地震頻發(fā)讓抗震鋼筋崛起
“十三五”期間，我國建筑業(yè)迎來綠色發(fā)展的新時代，微合金化高強(qiáng)鋼筋將追求功能化，即向抗震、耐腐蝕、耐低溫、耐火方向發(fā)展。尤其是近幾年，我國地震頻發(fā)，建筑物的抗震性能成為建筑設(shè)計中的重要內(nèi)容，中國汶川、玉樹地震，以及海地、智利、日本地震發(fā)生后，建筑物的抗震性能進(jìn)一步引起了社會各界的關(guān)注。
抗震建筑結(jié)構(gòu)要求使用具有抗震性能的鋼筋，即在建筑物受到地震波沖擊時，可延緩建筑物斷裂發(fā)生的時間，避免建筑物在瞬間整體倒塌，從而提高建筑物的抗震性能。因此在抗震結(jié)構(gòu)中，要求鋼筋有一個較長的屈服平臺，有很好的延性，同時鋼筋實際屈服強(qiáng)度相對于屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不宜過高。
發(fā)達(dá)國家對抗震鋼筋提出了明確的指標(biāo)要求。首先，抗震鋼筋需要有高強(qiáng)度。歐洲標(biāo)準(zhǔn)明確指出抗震鋼筋強(qiáng)度要達(dá)到400MPa、500MPa級別。其次，對鋼筋的塑性指標(biāo)提出了更高要求，包括強(qiáng)屈比大于1.25、均勻伸長率大于10%。再次，要求鋼筋性能的一致性，即要求屈服點(diǎn)波動范圍窄，實際屈服點(diǎn)與指標(biāo)值之比小于1.30。
參照國外標(biāo)準(zhǔn)，我國《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)明確地提出了抗震鋼筋的要求。即與普通鋼筋相比，抗震鋼筋的性能指標(biāo)增加了強(qiáng)屈比(R0m/R0eL)、屈標(biāo)比(R0m/ReL)、最大力總伸長率(均勻伸長率)(Agt)三項質(zhì)量特征值，即R0m/R0eL≤1.25，R0m/ReL≤1.30，Agt≥9%。如果抗震鋼筋具有較高的強(qiáng)度和良好的塑韌性，那么就可以使鋼筋從變形到斷裂的時間間隔變長，有效達(dá)到“建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生變形到倒塌的時間間隔盡可能延長”“犧牲局部保整體”的抗震設(shè)計目的。
另外，由于鋼材在強(qiáng)烈的地震作用下的高應(yīng)變低周期疲勞性能和在靜載下的性能是不同的，必須根據(jù)鋼材在強(qiáng)震作用下的應(yīng)力變形特征，提出抗震鋼的性能指標(biāo)。這些指標(biāo)應(yīng)包括高應(yīng)變低周期疲勞性能、應(yīng)變時效敏感性、冷脆轉(zhuǎn)變溫度、可焊接性、強(qiáng)度與塑性的配合。
近年來，在許多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，均加大了抗高烈度地震的要求。地震中鋼筋受到反復(fù)拉壓的強(qiáng)力作用，必然產(chǎn)生變形，建筑樓層間的位移角可達(dá)到1/650～1/800，因此要求鋼筋應(yīng)具有對地震能量的吸收潛力。這一潛力往往以鋼筋所受的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和持續(xù)時間三者的乘積來表征。其乘積值越大，表明鋼筋對地震能量的吸收能力越強(qiáng)。
我國GB1499.2-2007規(guī)定抗震鋼筋按屈服強(qiáng)度特征值分為355MPa、400MPa、500MPa級別(牌號分別為HRB335E、HRB400E、HRB500E)，400MPa、500MPa強(qiáng)度級別為高強(qiáng)抗震鋼筋，具有強(qiáng)度高、安全儲備量大、節(jié)省鋼材用量、施工方便等優(yōu)越性，更適用于高層、大跨度和抗震建筑結(jié)構(gòu)，是一種更節(jié)約、更高效的新型建筑材料。目前，在我國已修訂完成的GB1499.2-2013中，335MPa強(qiáng)度級別尺寸規(guī)格限制為ф14mm以下，并增加了600MPa強(qiáng)度級別鋼筋。
為了保證HRB400E、HRB500E抗震鋼筋具有較為穩(wěn)定的力學(xué)性能和組織形態(tài)，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)工藝中的化學(xué)成分設(shè)計要考慮兩個方面：一方面是常規(guī)元素含量，另一方面是微合金元素含量。
在微合金元素的利用上，目前通常采用Ti(鈦)、Nb(鈮)、V(釩)元素，這些元素對C(碳)、N(氮)都具有很強(qiáng)的親和力，可以形成碳氮化物。這些微合金碳氮化合物在軋制過程中析出，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化作用，使鋼的強(qiáng)度提高。同時，這些碳氮化合物在鐵素體基體、晶界、位錯線上析出，可有效阻止鐵素體晶粒的長大，起到細(xì)化晶粒的作用。再加上這些元素的固溶強(qiáng)化作用，就可以顯著提高鋼的強(qiáng)度。相比之下，Nb在沉淀強(qiáng)化及細(xì)化鐵素體晶粒方面的作用更強(qiáng)一些。
我國GB1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實施后，微合金化高強(qiáng)螺紋鋼筋生產(chǎn)企業(yè)通過加強(qiáng)設(shè)備改造、工藝改進(jìn)、技術(shù)創(chuàng)新等，積極開展技術(shù)攻關(guān)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，研發(fā)抗震鋼筋，取得了很好的成績。據(jù)統(tǒng)計，獲抗震鋼筋HRB335E、HRB400E、HRB500E鋼筋許可證的廠家以大中型企業(yè)為主。隨著《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)的頒布，微合金化高強(qiáng)抗震鋼筋用量將逐步增大，申請生產(chǎn)微合金化高強(qiáng)抗震鋼筋的企業(yè)也會隨之增加。從企業(yè)的裝備來看，大部分鋼鐵企業(yè)都具備生產(chǎn)微合金化高強(qiáng)抗震鋼筋的能力。
國家建筑鋼材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心統(tǒng)計了近8年幾千個微合金化高強(qiáng)抗震鋼筋產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，我國微合金化高強(qiáng)抗震鋼筋產(chǎn)品的各項主要指標(biāo)穩(wěn)定，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，實物質(zhì)量處于較高的水平。
低溫嚴(yán)寒離不開耐低溫鋼筋
在低溫嚴(yán)寒地區(qū)，例如我國東北黑龍江等地，應(yīng)該使用抗低溫鋼筋。另外，用于液化天然氣地下儲罐的水泥墻，其工作溫度為-100℃~-125℃，也需要低溫鋼筋。這種超常性能的鋼筋必須是用微合金化、控制軋制方法生產(chǎn)的細(xì)晶粒鋼筋。
例如，0.1C~1.7Mn~0.03Nb的微合金化鋼筋，就是一種耐低溫螺紋鋼筋。該鋼筋采用了先進(jìn)的控制軋制技術(shù)，在加熱溫度為940℃、終軋溫度為725℃、97%的大壓縮比的熱軋條件綜合作用下，可得到晶粒尺寸為5.5μm的細(xì)晶粒組織。其規(guī)格為D32，屈服強(qiáng)度為454MPa，缺口拉伸試驗顯示出，在-160℃環(huán)境中也沒有脆性斷裂跡象。這種具有超常性能的鋼筋可用于低溫環(huán)境，如做液態(tài)氮罐等結(jié)構(gòu)材料。
目前，國內(nèi)已可生產(chǎn)500MPa耐低溫系列鋼筋品種，其國標(biāo)正在制定中。這類鋼筋可用于-50℃低溫的石油氣儲罐混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)，亦可用于-105℃低溫的乙基石油氣儲罐混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)，還可用于-165℃低溫的天然氣氣儲罐溫凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)。
預(yù)防火災(zāi)少不了耐火鋼筋
在火災(zāi)發(fā)生時為保證建筑安全性，一些耐火等級高的大型廠房、民居、商務(wù)樓等建筑結(jié)構(gòu)都需要耐火鋼筋。在350℃的環(huán)境中，普通鋼筋的屈服強(qiáng)度就下降到常溫時的2/3，屈服強(qiáng)度為200MPa。因此，建筑結(jié)構(gòu)要求覆蓋耐火涂料以保護(hù)火災(zāi)時的鋼結(jié)構(gòu)。但是，為了削減建筑成本，改善施工環(huán)境，提高建筑物顏值，社會要求減少耐火、耐蝕被覆物。因此，耐火鋼筋的開發(fā)成為必然，特別是在大型地下停車場的建設(shè)中使用耐火鋼筋尤為必要。
耐火鋼筋的開發(fā)要使用Cr(鉻)、Mo(鉬)合金元素，同時加入Nb(鈮)、V(釩)，提高鋼的高溫強(qiáng)度，其耐火能力的提高是微合金元素二次硬化產(chǎn)生的效果。耐火鋼筋在600℃時的強(qiáng)度和普鋼在350℃時的相當(dāng)，也就是說，其耐火溫度可提高到600℃。但當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到800℃時，耐火鋼筋將完全失掉耐火能力。
腐蝕環(huán)境更需要耐腐蝕鋼筋
為防止在海水等特殊場合使用的鋼筋混凝土受到腐蝕而過早被破壞，在跨海橋梁、沿海碼頭等工程中需要用到耐腐蝕鋼筋。
為加強(qiáng)耐蝕鋼筋的研發(fā)、推廣與應(yīng)用，相關(guān)部門制定了YB/T4361-2014《鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋》標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)主要生產(chǎn)Cu-P系耐蝕鋼筋和Cu-Cr-Ni系耐蝕鋼筋兩大類。前者適用于大氣環(huán)境和非浪濺區(qū)的氯離子環(huán)境，后者適用于大氣環(huán)境和氯離子環(huán)境。為了提高鋼筋的性能，可以添加1種或1種以上的微量合金元素，如添加Nb0.015%~0.1%，V0.02%~0.12%，Ti0.02%~0.10%。此外，還可以添加下列合金元素提高耐腐蝕性能，如添加Mo(鉬)≤0.2%，Re(錸)≤0.15%，Al(鋁)≤0.55%。這兩類鋼筋皆可用于腐蝕環(huán)境，其設(shè)計工作年限為25年~50年。
還有一種已開發(fā)成功的耐腐蝕鋼筋是耐蝕鋼筋熱軋?zhí)妓劁?不銹鋼復(fù)合鋼筋，其性能、強(qiáng)度、耐腐蝕性均達(dá)設(shè)計要求，且生產(chǎn)時可節(jié)約資源，生產(chǎn)成本也較低。
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