的同時和可吸收地震帶來的動載荷能量。GB1499.2-2007中有關(guān)鋼筋抗震要求指標(biāo)是：該類鋼筋除應(yīng)滿足以下a）、b）、c）的要求外，其他要求與相對應(yīng)的已有牌號鋼筋相同。a）鋼筋實(shí)測抗拉

15、強(qiáng)度與實(shí)測屈服強(qiáng)度之比R0m/R0el不小于1.25。b）鋼筋實(shí)測屈服強(qiáng)度與規(guī)定的屈服強(qiáng)度特性值之比R0el/Rel不大于1.30。c）鋼筋的最大力總伸長率Agt不小于9%。上面幾項規(guī)定表明，a）項指標(biāo)是要求鋼筋從屈服段強(qiáng)度到縮頸失穩(wěn)時的強(qiáng)度塑性變形階段強(qiáng)度要有一定上升值，來保證建筑物局部塑性變形段有足夠的強(qiáng)度保證安全；c）是塑性指標(biāo)規(guī)定，鋼筋的一定變形能力是建筑物不跨塌的關(guān)鍵；a）和c）指標(biāo)共同決定了鋼筋吸收變形能的能力。b）指標(biāo)的規(guī)定是控制個別鋼筋強(qiáng)度和整體建筑物強(qiáng)度在合理范圍內(nèi)的指標(biāo)，來保證建筑物整體設(shè)計性能和局部性能的一致性。顯然，上述三條均不能評估鋼筋抵抗地震時劇烈晃動對建筑物中鋼筋

16、所帶來動載荷的沖擊能量。是否需要引入韌性指標(biāo)或是屈服點(diǎn)延伸率指標(biāo)是需要深入研究的課題。目前在我國仍然還有學(xué)者認(rèn)為，只有微合金化鋼筋才具有抗震性能。需要指出的是細(xì)晶粒鋼筋生產(chǎn)技術(shù)可以應(yīng)用到所有類型的鋼筋生產(chǎn)中，包括微合金化鋼筋生產(chǎn)，同時可以降低微合金的單位用量，同時又能有效的提高各項性能，尤其是強(qiáng)韌性指標(biāo)。我國自主開發(fā)的不同級別細(xì)晶粒鋼筋的性能指標(biāo)完全可以滿足抗震性能指標(biāo)的需要。2.2 耐蝕鋼筋耐蝕鋼筋品種的開發(fā)，涉及到品種、標(biāo)準(zhǔn)和建筑規(guī)范，是一個跨學(xué)科跨領(lǐng)域的聯(lián)合研究。同時還涉及到耐蝕鋼筋的檢驗評估方法等全新的研究開發(fā)領(lǐng)域。在金屬材料腐蝕標(biāo)準(zhǔn)化方面，國際上以ISO為代表的已經(jīng)公開出版的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)6

17、0多項。美國等發(fā)達(dá)國家也已經(jīng)建立了適合于本國國情的更加完善詳細(xì)的材料腐蝕標(biāo)準(zhǔn)化體系。但集中在不銹鋼腐蝕和鍍層金屬等方面。與鋼筋腐蝕有關(guān)的檢驗方法只有歐洲和美國的兩個試驗方法標(biāo)準(zhǔn)：EN480-14-2006（混凝土、灰漿和水泥漿混合物試驗方法用恒電勢電化學(xué)試驗法測定鋼筋腐蝕敏感性的影響）和ASTM G109-1999（測定化學(xué)外加劑對暴露于氯化物環(huán)境下混凝土中預(yù)埋鋼筋腐蝕作用的試驗方法L這兩個檢驗方法都包含了混凝土等外部介質(zhì)，沒有針對鋼筋本身的快速評價。在國家項目支持下，鋼鐵研究總院聯(lián)合中冶建筑研究總院有限公司、中國建筑科學(xué)研究院、冶金工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信息研究院、馬鞍山鋼鐵公司、廣州鋼鐵集團(tuán)公司等單位初步完成了由品種開發(fā)到實(shí)驗室檢驗?zāi)臀g鋼材方法研究、人工氣候模擬實(shí)驗研究、各項服役性能的檢驗研究、混凝土構(gòu)件性能檢驗研究等多項研究。完成了耐工業(yè)大氣環(huán)境腐蝕鋼筋品種開發(fā)、耐海洋大氣環(huán)境腐蝕鋼筋品種的開發(fā)、耐工業(yè)大氣環(huán)境腐蝕和耐海洋大氣環(huán)境腐蝕鋼筋腐蝕實(shí)驗室檢驗方法研究開發(fā)。隨著耐蝕鋼筋品種開發(fā)的完成和相應(yīng)檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)的制定，尤其是耐海洋大氣環(huán)境Cl-腐蝕鋼筋品種開發(fā)完成，將結(jié)束目前國內(nèi)外沒有耐腐蝕鋼筋品種和相應(yīng)檢驗標(biāo)準(zhǔn)的局面。我國生產(chǎn)的耐蝕鋼筋的化學(xué)成分和力學(xué)性能，完全滿足國標(biāo)GB1499中400MPa鋼筋的各項性能指標(biāo)要求。其耐腐蝕性能超過對比碳鋼一倍。在