低合金化耐腐蝕鋼筋現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

何琴琴

1.低合金耐腐蝕鋼筋開發(fā)的必要性

在全球范圍內(nèi)，按照重要性排列，鋼筋腐蝕、寒冷氣候下的凍害以及侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用是使混凝土發(fā)生破壞的根本原因，鋼筋銹蝕被稱為“混凝土耐久性危機(jī)”。氯離子的侵入是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的直接原因。

在我國沿海一帶的海洋環(huán)境、海砂混凝土、道路化冰（雪）鹽、鹽湖鹽堿地、工業(yè)環(huán)境等以及以氯鹽為介質(zhì)的腐蝕環(huán)境中，有大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用，其氯鹽腐蝕比較嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年有大量的橋梁、海港碼頭、公路、鐵路及沿海岸民用建筑等建筑物，由于遭受到氯離子的侵蝕和混凝土的碳化，而使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早失效，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我國沿海地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在投入使用10～15年后就普遍發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕破壞，有的僅5～10年。鹽湖地區(qū)普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命僅2～3年。

混凝土中侵蝕介質(zhì)的傳輸速率及鋼筋自身的耐腐蝕性，共同決定了鋼筋的腐蝕進(jìn)程。事實(shí)上，侵蝕介質(zhì)作用和各種因素影響是引起鋼筋銹蝕的“外因”，而鋼筋自身耐蝕性不足則是“內(nèi)因”。

由于鋼筋腐蝕帶來了巨大損失，因此各界廣泛重視，紛紛開展各種建筑結(jié)構(gòu)抗腐蝕性的研究。近年來，學(xué)者們提出了一些具體的防護(hù)措施和技術(shù)，包括：使用高性能混凝土、提高混凝土密實(shí)性、改善腐蝕環(huán)境及電化學(xué)保護(hù)法，還有使用緩蝕劑、阻銹劑、在混凝土表面涂層，電化學(xué)除鹽、電化學(xué)再堿、使用涂/鍍層等表面處理鋼筋等措施，在一定程度上緩解了鋼筋腐蝕的開始時(shí)間。但這些防護(hù)方法均是從鋼筋 (普通低碳鋼筋) 外圍入手，并不觸動(dòng)鋼筋基體自身，因而不能從根本上延緩鋼筋腐蝕進(jìn)程，且存在成本高、施工困難或防腐蝕效果不確定等缺點(diǎn)，治標(biāo)不治本[1]。

目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)鋼筋仍然是碳鋼。隨著各種高壽命耐腐蝕、耐候鋼筋使用范圍的日趨擴(kuò)大，工業(yè)化國家已將鋼筋的耐腐蝕性作為主要研究課題，從鋼筋銹蝕的“內(nèi)因”入手，通過各種技術(shù)手段，改變鋼筋基體的組成、結(jié)構(gòu)，研制、使用普通低碳鋼筋替代材料，從鋼筋本身進(jìn)行防腐，最大程度延長鋼筋脫鈍時(shí)間及降低鋼筋腐蝕速率，實(shí)現(xiàn)鋼筋全壽命周期連續(xù)耐蝕。這是一種更加積極的防腐蝕措施，可從根本上解決鋼筋銹蝕問題，對(duì)于確保嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)高耐久性具有重要意義[2]。

迄今為止，耐蝕性來源于鋼筋自身，耐蝕鋼筋有四種：不銹鋼鋼筋、不銹鋼包覆鋼筋、MMFX鋼筋和低合金耐腐蝕鋼筋，均有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

不銹鋼鋼筋具有較好的耐腐蝕性能，從全壽命成本的角度考慮，其維護(hù)費(fèi)用大大降低。但合金元素添加量較多（Cr含加入量在12%以上，Cr、Ni、Mo總含量在20%左右），特別是Cr、Ni等貴重合金元素的加入大大增加了鋼筋生產(chǎn)成本，限制了它在國內(nèi)外的推廣應(yīng)用。

美國MMFX鋼鐵公司1998年成功開發(fā)了MMFX鋼筋，其中含有約9%的Cr和少量的Mo、Ni元素，生產(chǎn)成本有所降低。由于MMFX是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，還沒有長期試驗(yàn)的性能資料，并且相較于普通鋼筋，其生產(chǎn)成本還是偏高。

之后又推出了不銹鋼包覆鋼筋，通過復(fù)合組坯、軋制變形，實(shí)現(xiàn)不銹鋼和碳鋼（低合金鋼）治金復(fù)合，節(jié)約2/3不銹鋼材料，成本進(jìn)一步降低。但其工藝和技術(shù)并不成熟，國內(nèi)外應(yīng)用較少。

以上耐蝕鋼筋的推出，引起了國內(nèi)外許多研究人員的關(guān)注。研究者紛紛開展了耐蝕鋼筋銹蝕過程行為特性的試驗(yàn)研究，力求開發(fā)出合金元素含量更低的耐蝕鋼筋。低合金耐蝕鋼筋適合當(dāng)今環(huán)保節(jié)能大趨勢，是目前研究的熱點(diǎn)。

2.耐腐蝕鋼筋的市場需求

2020年我國鋼筋產(chǎn)量達(dá)到2.66億噸，占鋼材總產(chǎn)量的20%。目前在我國所有的鋼材產(chǎn)品中熱軋帶肋鋼筋消費(fèi)量最大，每年約為2億噸，占當(dāng)年鋼材表觀消費(fèi)量的1/5。熱耐蝕鋼筋需求量約在2千萬噸左右，數(shù)量巨大，市場廣闊。按照國家要求，高強(qiáng)鋼筋的消費(fèi)比例將由目前的40%左右逐步達(dá)到65%，耐腐蝕鋼筋比例將達(dá)到15%[3]。

隨著各種基礎(chǔ)建設(shè)、民生、發(fā)展工程的全面展開，以及沿海地區(qū)的發(fā)展和海洋資源的大力開發(fā)，對(duì)耐大氣腐蝕和耐海水腐蝕鋼筋的需求劇增，市場上現(xiàn)有的普通碳素鋼筋在耐腐蝕性能方面根本不能滿足需求?！笆奈濉逼陂g我國將重點(diǎn)發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，耐腐蝕鋼筋的研發(fā)與應(yīng)用，將為沿海地區(qū)建構(gòu)筑物及島礁和深海工程提供有力保障。就目前迫切的市場需求和腐蝕所造成的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失來看，耐腐蝕鋼筋在我國乃至全世界，都有著極大的市場潛力和應(yīng)用前景。

3.國內(nèi)外低合金耐腐蝕鋼筋研究

近年來，提高鋼筋自身耐腐蝕性的研究受到普遍重視，國內(nèi)外相關(guān)研究十分活躍，特別是積極開展有關(guān)成分和工藝影響的研究，目前還在不斷深入研究低合金耐蝕鋼筋，但實(shí)際生產(chǎn)的廠家較少。我國耐蝕低合金鋼筋的相關(guān)研究尚處于起步階段，對(duì)于高強(qiáng)耐蝕的低合金鋼筋的研究和應(yīng)用還鮮有報(bào)道[4]。

3.1 國外研究現(xiàn)狀

在開發(fā)不銹鋼及不銹鋼覆層鋼筋的同時(shí)，世界許多國家紛紛致力于開發(fā)研究低成本、高性能的較低合金元素含量的耐蝕鋼筋。Cr含量低于10%的合金耐蝕鋼筋MMFX的出現(xiàn)，引起許多研究人員的關(guān)注。美國的高Cr產(chǎn)品經(jīng)過多年的開發(fā)及推廣，形成了美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMA1035，主要用于海灣、沼澤地等對(duì)耐蝕性要求高的建筑及公路、橋梁等建設(shè)。國內(nèi)外研究者紛紛開展了耐蝕鋼筋銹蝕過程行為特性的試驗(yàn)探索研究，力求開發(fā)出更低合金元素含量的耐蝕鋼筋[5]。2005年，美國David等開發(fā)了低合金鋼ASTMA706鋼筋，這種鋼筋的主要成分為：w C 0.2 3%，wMn0.93%，wNi0.18%，wCr0.18%和wCu 0.41%。也有少數(shù)研究者采用Cu、Cr、Mo、Ni等耐腐蝕元素對(duì)鋼筋進(jìn)行微合金化，獲得了良好的耐腐蝕性能，但未得到推廣利用。

日本開發(fā)的耐蝕鋼為Cu-Cr-Mo-Si系，對(duì)于飛濺區(qū)和全浸區(qū)海水均有良好的耐蝕性，腐蝕速率約為碳鋼的1/3。法國的Cr-Al系低合金鋼APS20A兼具良好的耐大氣和耐海水腐蝕性能，在全浸區(qū)海水中的耐蝕性比碳鋼提高一倍以上。

近期，智利鋼鐵集團(tuán)CAP旗下的Huachipato鋼廠，首次成功生產(chǎn)高強(qiáng)耐腐蝕螺紋鋼。據(jù)稱，該螺紋鋼的耐腐蝕性能是普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋鋼的5倍多。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國耐腐蝕鋼筋的開發(fā)起步較晚，直到20世紀(jì)末，才結(jié)合耐腐蝕鋼筋重大研究項(xiàng)目的實(shí)際內(nèi)容，在國外研究及耐候鋼的研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了研究與改進(jìn)。通過建立實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)體系研究了碳鋼鋼筋的耐蝕性，認(rèn)為添加Cu、Cr、Mo、Ni、A1、V等合金元素，可以在一定程度上提高鋼筋的耐蝕性。低合金耐蝕鋼筋的研究是以其經(jīng)濟(jì)型的鋼筋種類為主，比如Cu、P、Ti系以及Cu、P、Cr、Ni系等，在不影響鋼筋耐蝕性能的前提下調(diào)整合金成分及含量。主要的研究和生產(chǎn)單位有：北京鋼鐵研究總院、山東大學(xué)、北京科技大學(xué)、東南大學(xué)、安徽工業(yè)大學(xué)、馬鋼、盛隆治金、沙鋼、包鋼、三寶鋼鐵等。北京鋼鐵研究總院首先研制出了細(xì)晶粒Cu-P系和Cu-Cr-Ni系低合金耐蝕鋼筋[6]。

2004年，山東大學(xué)王鈞等研究了耐腐蝕鋼筋的成分優(yōu)化及耐蝕機(jī)理，并提出了在低合金鋼基礎(chǔ)上進(jìn)行耐蝕鋼筋的成分優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。研究表明，耐腐蝕鋼筋的較優(yōu)成分控制范圍為：0.40%～0.70%Cr和0.30%～0.50%Ni組合的耐腐蝕鋼筋性能較好。研究結(jié)果進(jìn)一步表明，在氯鹽腐蝕環(huán)境下，鋼筋中Cr對(duì)耐腐蝕性的影響確實(shí)遠(yuǎn)大于Ni和V，而Mo對(duì)耐氯鹽腐蝕性的影響不大。鋼筋的表面狀態(tài)對(duì)鋼筋的腐蝕特征有重要影響[7]。研究認(rèn)為，Mo與Ni同時(shí)加入可改善強(qiáng)度；V具有細(xì)晶強(qiáng)化的作用。由于國內(nèi)耐腐蝕鋼筋的研究處于起步階段，在本次研究過程中，雖然通過成分設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并通過銹層分析對(duì)耐蝕機(jī)理進(jìn)行探討，但未能最終確定成分最優(yōu)化的耐腐蝕鋼筋[1]。

2006年，馬鋼開始研發(fā)低成本稀土元素高強(qiáng)度耐蝕鋼筋并取得成功[8]，郭湛等人在普通20MnSi熱軋帶肋鋼筋基礎(chǔ)成分上添加適量的稀土，設(shè)計(jì)了2種含稀土的高強(qiáng)度耐腐蝕鋼筋， 一種為釩氮微合金化鋼筋，牌號(hào)20MnSiVNRe；另一種為鈮微合金化鋼筋，牌號(hào)20MnSiNbRe。結(jié)果表明，添加稀土元素的鋼筋不僅符合國標(biāo)中力學(xué)性能的相關(guān)要求，而且耐腐蝕性能得到了顯著提高。

適應(yīng)沿海地區(qū)諸如廣東、福建、浙江等發(fā)達(dá)地區(qū)某些港口、隧道建設(shè)對(duì)耐腐蝕鋼筋的需求，2010年開始，廣西盛隆利用紅土鎳礦資源， 成功開發(fā)混凝土用耐腐蝕含鎳鉻鋼筋。為推廣該產(chǎn)品，2012年廣西首個(gè)混凝土用耐腐蝕含鎳鉻鋼筋地方標(biāo)準(zhǔn)DB45/T890-2012出臺(tái)實(shí)施，2014年鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋標(biāo)準(zhǔn)YB/T4361-2014實(shí)施。

北京科技大學(xué)腐蝕與防護(hù)中心程學(xué)群等人[9-10]針對(duì)海洋環(huán)境下高強(qiáng)耐蝕低合金鋼筋的腐蝕行為和機(jī)理進(jìn)行了研究，對(duì)比了HRB400鋼筋和3種設(shè)計(jì)的含Cr量（1.5Cr、3Cr和 5Cr）不同的耐蝕鋼筋在混凝土模擬液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)隨著Cr元素含量的增加，鋼筋的耐蝕性能逐漸增強(qiáng)，5Cr鋼筋的臨界氯離子濃度值約為HRB400鋼筋的6.2倍。由此建立了一套實(shí)驗(yàn)室內(nèi)評(píng)價(jià)高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境下低合金鋼筋腐蝕行為的實(shí)驗(yàn)方法。

王丹芊在新型耐蝕鋼筋在混凝土環(huán)境中的鈍化及氯鹽侵蝕行為研究中，對(duì)普通鋼筋、含10%Cr的耐蝕鋼筋及含23%的Cr雙相不銹鋼筋在混凝土模擬孔溶液中的腐蝕行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)耐蝕鋼筋和不銹鋼筋的臨界氯離子值為普通鋼筋的125倍。

東南大學(xué)的周揚(yáng)等人[11]研制出含Cu、Ni、Cr多種合金元素的耐蝕鋼筋，在氯離子侵蝕環(huán)境中，添加了單一合金元素Cr的耐蝕鋼筋耐蝕性能略有提高，而添加了Cu，Ni，Cr多種合金元素的耐蝕鋼筋耐蝕性能進(jìn)一步提高。阻銹劑與耐蝕鋼筋的協(xié)同作用，使得鋼筋的腐蝕速率顯著降低。

近幾年，江蘇?。ㄉ充摚╀撹F研究院通過合金成分及生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)推出了一種高強(qiáng)度高耐腐蝕鋼筋“Cr100M01”（約含Cr 10 wt.%及Mo 1wt.%，金相組成上包含鐵素體和貝氏體，不含滲碳體），并己申報(bào)了多項(xiàng)發(fā)明專利。實(shí)驗(yàn)室腐蝕試驗(yàn)初步證明，其腐蝕臨界C1-濃度達(dá)到普通碳素鋼筋l0倍以上。該鋼筋現(xiàn)已初步示范應(yīng)用于江蘇省灌河特大橋工程關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。其與國外MMFX耐蝕鋼筋相比，Cr等合金元素含量相近，經(jīng)濟(jì)成本相當(dāng)，但耐腐蝕性更加優(yōu)越，對(duì)于保證海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)百年服役壽命設(shè)計(jì)的要求有很大潛力。沙鋼隨后相繼開發(fā)了20MnSiCrV、00Cr10MoV、Cr10Mo1等一系列合金化耐腐蝕鋼筋，耐腐蝕性能優(yōu)良。如20MnSiCrV耐蝕鋼筋[12]的耐氯離子腐蝕性能為普通鋼筋的1.5倍，產(chǎn)品取得了一系列的應(yīng)用。

包鋼成功開發(fā)了400MPa級(jí)稀土耐大氣腐蝕抗震鋼筋及500MPa級(jí)稀土耐氯離子腐蝕鋼筋。三寶集團(tuán)率先獲得耐腐蝕鋼筋生產(chǎn)許可證，在耐蝕鋼筋研發(fā)和生產(chǎn)方面走在了我國前列，并成功開發(fā)生產(chǎn)出Φ6mm～Φ50mm全系列、全規(guī)格的耐大氣和耐海水腐蝕鋼筋產(chǎn)品。

大體上說，目前國內(nèi)外對(duì)合金耐蝕鋼筋腐蝕過程相關(guān)問題的研究并不多見(主要集中于MMFX耐蝕鋼筋)，合金耐蝕鋼筋銹蝕研究仍處于試驗(yàn)探索階段，工程應(yīng)用實(shí)例報(bào)道很少，尚未形成系統(tǒng)的理論成果，使得低合金耐蝕鋼筋鈍化行為和腐蝕行為研究，缺乏詳實(shí)的科學(xué)事實(shí)數(shù)據(jù)。在耐蝕機(jī)理、耐蝕性評(píng)估及其混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測等領(lǐng)域，也尚需進(jìn)行深人細(xì)致的研究。

從目前的研究結(jié)果來看，開發(fā)耐蝕鋼筋的評(píng)價(jià)方法單一，大部分都集中在酸性和中性環(huán)境中，堿性環(huán)境中的研究報(bào)道不多見。其研究結(jié)果只能作為一種相對(duì)耐蝕性的比較，并不能明確反映鋼筋在混凝土中真實(shí)服役情況。北京科技大學(xué)李曉剛團(tuán)隊(duì)在合金化的基礎(chǔ)上，通過向HRB400碳鋼中添加耐蝕合金元素鉻，開發(fā)了一系列耐蝕低合金鋼、鉻系低合金耐蝕鋼，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢，且可以明顯延長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境的使用壽命。

溫度也對(duì)鋼筋腐蝕起著重要影響。溫度升高不僅會(huì)降低鋼筋開始腐蝕的臨界氯離子濃度，也提高了混凝土中氯離子的擴(kuò)散系數(shù)，極大加快了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的失效進(jìn)程。在溫度較高的惡劣環(huán)境中，使用低合金耐蝕鋼筋對(duì)延長混凝土中鋼筋腐蝕起始?jí)勖淖饔梅浅Ｓ邢?，?yīng)該采用更加嚴(yán)格的防腐蝕措施[13]。

另外，廣西盛隆治金有限公司、鋼鐵研究總院等制定的混凝土用耐腐蝕含鎳Cr鋼筋的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，評(píng)價(jià)鋼筋耐蝕性的方法為，采用酸性（模擬工業(yè)環(huán)境）或中性（模擬氯離子環(huán)境）溶液，將鋼筋周浸腐蝕一段時(shí)間后比較其耐蝕性差異，該方法中溶液的選擇和混凝土的強(qiáng)堿性環(huán)境有很大的出入，不能說明該鋼筋在混凝土環(huán)境中也同樣耐蝕[9]。

低合金耐蝕鋼筋是否可保證混凝土結(jié)構(gòu)百年服役壽命，目前仍缺乏嚴(yán)格論證的可行性分析，但已開展的試驗(yàn)探索研究已展示了其優(yōu)越性。改變鋼筋基體成分，開發(fā)鋼筋替代材料，從根本上解決鋼筋銹蝕問題，已成為今后混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提升技術(shù)的發(fā)展趨勢[4]。