不銹鋼筋的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

李清富 王進(jìn)偉

不銹鋼筋的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

李清富 王進(jìn)偉

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001）

為解決惡劣環(huán)境條件下普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕難題，近年來，不銹鋼筋越來越受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注。本文在綜合國內(nèi)外相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題組前期的研究工作，著重介紹不銹鋼筋的國內(nèi)外研究進(jìn)展與應(yīng)用情況，為今后不銹鋼筋產(chǎn)品的研發(fā)和推廣應(yīng)用提供參考。

不銹鋼筋；不銹鋼筋混凝土；鋼筋銹蝕；研究進(jìn)展

鋼筋混凝土是目前世界上使用量最大的建筑材料，被廣泛應(yīng)用于水利工程、交通工程、港口工程、建筑工程等領(lǐng)域。其中，水利工程、港口工程及部分交通工程通常處于惡劣的環(huán)境中，這種環(huán)境下，混凝土中的鋼筋極易快速銹蝕，降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，甚至危及工程安全。為了解決鋼筋銹蝕問題，目前最常用的處理方法包括采用高性能混凝土、增大混凝土保護(hù)層厚度、混凝土表面涂層封閉、使用鋼筋阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋、陰極保護(hù)，等等。這些方法能在一定程度上延緩鋼筋銹蝕，但不能徹底解決鋼筋銹蝕的難題。近幾來興起的不銹鋼筋以其優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的力學(xué)性能、焊接性能、抗震性能等，可從根本上解決鋼筋銹蝕的問題。

1 不銹鋼筋簡(jiǎn)介

不銹鋼筋是由不銹鋼經(jīng)軋制而成的一種新型鋼筋。不銹鋼是指在大氣、淡水等弱腐蝕介質(zhì)及海水、酸性、堿性等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中都具有良好耐腐蝕性能的一類鋼。不銹鋼除了具有足夠的耐腐蝕性能外，還擁有良好的強(qiáng)度和塑性性能，同時(shí)擁有穩(wěn)定的力學(xué)性能，且焊接性能優(yōu)良［1］，不銹鋼的這些優(yōu)良性能主要由其化學(xué)成分決定［2］。不銹鋼是一種以鐵為主要元素，同時(shí)含有多種合金元素的高合金鋼。其中，合金元素主要包括鉻（Cr）、鎳（Ni）、碳（C）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、錳（Mn）、氮（N）、硅（Si）、鉬（Mo）、銅（Cu）、鋁（Al）、硫（S）、磷（P）等十幾種。鉻是不銹鋼中的首要合金元素，當(dāng)普通鋼中含鉻量達(dá)到并超過12%時(shí)，普通鋼的耐蝕性會(huì)發(fā)生突變，從不耐腐蝕狀態(tài)過渡到耐腐蝕狀態(tài)。鎳在不銹鋼中是僅次于鉻的合金元素，鎳與鉻的配合能顯著提高不銹鋼的耐蝕性，鎳的加入還改善了不銹鋼的高溫抗氧化性、焊接性能和力學(xué)性能。鉬也是不銹鋼中的重要合金元素，能顯著強(qiáng)化鉻的耐蝕性。碳能提高不銹鋼的強(qiáng)度、穩(wěn)定奧氏體區(qū)。鈦和鈮能先于碳與鉻結(jié)合，阻止晶間腐蝕的發(fā)生。錳和氮能促進(jìn)奧氏體的形成，而且可部分代替昂貴、稀少的鎳。硅能提高不銹鋼的抗氧化性和流動(dòng)性，但是，硅含量過高的不銹鋼，其焊接性能不佳。銅可提高不銹鋼在非氧化性介質(zhì)中的抗腐蝕能力。鋁可提高不銹鋼的抗氧化性。硫和磷在多數(shù)情況下被認(rèn)為是雜質(zhì)元素，特殊條件下能改善不銹鋼的性能，但應(yīng)用不多［2，3］。

不銹鋼筋的發(fā)展與其工程應(yīng)用息息相關(guān)。不銹鋼筋的工程應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代末40年代初，至今已經(jīng)經(jīng)歷了三次大的發(fā)展：不銹鋼筋的第一次發(fā)展開始于20世紀(jì)30年代末墨西哥Progreso Pier大橋的興建，這也是不銹鋼筋首次應(yīng)用在工程中。不銹鋼筋的第二次發(fā)展是在21世紀(jì)初的十年間。在這期間，不銹鋼筋的工程應(yīng)用迎來了第一次高潮。世界發(fā)達(dá)國家，尤其是西方國家，如英國、西班牙、意大利和美國等紛紛進(jìn)行了嘗試，在很多處于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下的工程中使用了不銹鋼筋。不銹鋼筋的第三次大發(fā)展是2010年之后至今的幾年。這次發(fā)展與第二次的主要區(qū)別在于不銹鋼筋應(yīng)用的國家和地區(qū)更廣，亞洲很多國家都開始在工程中尤其是一些重大的跨海工程中應(yīng)用不銹鋼筋，這說明工程界對(duì)不銹鋼筋的抗腐蝕性能信心十足。

2 不銹鋼筋研究現(xiàn)狀

阿賽洛公司在第五屆歐洲不銹鋼科學(xué)和市場(chǎng)大會(huì)上指出：作為混凝土增強(qiáng)件的不銹鋼筋的使用在世界上越來越多，對(duì)不銹鋼筋性能的研究日益迫切［4］。截至目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不銹鋼筋的抗腐蝕性能研究較多，而對(duì)不銹鋼筋混凝土受力性能研究較少，這阻礙了其在工程中的推廣應(yīng)用。

不銹鋼筋的早期研究可以追溯到20世紀(jì)后半葉，研究工作重點(diǎn)主要集中在不銹鋼筋的耐腐蝕性能方面。研究結(jié)果表明：不銹鋼筋的抗腐蝕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通碳素鋼筋，在惡劣環(huán)境中，不銹鋼筋的銹蝕速度是普通鋼筋的0.1%；在氯離子環(huán)境中，其能承受的氯離子濃度臨界值達(dá)到普通碳素鋼筋的7倍；不銹鋼筋不易銹蝕的特性對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件中混凝土的裂縫有明顯的延緩作用［5，6］。

2000年以后，不銹鋼筋的研究工作有了較大變化。首先是研究內(nèi)容的變化。在進(jìn)行不銹鋼筋耐蝕性研究的同時(shí)，開始有不少學(xué)者對(duì)不銹鋼筋混凝土構(gòu)件性能進(jìn)行研究，并取得了初步成果。比如，梁愛華、許永生［7，8］等對(duì)混凝土梁裂縫的研究表明，不銹鋼筋混凝土梁的裂縫和撓度計(jì)算可采用普通鋼筋混凝土梁的計(jì)算方法；Yihui Zhou［9］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不銹鋼筋具有良好的延性和抗疲勞破壞性能；趙峰、張志浩［10，11］等通過不銹鋼筋混凝土梁、柱抗震研究認(rèn)為，不銹鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能良好，不銹鋼筋可用于抗震設(shè)計(jì)；張穎［12］等通過對(duì)不銹鋼筋混凝土板疲勞性能的研究，認(rèn)為不銹鋼筋抗疲勞性能良好；李承昌等研究認(rèn)為表明，不銹鋼筋的力學(xué)性能優(yōu)異，尤其是其強(qiáng)度高、斷后伸長率大、冷彎性能好，但彈性模量偏低；李清富、耿會(huì)濤、李承昌等在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，給出了不銹鋼筋與混凝土粘結(jié)力的計(jì)算公式，并驗(yàn)證了平截面假定在不銹鋼筋混凝土梁中仍然適用［13-16］。其次是國內(nèi)學(xué)者對(duì)不銹鋼筋的研究高度關(guān)注，已經(jīng)做了不少研究工作。2000年以前，我國對(duì)不銹鋼筋的研究極少。最近幾年，不少高校、科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)開始對(duì)不銹鋼筋及其構(gòu)件進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究［14-18］，并取得了豐碩的研究成果，為不銹鋼筋在我國的推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 不銹鋼筋的應(yīng)用現(xiàn)狀

不銹鋼筋經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，已經(jīng)逐漸被建筑工程師們認(rèn)可并用于實(shí)際工程。不銹鋼筋在實(shí)際工程中良好的抗腐蝕表現(xiàn)也使工程師們對(duì)其信心倍增，其應(yīng)用頻率不斷提升，使用范圍也逐步擴(kuò)大。

不銹鋼筋首次應(yīng)用的工程是墨西哥的Progreso Pier大橋，該橋始建于1937年，建設(shè)過程歷時(shí)4年。該橋所在的地區(qū)屬于熱帶海洋環(huán)境，該環(huán)境對(duì)鋼筋有嚴(yán)重腐蝕性。設(shè)計(jì)師為了提高橋的耐久性，在橋墩部位使用了220t直徑為30mm的AISI304不銹鋼筋。在60余年的服務(wù)期內(nèi)，使用不銹鋼筋的橋墩沒有經(jīng)過一次維修，且檢查也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的劣化跡象［19-20］。

歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的侵蝕破壞，Progreso Pier大橋的成功引起了工程界的關(guān)注。21世紀(jì)初期的10年間，世界各國開始在很多工程中使用不銹鋼筋。英國于2000年建成并投入使用了Millennium Bridge，該橋使用了1.4462級(jí)不銹鋼筋；同年投入使用的還有西班牙北部城市畢爾巴鄂建設(shè)的Padre Arrupe Bridge，該橋在建設(shè)時(shí)使用了1.4362級(jí)不銹鋼筋。在西班牙梅諾卡島的Algendar河上有一座混凝土橋，經(jīng)過30余年的使用，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞，于2004年10月開工重新建造了CalaGaldana Bridge，該橋的兩條縱梁和橫梁及兩道平行拱等主體結(jié)構(gòu)都采用了1.4462級(jí)不銹鋼筋。英國霍利黑德于2006年投入使用的Celtic Gateway Foot Bridge使用了1.4362級(jí)不銹鋼筋。意大利的錫耶納建造了一座人行天橋Siena Bridge，該橋的主梁和橋塔使用了1.4162級(jí)不銹鋼筋，這是世界上第一座不銹鋼人行天橋。日本沖繩古宇利大橋是日本首次使用不銹鋼筋建設(shè)的工程，該橋連接沖繩本島和古宇利島，長約2km，兩側(cè)壁面的橫拉結(jié)構(gòu)材料使用了30t鎳系不銹鋼筋，于2006年竣工。2010年，在阿聯(lián)酋建成通車的Sheik ZayedBrige在支撐結(jié)構(gòu)中使用了1.4462級(jí)不銹鋼筋。

近年來，我國也在部分橋梁工程中開始使用不銹鋼筋，最著名的當(dāng)屬港珠澳大橋。港珠澳大橋是連接香港、珠海、澳門的超大型跨海通道，全長55km。港珠澳大橋設(shè)計(jì)時(shí)面臨幾個(gè)技術(shù)難題：大橋所處環(huán)境濕度大、氯離子濃度高達(dá)1.076～1.700mg/L，且臺(tái)風(fēng)較多。在這樣嚴(yán)酷的環(huán)境下，還要滿足港珠澳大橋120年使用壽命的要求，設(shè)計(jì)方?jīng)Q定采用抗腐蝕性能優(yōu)異的不銹鋼筋，這是首次在國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)中使用不銹鋼筋，也是首次在國內(nèi)建設(shè)的橋梁上使用國內(nèi)生產(chǎn)的不銹鋼筋。在港珠澳大橋設(shè)計(jì)中，不銹鋼筋主要用于橋面以下受海水腐蝕影響較重的部位，如墩身、承臺(tái)、塔座、橋臺(tái)、支座墊石等。歷時(shí)4年，2016年9月27日，港珠澳大橋主體橋梁正式貫通［21］。國內(nèi)使用不銹鋼筋的工程還有香港昂船洲大橋、香港斜坡工程、香港灣仔道路工程［22］、浙江臺(tái)州的園里溪橋加固工程、廣西壯族自治區(qū)的紅樹林大橋［22］等。

4 結(jié)論與展望

半個(gè)多世紀(jì)以來，關(guān)于不銹鋼筋耐腐蝕性能的研究和工程應(yīng)用表明，不銹鋼筋的耐腐蝕性能可從根本上解決惡劣環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕問題，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。同時(shí)，不銹鋼筋的力學(xué)性能、焊接性能、抗震性能良好，能滿足混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋的要求。但是，不銹鋼筋的基本力學(xué)性能和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與普通鋼筋存在明顯差異，因此，迫切需要對(duì)不銹鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能和計(jì)算理論進(jìn)行研究。

目前，我國提出了“海上絲綢之路”的發(fā)展戰(zhàn)略，勢(shì)必會(huì)有很多港口、橋梁等需要建設(shè)，且這些工程大都處于海水腐蝕環(huán)境中，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求高，采用不銹鋼筋將是良好的選擇。因?yàn)椴讳P鋼筋具有良好的力學(xué)性能，取代普通鋼筋用于混凝土結(jié)構(gòu)中不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的承載能力，更重要的是，不銹鋼筋具有良好的耐腐蝕性，極大延長橋的結(jié)構(gòu)壽命，節(jié)省大量的后期維修費(fèi)用。同時(shí)，與其他防腐蝕方法相比，施工更加簡(jiǎn)單、便捷，防腐效果更高?？梢灶A(yù)料，不銹鋼筋將會(huì)在惡劣腐蝕環(huán)境下的結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛應(yīng)用。

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Research Progress and Application of Stainless Steel

Li Qingfu Wang Jinwei
（College of Environment and Water Conservancy,Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Stainless steel which can help solve the problem of rebar corrosion of reinforced concrete struc?ture in severe environmental conditions has attracted more and more attention of both domestic and foreign researchers in recent years.This paper was based on the worldwide research achievements,in the mean?time,combined with the previous work of our research group,and emphatically introduced the development and application of stainless steel.The essay would also provide reference for the development and promo?tion of stainless steel products in the future.

stainless steel bars；stainless steel reinforced concrete；rebar corrosion；research progress

U445.57

A

1003-5168（2017）10-0107-03

2017-09-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：51679220）

李清富（1966-），男，博士，教授，研究方向：工程安全性與耐久性。