建筑用钢筋品种的研究与开发

1、    建筑用钢筋品种的研究与开发         我国建筑业消费的钢材约占全部消费量的50%，其中建筑用钢筋超过1亿t，在建筑用钢筋中400MPa级以上钢筋产量不足20%。我国广大农村房屋建筑中大量使用235MPa级别钢筋。与国际上发达国家建筑中均采用400MPa以上级别钢筋相比，尚有巨大差距。我国长型材的生产装备和技术参差不齐，先进与落后并存。全国钢筋生产厂家300余家，生产线700多条，并且相当多生产企业不具备生产微合金化400MPa级钢筋的能力或技术。另外，以微合金化

2、技术生产400MPa钢筋，按照年产量1亿t的规模，全世界矾（或铌）产量的1/2将被我国的钢筋消耗掉。从能源消耗角度，目前的400MP，级钢筋生产技术是高温快轧工艺，是典型的高能耗、低收得的生产过程。因此，面对巨大市场需求和资源的巨大消耗，提高钢筋性能，减少建筑用钢筋用量，寻找一条减少资源消耗，环境友好型，可循环利用的钢筋生产技术路线，已成为今后我国建筑用钢筋现代化发展的必然之路。总结和借鉴国内外钢筋技术发展趋势，有利于促进我国建筑用钢筋生产技术的健康发展。1 建筑用钢筋品种国内外发展趋势钢筋按加工艺分为：热轧钢筋、热处理（调质热处理、轧后余热处理）钢筋、冷加工（冷拉、冷拔、冷轧等）钢筋、低成本

3、高性能细晶粒钢筋。钢筋混凝土结构用钢筋按强度级别分为300MPa（335MPa）、400MPa、500MPa等级别。面对高层建筑和抗震的需要，日本目前开发出了USD685MPa、USD785MPa、USD980MPa、USDl275MPa系列高强抗震钢筋。该系列钢筋不同于传统的PC钢棒或预应力钢筋，是结合控制轧制技术和微合金化技术的产品。从材料角度看，上述品种均为低合金钢或微合金化低合金高强钢筋。世界各国均在努力开发耐腐蚀钢筋和耐火钢筋等特殊用途钢筋，目前还没有相关产品研制成功的文献报道。1.1 高强抗震钢筋钢筋品种性能向高强化发展是全世界的总趋势，发达国家普遍采用400MPa和500MPa级

4、钢筋。但是对于抗震性能指标的设定，以及不同生产技术路线（微合金化技术、余热处理技术以及细晶粒钢生产技术等）生产的钢筋品种的抗震性能要求还没有形成统一的认识。国际上ISO标准中的抗震指标也没有得到各国专家的一致认可。因此有必要进行深入的分析。目前，对于钢筋的性能指标的设定一直没有定论，随着技术进步和对建筑用钢筋应用性能的认识深入，国际上相关钢筋标准的各项指标也在不断地修订。汶川大地震后，钢材包括钢筋的抗震性能的研究引起广泛重视，提出了各种性能指标要求，包括钢应具有高强度、高塑性、高韧性、低屈强比、良好焊接性和易反弯变形、低应变时效敏感性和低脆性转变温度以及良好的疲劳性能等。日本阪神大地震后的建筑

5、物调查表明，防止钢材的脆性断裂，是防止建筑物垮塌和造成毁灭性灾害的关键性指标。因此，建筑物需要考虑坚固性的同时，要兼顾塑性和柔韧性。由于晶粒细化是提高钢材低温韧性的有效方法，因此，日本各大钢厂加大了细晶、超细晶钢筋的开发力度。由于细化晶粒可以提高钢材的低温韧性，虽然没有明确的细晶钢筋的标准，但是从已公开文献报道表明，已经在建筑中应用。日本专利技术：特开平9-95735和特开平9-9573均是针对抗震开发的超细晶粒钢筋。其技术特点是，添加各种微合金元素与采用低温控轧控冷技术相结合。从汶川倒塌房屋原因分析上看，柱梁节点处强韧性不足是主要原因之一，发生垮塌性事故的钢筋混凝土建筑，很多是由于柱梁节点处

6、断裂而导致建筑物垮塌。此外，地震的特点是持续时间短，通常在1min以内，振幅较大，震动频率低，振幅和频率衰减快，往复震动次数极少，动能较大以及地震的横向波和纵向波叠加等。这些特点决定了无法用单一的大应变低周疲劳数学模型进行模拟。同时钢筋混凝土建筑中，钢筋仅承受拉力这一结构的特点决定了钢筋的塑形指标在地震过程中所起的作用。因此，对于抗震钢筋的性能要求应是：高强度、高韧性和高塑性等。从材料自身角度评估，钢筋应具备抗大变形交变载荷条件下龟裂扩展能力，以防止在地震导致房屋晃动时，钢筋发生快速断裂。这一特性大多与材料的化学成分、微观组织、洁净度、表面质量等因素有关，从标准指标制定角度考虑尚无法做到明确规

7、定。综合以上分析，抗震的主要指标应考虑以下几方面：高强度、高塑性、高屈强比、高韧性。如果针对我国国情，钢筋焊接技术的普遍使用，则还需要考虑焊接性能。日本在防止柱梁节点脆性破坏的指针中提出了为防止柱梁节点脆性断裂所必需的韧性值。现有规定27J只能保证断裂强度达到设计强度的0.9，70J才能达到1.0。焊接韧性的影响公式fHAZ，以判断能否确保焊接节点的夏比值27J或70J。fHAZ=C+Mn/8+6（P+S）+12N-4Ti但是Ti量为0.005%以下时，Ti量为0。vE（0）70J：fHAZ0.58vE（0）27J：fHAZ0.63这里具有明确技术指标意义的是：（1）明确给出了钢材韧性指标与断

8、裂设计强度的关系；（2）提出了钢材保证焊接韧性的参数，虽然fHAZ是针对钢结构用钢焊接韧性评估而设立，但是对于目前我国钢筋焊接技术广泛使用情况，该公式有重要的参考价值。表1为日本焊接协会公布的高强钢筋相关数据，其屈服点延伸率指标直接与铁素体的晶粒尺寸和含量有关见图1。表2为高强度钢筋的种类和性能要求。   显然，日本新标准中，将屈服点延伸率这一概念引进来，巧妙地对钢筋微观组织的晶粒尺寸间接地进行了限制规定，从而达到细化钢筋晶粒尺寸和提高韧性的目的。1.2 耐蚀钢筋钢筋锈蚀引起钢筋混凝土结构的过早破坏已经成为世纪各国普遍关注的一大灾害。1984年美国报道，仅就桥梁而

9、言，57.5万座钢筋混凝土桥，一半以上出现钢筋腐蚀破坏，当年的修复费为54亿美元；1988年，钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费，一年要2500亿美元，其中桥梁修复费为1550亿美元，是这些桥初建费用的4倍。加拿大早期大量使用除冰盐，使钢筋混凝土桥梁等破坏严重。欧洲、澳大利亚、海湾国家等，都有以氯盐为主的钢筋腐蚀破坏问题，其中英国修复费为每年50亿英镑。韩国曾发生一系列建筑物破坏、倒塌事件，其中很多也与“盐害”有关。我国交通部的统计报告表明，港口钢筋混凝土的建筑物寿命一般在10-15年，远低于设计50年标准。发达国家先后投巨资设立课题，研究开发了钢筋混泥土结构抗各种环境腐蚀的新材料。但是目前除涂层钢筋

10、、碳纤维钢筋和不锈钢钢筋外，还没有生产成本较低的耐蚀钢筋品种。板材品种的耐候钢、耐蚀钢的强度，一般在300MPa级水平，还没有达到400MPa水平。对冰盐、海盐、盐碱地等的“盐害”，还是重视不够、认识不深和措施不力。美国1933年研究成功耐候钢“Corten”钢，并投入市场进行销售；自1936年开始研制耐海水腐蚀钢，到1951年研制成功了“Mariner”钢，并于1964年投入市场进行销售。就耐海水腐蚀钢而言，从世界上产生第一个名牌钢号“Mariner”钢起，迄今已研制了几十年，钢号也不少。但是应用范围并不很广，产量也不很多。究其原因，是由于耐海水腐蚀钢的耐腐蚀性能受到某种程度的限制。因为影响

11、海水腐蚀的因素很多，诸如海水中氧的溶解量、盐分浓度、温度、流速、海生物、pH值、污染海水等，这些腐蚀因素不仅对钢在海水不同部位的四个带（飞溅带、潮差带，全浸带、海土带）的腐蚀影响不同，而且腐蚀机理各不相同。而且在不同的海域中，其腐蚀状况和腐蚀规律也各不相同，甚至差别很大。所以说，海水对钢的腐蚀情况非常复杂，而要求低合金高强度钢完全满足整个海洋各个海域、海水的四个带的耐腐蚀性能实在是很困难的。迄今为止，世界上还没有一个低合金耐海水腐蚀钢号能够全面达到这个要求。我国从1965年起开始研制耐海水腐蚀钢，但是通过鉴定和在鉴定后投入生产和在市场上销售的钢号和数量并不多。到目前为止，已通过鉴定的钢号有6个

12、，如10Cr2MoAlRE钢，08PVRE钢，09MnCuPTi钢，10MnPNbRE钢，10NiCuAs钢和10CrMoAl钢。通过技术鉴定的钢号为10CrMoCuSi钢，其中只有10MnPNbRE钢在1969年纳入了冶金部部颁标准，而且产量较大，主要用于钢板桩，其余鉴定转产的钢号（其中09MnCuPTi钢主要是耐大气腐蚀钢），除了少数用户因某项工程需要进行订货外，尚未推广开来。应用少，产量也少。目前世界上对于耐蚀钢筋的开发，基本上没有成功品种的公开报道，其主要原因是：钢筋混凝土为碱性环境，在服役过程中水泥会发生碳化过程而使混凝土pH值中性化。水泥的碱性环境有利于钢筋的保护，但是混凝土与外界

13、水汽、CO2等发生化学反应导致碳化过程，也是钢筋的腐蚀过程。因此这一过程十分复杂，与所处地理环境密切相关，加之海洋环境中的Cl-参与其中的化学反应，因此对科学研究造成很大困难，时至今日还没有明确的耐蚀钢筋品种和相应的技术标准。2 我国建筑用钢筋品种开发2.1 高强抗震钢筋我国现有钢筋分为热轧（冷拉）钢筋、中高强钢丝钢绞线及冷加工钢筋三类。国内外热轧钢筋的品种强度级别已渐趋统一，强度等级为300（335）MPa、400MPa、500MPa。400MPa级已成为主力受力钢筋。新修订的GB1499.2-2007钢筋混凝土用热轧带肋钢筋将细晶粒钢筋纳入标准之中，形成了HRBF335、HRBF400、H

14、RBF500系列钢筋，见表3。标准中明确列入细晶钢筋的系列品种，是明确鼓励企业采用新技术，减少能源和资源的消耗。 目前，对于钢筋的抗震性能指标的设定一直是有争议的研究课题，专家对不同抗震性能指标有着不同认识。对于建筑物的抗震性能可以从总体设计角度进行研究。但是，钢筋作为建筑物的“筋骨”，应当是在地震发生时，建筑物不发生垮塌的最后一道生命防线。从此角度分析，钢筋需要有强韧性和塑性，在保：证建筑物的牢固性的同时和可吸收地震带来的动载荷能量。GB1499.2-2007中有关钢筋抗震要求指标是：该类钢筋除应满足以下a）、b）、c）的要求外，其他要求与相对应的已有牌号钢筋相同。a）钢筋实测抗拉

15、强度与实测屈服强度之比R0m/R0el不小于1.25。b）钢筋实测屈服强度与规定的屈服强度特性值之比R0el/Rel不大于1.30。c）钢筋的最大力总伸长率Agt不小于9%。上面几项规定表明，a）项指标是要求钢筋从屈服段强度到缩颈失稳时的强度塑性变形阶段强度要有一定上升值，来保证建筑物局部塑性变形段有足够的强度保证安全；c）是塑性指标规定，钢筋的一定变形能力是建筑物不跨塌的关键；a）和c）指标共同决定了钢筋吸收变形能的能力。b）指标的规定是控制个别钢筋强度和整体建筑物强度在合理范围内的指标，来保证建筑物整体设计性能和局部性能的一致性。显然，上述三条均不能评估钢筋抵抗地震时剧烈晃动对建筑物中钢筋

16、所带来动载荷的冲击能量。是否需要引入韧性指标或是屈服点延伸率指标是需要深入研究的课题。目前在我国仍然还有学者认为，只有微合金化钢筋才具有抗震性能。需要指出的是细晶粒钢筋生产技术可以应用到所有类型的钢筋生产中，包括微合金化钢筋生产，同时可以降低微合金的单位用量，同时又能有效的提高各项性能，尤其是强韧性指标。我国自主开发的不同级别细晶粒钢筋的性能指标完全可以满足抗震性能指标的需要。2.2 耐蚀钢筋耐蚀钢筋品种的开发，涉及到品种、标准和建筑规范，是一个跨学科跨领域的联合研究。同时还涉及到耐蚀钢筋的检验评估方法等全新的研究开发领域。在金属材料腐蚀标准化方面，国际上以ISO为代表的已经公开出版的标准达6

17、0多项。美国等发达国家也已经建立了适合于本国国情的更加完善详细的材料腐蚀标准化体系。但集中在不锈钢腐蚀和镀层金属等方面。与钢筋腐蚀有关的检验方法只有欧洲和美国的两个试验方法标准：EN480-14-2006（混凝土、灰浆和水泥浆混合物试验方法用恒电势电化学试验法测定钢筋腐蚀敏感性的影响）和ASTM G109-1999（测定化学外加剂对暴露于氯化物环境下混凝土中预埋钢筋腐蚀作用的试验方法L这两个检验方法都包含了混凝土等外部介质，没有针对钢筋本身的快速评价。在国家项目支持下，钢铁研究总院联合中冶建筑研究总院有限公司、中国建筑科学研究院、冶金工业标准信息研究院、马鞍山钢铁公司、广州钢铁集团公司等单位初步完成了由品种开发到实验室检验耐蚀钢材方法研究、人工气候模拟实验研究、各项服役性能的检验研究、混凝土构件性能检验研究等多项研究。完成了耐工业大气环境腐蚀钢筋品种开发、耐海洋大气环境腐蚀钢筋品种的开发、耐工业大气环境腐蚀和耐海洋大气环境腐蚀钢筋腐蚀实验室检验方法研究开发。随着耐蚀钢筋品种开发的完成和相应检验方法标准的制定，尤其是耐海洋大气环境Cl-腐蚀钢筋品种开发完成，将结束目前国内外没有耐腐蚀钢筋品种和相应检验标准的局面。我国生产的耐蚀钢筋的化学成分和力学性能，完全满足国标GB1499中400MPa钢筋的各项性能指标要求。其耐腐蚀性能超过对比碳钢一倍。在