復(fù)合軋制工藝在鋼筋耐腐蝕領(lǐng)域的研究和應(yīng)用

何琴琴

1.復(fù)合鋼筋產(chǎn)生的背景

相關(guān)研究表明，鋼筋腐蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的第一因素，提高鋼筋自身的耐腐蝕性能是防止、延緩建筑鋼筋腐蝕的最有效方法。因此，國(guó)內(nèi)外在普通碳素鋼筋的基礎(chǔ)上相繼開發(fā)了環(huán)氧樹脂涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋和不銹鋼鋼筋等，并在相關(guān)工程中大量使用。見表1。

早在上個(gè)世紀(jì)初期，不銹鋼鋼筋就已經(jīng)在世界范圍內(nèi)開發(fā)并在橋梁、建筑物、道路等建設(shè)中使用。1937-1941年，墨西哥建成了世界上第一座使用304不銹鋼鋼筋的橋梁，至今完好無損。由此可見，不銹鋼鋼筋的耐腐蝕性能優(yōu)良。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不銹鋼材質(zhì)也在不斷的更新?lián)Q代，從300系列奧氏體不銹鋼到2101、2205、2304雙相不銹鋼等。

我國(guó)相關(guān)部門于2004年5月提出：在特別嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境下，要求確保百年以上使用年限的特殊重要工程，可選用不銹鋼鋼筋[1]。這是我國(guó)對(duì)不銹鋼鋼筋應(yīng)用的首次許可。我國(guó)GB50153-2008《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，鐵路橋涵結(jié)構(gòu)和公路橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。2017年我國(guó)頒布了首個(gè)混凝土用不銹鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 33959-2017《鋼筋混凝土用不銹鋼鋼筋》。

近年來，我國(guó)部分跨海大橋工程已開始使用不銹鋼鋼筋代替普碳鋼筋，如2003年開工建設(shè)的深圳灣跨海大橋和昂船洲大橋，中外層鋼筋都使用不銹鋼鋼筋。2009年開工建設(shè)的港珠澳跨海大橋，使用的是2205雙相不銹鋼鋼筋。

但純不銹鋼鋼筋雖然具有優(yōu)良的耐蝕性能，同時(shí)也存在強(qiáng)度低、成本高等問題，推廣應(yīng)用難度較大。因此尋求具有不銹鋼鋼筋的耐腐蝕性能、成本低廉、強(qiáng)度還高于不銹鋼鋼筋的材料，是人們迫切追求的目標(biāo)，對(duì)各種耐腐蝕復(fù)合鋼筋的研發(fā)也成為必然。不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋作為新型的復(fù)合材料，具有耐腐蝕和綜合力學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)，因而成為工程材料的研究熱點(diǎn)。不銹鋼覆層鋼筋結(jié)合了耐腐蝕、高強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，為橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和使用，提供了新的材料和思路。

表1 各種鋼筋混凝土建筑物的使用壽命

2.不銹鋼覆層鋼筋的設(shè)計(jì)開發(fā)

不銹鋼覆層鋼筋是指內(nèi)層為普碳鋼，外層包覆不銹鋼，通過各種加工方法，使兩層金屬達(dá)到冶金結(jié)合的一種新型鋼筋。

1982年國(guó)外便提出了不銹鋼/碳鋼復(fù)合棒材的概念，即在碳鋼外層包裹一層不銹鋼。隨后美國(guó)、日本等國(guó)爭(zhēng)相展開了對(duì)不銹鋼覆層鋼筋的研究。上世紀(jì)末，國(guó)外有企業(yè)突破了不銹鋼、碳鋼復(fù)合鋼筋復(fù)合技術(shù)和成本方面的瓶頸，開發(fā)出了以鐵屑為內(nèi)芯，不銹鋼做外層的復(fù)合鋼筋產(chǎn)品，隨后不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋的各種產(chǎn)品逐漸推廣，并應(yīng)用到海港建筑、濱海電站建筑、海岸堤壩建筑、海洋隧道、橋梁建筑和海上油氣田陸地終端等領(lǐng)域[1]。

與國(guó)外不同，我國(guó)至今僅有少數(shù)科研院所及企業(yè)對(duì)不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋進(jìn)行研究和生產(chǎn)，一方面存在著復(fù)合率與成本方面的困擾，限制了產(chǎn)品的推廣及研發(fā)，另一方面國(guó)內(nèi)習(xí)慣于傳統(tǒng)的防腐蝕方法，但忽視了這些傳統(tǒng)方法存在的局限性。

2.1 耐腐蝕不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋的性能研究

不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋是一種芯部為普通碳素鋼，外部覆層為不銹鋼，利用加工工藝使兩部分金屬達(dá)到冶金結(jié)合的一種性能優(yōu)越的鋼筋。其力學(xué)機(jī)械性能基本由芯部碳鋼決定，熱傳導(dǎo)系數(shù)和磁性等物理性能與普通鋼筋相似。國(guó)外研究者對(duì)不銹鋼覆層鋼筋的耐腐蝕性能進(jìn)行了大量研究，結(jié)果顯示在模擬海水環(huán)境下，不同鋼筋的耐蝕性能如下：316≈Stelax（不銹鋼覆層鋼筋）＞2201＞MMFX-II?＞3Cr12＞Black Bar（普通碳鋼）。不銹鋼覆層鋼筋屈服強(qiáng)度比316純不銹鋼鋼筋提高50%，耐腐蝕性能與316純不銹鋼鋼筋相當(dāng)，能滿足工程建筑100年耐久性設(shè)計(jì)壽命的需求。

2.2 耐腐蝕不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋主要的生產(chǎn)工藝

目前，研究比較多的不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋生產(chǎn)工藝主要有五種：a.噴射沉積+軋制復(fù)合[2]；b.中間層液相擴(kuò)散復(fù)合[3]；C.拉拔+旋轉(zhuǎn)減徑機(jī)軋制復(fù)合[4]；d.廢鐵屑、不銹鋼的壓縮結(jié)合+軋制復(fù)合[5]；e.焊接+軋制復(fù)合。較有前途的方法是采用碳鋼屑或者碳鋼棒作為碳鋼芯，采用軋制復(fù)合方式，生產(chǎn)覆層鋼筋。

2.3 不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋的生產(chǎn)需要解決的問題

2.3.1雙金屬表面復(fù)合狀況

衡量不銹鋼覆層鋼筋質(zhì)量好壞的最重要的指標(biāo)是不銹鋼與碳鋼的復(fù)合狀況。

不銹鋼覆層鋼筋生產(chǎn)工藝要經(jīng)過多道次孔型軋制過程，會(huì)產(chǎn)生側(cè)向拉應(yīng)力。在拉應(yīng)力的作用下，容易導(dǎo)致碳鋼和不銹鋼界面結(jié)合強(qiáng)度降低，在使用中容易出現(xiàn)腐蝕的缺陷。

在雙金屬材料軋制時(shí)，除要考慮應(yīng)力對(duì)復(fù)合狀況的影響外，還要考慮塑性應(yīng)變對(duì)兩金屬?gòu)?fù)合狀況的影響，需要盡量減少不銹鋼與碳鋼接觸處的變形不同步造成的兩者之間的相對(duì)滑動(dòng)。一方面，由于碳鋼的變形抗力較不銹鋼小，更容易變形；另一方面，不銹鋼與軋輥接觸傳遞大量熱量，使不銹鋼層溫度低于內(nèi)部碳鋼溫度，增大了不銹鋼的變形抗力，造成兩者變形的不同步性。因此，除了孔型設(shè)計(jì)還需要考慮采用什么樣的軋制條件，來增強(qiáng)兩者的冶金結(jié)合。

2.3.2不銹鋼壁厚均勻性

由于采用孔型軋制，如果孔型設(shè)計(jì)不合理則易產(chǎn)生不銹鋼壁厚不均勻，影響不銹鋼外部覆層復(fù)合鋼筋的使用性。不銹鋼覆層鋼筋軋制中，末道次圓形截面軋件的不銹鋼覆層厚度的均勻程度，是衡量不銹鋼覆層鋼筋產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。軋件成品中，不銹鋼層的最小厚度是覆層鋼筋不銹鋼層的有效壁厚，若橫斷面上不銹鋼層最大厚度與最小厚度之間的差值較大，則相對(duì)來說浪費(fèi)了不銹鋼原料，這是由于覆層鋼筋的抗蝕性是以不銹鋼的最小厚度為基準(zhǔn)的。因此，在相同抗蝕性能下，不銹鋼層的厚度越均勻，則生產(chǎn)此種規(guī)格的產(chǎn)品所用的不銹鋼管原料初始厚度越小，也利于節(jié)約成本。因此，還需進(jìn)一步研究采取何等措施，使末道次不銹鋼壁厚更加均勻。

燕山大學(xué)的研究認(rèn)為：合理的初始軋制溫度及前兩道次的大壓下軋制，有利于兩金屬的冶金結(jié)合，合理的軋制速度，有利于不銹鋼覆層壁厚分布的均勻性。

3.國(guó)內(nèi)外不銹鋼覆層鋼筋產(chǎn)品現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外不銹鋼覆層鋼筋產(chǎn)品

目前，具備工業(yè)化生產(chǎn)不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋的廠商主要有NXInfrastructure Limited 和Stelax Industries Ltd.[6]，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于美國(guó)市場(chǎng)。這兩家公司采用的工藝類似，采用熱軋復(fù)合的方法，碳鋼內(nèi)芯是由廢鋼屑通過固態(tài)熔合技術(shù)，在全自動(dòng)連續(xù)廢鋼處理設(shè)備上轉(zhuǎn)換而成。不銹鋼管是由不銹鋼卷通過焊管機(jī)焊接而成，將處理后的廢鋼屑與不銹鋼鋼管在全自動(dòng)產(chǎn)品壓力機(jī)上壓合，利用現(xiàn)有的熱軋小型材生產(chǎn)工藝過程，通過熱軋，將上述復(fù)合坯料軋制成不銹鋼復(fù)合螺紋鋼筋，實(shí)現(xiàn)不銹鋼和內(nèi)部碳鋼的結(jié)合。其中Stelax工業(yè)公司已經(jīng)形成了多項(xiàng)專利技術(shù)，并將其專利產(chǎn)品稱之為NUOVINOX鋼筋。

廢鐵屑、不銹鋼的壓縮結(jié)合+軋制復(fù)合生產(chǎn)復(fù)合鋼筋的方法，不僅在國(guó)外一些鋼鐵公司有一定的研究和生產(chǎn)實(shí)踐，工藝技術(shù)相對(duì)較成熟，而且在成本控制上具有一定的優(yōu)勢(shì)，只需要在現(xiàn)有的鋼筋生產(chǎn)線上，添加一套廢鋼處理設(shè)備、全自動(dòng)壓力機(jī)和配套設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)。相對(duì)來說，這是一種比較合理、較易實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)工藝。

國(guó)外企業(yè)采用該工藝生產(chǎn)的各種產(chǎn)品慢慢地推廣并應(yīng)用到海港建筑、濱海電站建筑、海岸堤壩建筑、海洋隧道、橋梁建筑和海上油氣田陸地終端等領(lǐng)域。

3.2 國(guó)內(nèi)不銹鋼覆層鋼筋產(chǎn)品

2015年，湖南三泰新材料股份有限公司（下文簡(jiǎn)稱“湖南三泰”）在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出凈界面復(fù)合方法，開發(fā)出一種凈界面復(fù)合制坯后熱軋成形制備不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋的新工藝。該工藝將表面處理后的碳鋼與內(nèi)表面處理后的不銹鋼管套裝，經(jīng)抽真空處理及等離子焊接，制成復(fù)合坯料，再經(jīng)形性協(xié)同工藝熱軋成形[6]。同年形成專利CN105150608：一種不銹鋼／碳鋼雙金屬螺紋鋼及其復(fù)合成型工藝。

2016年，湖南三泰新材生產(chǎn)了首批耐腐蝕不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋，芯材采用l2米長(zhǎng)HRB400碳鋼連鑄坯。覆層采用3l6不銹鋼鋼管，采用凈界面組坯技術(shù)，將不銹鋼覆層與碳鋼芯復(fù)合制成復(fù)合鋼坯，鋼坯經(jīng)加熱爐加熱至1150℃后出爐，在18機(jī)架連軋機(jī)上，經(jīng)形性協(xié)同變形軋制工藝，軋制成10mm的帶肋鋼筋。

項(xiàng)目組采用普通碳素鋼筋、與自制的316不銹鋼覆層鋼筋制成鋼筋混凝土試樣，在普通室外環(huán)境中放置3年后，普通碳素鋼筋表層已完全銹蝕，周圍混凝土出現(xiàn)了寬度約1mm的裂紋，不銹鋼覆層鋼筋未發(fā)生肉眼可見的腐蝕，與周圍混凝土結(jié)合牢靠。

2018年，鋼筋混凝土用熱軋?zhí)妓劁?不銹鋼復(fù)合鋼筋國(guó)標(biāo)發(fā)布后，柳鋼展開了不銹鋼復(fù)合鋼筋的研究與開發(fā)。柳鋼與湖南三泰新材料股份有限公司合作，完成了不銹鋼復(fù)合鋼筋坯料的技術(shù)開發(fā)，通過控制真空度以及冷卻速度等變量，獲得結(jié)合質(zhì)量?jī)?yōu)異的復(fù)合界面，設(shè)計(jì)了適用于不銹鋼復(fù)合鋼筋軋制的新孔型，研究制定了最優(yōu)的不銹鋼復(fù)合鋼筋軋制方案。

2020年，柳鋼棒線型材廠軋制的首批φ25mm不銹鋼復(fù)合鋼筋下線。經(jīng)檢測(cè)，成品表面質(zhì)量良好、屈服強(qiáng)度高于445MPa、抗拉強(qiáng)度超645MPa、最大力總伸長(zhǎng)率大于16%以上等各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良，均符合GB/T36707-2018鋼筋混凝土用熱軋?zhí)妓劁?不銹鋼復(fù)合鋼筋標(biāo)準(zhǔn)。

4.不銹鋼覆層鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)

4.1 滿足100 年工程需求

不銹鋼覆層鋼筋力學(xué)性能與芯部碳素鋼筋相當(dāng)，表層不銹鋼與芯部碳鋼冶金結(jié)合質(zhì)量良好，能有效保證覆層鋼筋的耐腐蝕性能，滿足工程建筑100年耐久性設(shè)計(jì)壽命的需求。

4.2 全壽命周期綜合成本優(yōu)勢(shì)

不銹鋼覆層鋼筋材質(zhì)80%為碳素鋼，價(jià)格不到不銹鋼鋼筋的50%，工程成本降低；優(yōu)良的耐腐蝕性能使得混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度、表面涂層、鋼筋阻銹劑等的用量降低或取消，施工難度降低。因此，在工程全壽命周期內(nèi)，其綜合成本具有顯著優(yōu)勢(shì)。

4.3 沿海及鹽堿地地區(qū)路橋、隧道建設(shè)施工簡(jiǎn)單

沿海地區(qū)及海島上，海拌海養(yǎng)是混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向，采用不銹鋼覆層鋼筋作為海工混凝土結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)材料，無需特殊處理，可以直接采用珊瑚礁、砂集料、海水拌養(yǎng)混凝土，施工簡(jiǎn)單、效率高。在北方鹽堿地地區(qū)，采用不銹鋼覆層鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)，同樣可以就地取材，直接利用當(dāng)?shù)氐纳呈八窗柚苹炷粒瑫r(shí)能保證混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及耐久性需求。

4.4 維護(hù)成本優(yōu)勢(shì)

不銹鋼覆層鋼筋擁有與純不銹鋼相當(dāng)?shù)哪透g性能，混凝土結(jié)構(gòu)中使用不銹鋼覆層鋼筋后，可從根本上解決鋼筋腐蝕導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)失效問題，使整個(gè)工程建筑基本免于維護(hù)，大幅降低了工程結(jié)構(gòu)的維護(hù)、維修費(fèi)用[6]。

5.不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋的推廣和應(yīng)用

由于鋼筋腐蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞，已成為令全世界困擾的難題。現(xiàn)有的耐腐蝕鋼筋很難滿足實(shí)際工程的應(yīng)用，新型耐腐蝕鋼筋的開發(fā)勢(shì)在必行。

在追求資源節(jié)約、環(huán)境友好的新型工業(yè)化背景下，耐腐蝕不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋的開發(fā)與應(yīng)用意義重大，具有節(jié)約W、Mo、Ni、V等貴重金屬的用量，對(duì)環(huán)境友好、不產(chǎn)生新的環(huán)境污染，能獲得優(yōu)良耐蝕性及力學(xué)性能，有很高的性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)，是耐蝕鋼筋發(fā)展的重要方向。有望在橋梁、公路及海洋工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，具有廣闊前景。目前，我國(guó)的不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋還未進(jìn)入批量化生產(chǎn)和應(yīng)用，不銹鋼/碳鋼復(fù)合鋼筋的應(yīng)用還需要多方面的配合與推動(dòng)。

可喜的是，由湖南三泰新材料股份有限公司、中冶建筑研究總院有限公司、鋼鐵研究總院等單位聯(lián)合起草的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36707—2018《鋼筋混凝土用熱軋?zhí)妓劁摗讳P鋼復(fù)合鋼筋》，已于2018年9月17日正式頒布，2019年6月1日實(shí)施，為我國(guó)不銹鋼覆層鋼筋的推廣和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。當(dāng)然，這還需要結(jié)合與之相關(guān)的鋼筋混凝土用鋼試驗(yàn)方法、冶金技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值修約與檢測(cè)數(shù)值的判定，以及熱軋帶肋鋼筋金相組織檢驗(yàn)，建立完善的綜合評(píng)價(jià)體系，來開展產(chǎn)品的推廣應(yīng)用與實(shí)際工程檢驗(yàn)，從而更好地推動(dòng)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化及產(chǎn)品的升級(jí)。