钢筋混凝土用碳素钢-纤维增强复合材料复合钢筋

1概述

钢筋作为主要的建筑用钢材，一直占据我国钢材生产的较大比重。随着社会进步，人们对建筑物的安全性能和使用寿命等提出越来越高的要求。钢筋混凝土结构物破坏的主要原因是钢筋的锈蚀、混凝土保护层的碳化和氯离子侵入。美国每年由于氯盐腐蚀所造成的经济损失可占到GDP的4%，与钢筋腐蚀相关的腐蚀损失占总腐蚀损失的40%-50%。2016年纽约州安排的桥梁涵洞维护费用高达2亿美元。在我国，许多海港、码头的混凝土结构同样发生过腐蚀的情况。例如1956年建成的湛江码头，1963年明显腐蚀破坏并开始修复，1979年检查钢筋胀裂21%，1988年检查钢筋胀裂91%并于当年拆除。1981年建成的北仑港码头、引桥，1987年开始修复钢筋胀裂69%-100%。

为适应混凝土结构提高建筑物长寿命的要求，我国已经在结合美国、欧洲等国家和地区先进标准、以及我国钢筋产品研究和应用的基础上制定了环氧树脂涂层钢筋、耐腐蚀钢筋、锌铝合金镀层钢筋、不锈钢钢筋等具有耐蚀耐候性能的钢筋产品标准。

以美国为代表的发达国家，一直非常重视具有耐蚀、耐候钢筋产品的发展和应用。表1示出了美国钢筋的发展过程，即从普碳钢到涂层保护，再到不锈钢、合金钢和覆层钢筋。

众所周知，不锈钢具有良好的力学性能和抗锈蚀性。如304不锈钢耐海水腐蚀能力约为普通碳钢的1000倍左右。在海水腐蚀环境下，304不锈钢钢筋混凝土寿命约为普通钢筋混凝土的10倍左右，但其生产成本过高，价格昂贵，约为普通碳素钢筋的6-10倍。受不锈钢主要合金Cr、Ni等元素资源限制，加之价格昂贵，在一定程度上制约了不锈钢钢筋的广泛使用。而采用普通钢筋为基材、覆盖层为不锈钢的复合钢筋，既能降低成本又能保证材料的耐蚀性能。研究表明，碳素钢-不锈钢复合钢筋的允许锈蚀界限比普通碳素钢筋的界限值大24倍。采用碳素钢做基材、304或316等不锈钢做覆层通过热轧而成的复合钢筋，两种金属之间可达到冶金结合状态，能满足在使用过程中不锈钢与碳钢不分离。同时，不锈钢的重量占总重量的10%-20%，造价仅为实心不锈钢筋的25%左右，既能充分发挥不锈钢的防腐性能，又降低了采用全不锈钢的成本，同时还在很大程度上延长了建筑的寿命。

2013年发布的《国务院关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》中明确提出“实施绿色建材工程，制修订相关标准规范，提高建筑用钢使用标准，带动产品升级换代”。2014年印发的《关于印发关键材料升级换代工程实施方案的通知》提出，到2016年推动新一代海洋工程等产业发展急需的海水拌养混凝土等重点新材料实现批量稳定生产和规模应用。海岛建设中，海拌海养钢筋混凝土工程面临的一个问题就是钢筋的耐腐蚀性能。中国制造2025中也提出了“强化产品全生命周期绿色管理”、“支持企业开发绿色产品，显著提升产品节能环保低碳水平，引导绿色生产和绿色消费”等要求。在这种背景下，钢筋混凝土用钢分委员会向国家标准化管理委员会申报了《钢筋混凝土用热轧碳素钢-不锈钢复合钢筋》国家标准项目并获得立项。

2标准主要技术内容

2.1编制原则

本标准以采用国际标准和国外先进标准、力争达到“科学、合理、先进、实用”以及与国家标准体系协调一致为原则。经查阅，国外只有美国国家道路与交通协会发布了AASHTO MP13M/ MP13《混凝土加固用光圆及变形不锈钢复合钢筋》标准，欧洲、日本等未查阅到不锈钢复合钢筋相关标准。对于基材材料主要参考我国GB/T 1499.1《钢筋混凝土用钢 第1部分：热轧光圆钢筋》、 GB/T 1499.2《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》，对于覆层主要参照GB/T 20878《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》等标准，同时参考了美国ASTMA955/A955M、ASTMA959、ASTM A1035等标准。

2.2标准名称及范围

本标准涉及的产品是不锈钢与碳钢（或低合金钢）双金属复合钢筋，表层为不锈钢，基材为碳素钢或低合金钢。GB/T 1499.1中规定的300MPa级光圆钢筋属于碳素钢范畴，GB/T 1499.2及报批稿中规定的热轧带肋钢筋产品属于低合金钢范畴。钢筋的生产采用经过加工的圆钢和不锈钢钢管通过特定的工艺复合在一起达到冶金结合的状态后，再进入轧线进行热轧。因此，标准命名为：钢筋混凝土用热轧碳素钢-不锈钢复合钢筋，其适用范围为：以不锈钢做覆层、碳素钢（或低合金钢）做基材通过热轧生产的碳素钢-不锈钢复合钢筋。

2.3分类、牌号

因复合钢筋主要是以GB/T 1499.1、GB/T 1499.2 中规定的钢筋作为基材与不锈钢进行复合，因此标准规定的强度级别与上述标准保持一致，即：钢筋按屈服强度特征值等级分为300、400、500级。虽然600级已经包括在GB/T 1499.2的报批稿中，但该标准尚未批准发布，同时考虑到该级别的钢筋目前尚无更多的应用数据支撑，因此本标准暂时未纳入该级别。因此标准形成了HPB300SC、HRB400SC、HRB500SC的强度系列（SC分别为Stainless和Compound的首字母）。对于抗震级别的钢筋，本次也没有纳入，主要是考虑到此类产品属于新研发产品，待有足够数量的应用数据后再考虑纳入。

2.4公称直径范围、尺寸、外形及允许偏差

因复合钢筋主要是GB/T 1499.1、GB/T 1499.2中规定钢筋作为基材与不锈钢进行复合，同时考虑到混凝土结构设计规范中对应用规格和尺寸的要求，标准中对产品的公称直径范围、尺寸、外形及允许偏差均与GB/T 1499.1、GB/T 1499.2保持一致。

2.5技术要求

2.5.1牌号和化学成分

主要采用GB/T 1499.1、GB/T 1499.2中规定的材料作为基材与不锈钢进行复合，因此基材成分按照GB/T 1499.1、GB/T 1499.2的规定。

对于不锈钢覆层的牌号及化学成分，根据实际生产情况从GB/T 20878中牌号选择了部分牌号，见表2。本标准覆层所采用的比较典型的不锈钢牌号。其中304、304L、316和316L牌号属于奥氏体不锈钢，2205 牌号属于奥氏体-铁素体双相不锈钢。美国 AASHTO MP13M/MP-13规定覆层不锈钢只有316和316L两个牌号，本标准比该美国标准增加了304、304L、2205三个牌号。

304不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性、韧性、低温强度和机械特性；良好的冲压、弯曲等热加工性，无热处理硬化现象（使用温度-196～800℃）；良好的加工性能和可焊性。304不锈钢适合用于建材、化学、食品加工、家庭用品、汽车配件、医疗器具、船舶部件等领域。

304L是碳含量较低的304不锈钢的变种，更适用于有焊接需要的场合。较低的碳含量使其在焊缝热影响区附近所析出的碳化物减至最少，而碳化物的析出可能导致不锈钢在某些环境中产生晶间腐蚀（焊接侵蚀）。

316、316L不锈钢因添加Mo元素，使其耐蚀性和高温强度有较大的提高，耐高温可达到1200-1300℃，可在苛酷的条件下使用。耐腐蚀性能优于304不锈钢，而且316、316L不锈钢还耐海洋和侵蚀性工业大气的侵蚀。因此在侵蚀性严重的工业或海洋大气中，最好采用316、316L不锈钢。316L是碳含量较低的316不锈钢的变种。为获得最佳的耐腐蚀性能，316不锈钢的焊接断面需要进行焊后退火处理，而使用316L不锈钢，则无需进行焊后退火处理。

2205属于奥氏体-铁素体双相不锈钢，具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的整体和局部的抗应力腐蚀能力。2205双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的2倍，采用2205牌号不锈钢做覆层可减少钢筋强度损失。另外，2205双相不锈钢耐应力侵蚀破裂的能力比奥氏体不锈钢更高，尤其在含氯离子环境中；耐磨损侵蚀和疲惫侵蚀性能优于奥氏体不锈钢；比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适宜与碳钢衔接，因此更适宜做复合钢筋的覆层。

为了满足不同用户可能对其他覆层不锈钢牌号的需求，标准中增加了需方可以选择其他耐蚀性能更好的覆层牌号。

2.5.2力学性能

力学性能各项指标与GB/T 1499.1、GB/T 1499.2保持一致。钢筋的屈服强度Rel、抗拉强度Rm、断后伸长率A、最大力总伸长率Agt等力学性能特征值要求见表3。

2.5.3覆层要求

1）覆层厚度

本标准规定的不锈钢覆层厚度为不低于180μm。这主要是考虑到覆层太厚，会造成不必要的浪费，且钢筋强度损失也会增大；覆层太薄，钢筋在生产、装运、加工和使用过程中容易因轻微碰撞、刮擦损伤而露出基材，或不能抵御腐蚀环境的侵蚀而失去抗腐蚀能力。美国AASHTO MP 13M/MP-13标准规定覆层厚度检测值90%的数据不应小于175μm，最低检测值不能小于120μm。本标准规定钢筋不锈钢覆层厚度比美国AASHTO MP 13M/MP-13标准要严。从我国目前生产的不锈钢复合钢筋产品实物质量和相关检测数据来看，本标准所规定的不锈钢覆层厚度是可以保证钢筋耐蚀性能的。

2）覆层结合性

因为钢筋在应用过程中，不可避免地要进行弯折，对于普通钢筋通常要求弯折后无裂纹等即可，但对于复合材料而言就要求更严格一些，通常要求钢筋经拉伸、弯曲、切断后，除了不能出现裂纹等，还不应出现基材和覆层脱落、分层等剥离现象，如图1和图2所示。因此标准中规定：钢筋经拉伸试验、弯曲试验后其断面或弯折变形部位覆层与基材结合界面应无剥落和目视可见分层。

2.5.4钢筋耐蚀性能

不锈钢复合钢筋除了要满足力学性能外，另一项重要的考核指标就是耐腐蚀性。美国AASHTO MP 13M/MP-13标准对不锈钢复合钢筋的耐蚀性没有做要求，只规定不锈钢覆层厚度不低于规定要求就可以了。本标准规定的不锈钢覆层厚度比美国AASHTO MP13M/MP-13标准要严。但考虑到GB/T 8165-2008《不锈钢复合钢板和钢带》和GB/T 33959-2017《钢筋混凝土用不锈钢钢筋》都要求按GB/T 4334-2008的方法E做晶间腐蚀试验。因此标准中规定，除铁素体型覆层钢筋外，其他覆层钢筋交货状态按GB/T 4334-2008的方法E进行晶间腐蚀试验。试验时钢筋两端横切面上应涂上防护层（如环氧树脂）。试验结果除横切面外，钢筋表面不得有因腐蚀产生的漏点和晶间腐蚀裂纹。

3结束语

本标准在参考美国AASHTO MP 13M/MP-13、ASTM A955、ASTM A959、ASTM A1035等标准和我国GB/T 1499.1、GB/T 1499.2、GB/T 20878等标准的基础上，对复合钢筋的基材和覆层牌号、力学性能、尺寸偏差、覆层厚度、基材和覆层结合性能、耐腐蚀性能等关键技术指标均进行了规定，指标充分反映了我国目前不锈钢复合钢筋的实际水平。本标准的制定，不仅会促进我国耐腐蚀钢筋的生产和推广应用，也会为提升海工混凝土工程、道路桥梁等建筑物的使用寿命和安全性，降低维护成本奠定材料基础。本标准实施后，将会对促进我国绿色长寿命钢筋的推广应用、推动钢铁和建筑两个行业的技术进步起到积极作用。（刘宝石 向勇）

本文摘选自本报2017年第47期B10部分内容，若要详细了解更多相关行业和技术信息，请关注本报纸质报纸每期A版和B版内容，或者登陆本报手机APP客户端，或者本报网站新址：http://www.worldmetals.com.cn/电子报阅读全文。转载请注明出处。

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