迎接高強鋼筋功能化新時代

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計中的重要內容，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一步引起了社會各界的關注。

抗震建筑結構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。因此在抗震結構中，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度相對于屈服強度標準值不宜過高。

發(fā)達國家對抗震鋼筋提出了明確的指標要求。首先，抗震鋼筋需要有高強度。歐洲標準明確指出抗震鋼筋強度要達到400MPa、500MPa級別。其次，對鋼筋的塑性指標提出了更高要求，包括強屈比大于1.25、均勻伸長率大于10%。再次，要求鋼筋性能的一致性，即要求屈服點波動范圍窄，實際屈服點與指標值之比小于1.30。

參照國外標準，我國《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB1499.2-2007標準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增加了強屈比（R0m/R0eL）、屈標比（R0m/ReL）、最大力總伸長率（均勻伸長率）（Agt）三項質量特征值，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，有效達到“建筑結構發(fā)生變形到倒塌的時間間隔盡可能延長”“犧牲局部保整體”的抗震設計目的。

另外，由于鋼材在強烈的地震作用下的高應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)鋼材在強震作用下的應力變形特征，提出抗震鋼的性能指標。這些指標應包括高應變低周期疲勞性能、應變時效敏感性、冷脆轉變溫度、可焊接性、強度與塑性的配合。

近年來，在許多高層鋼筋混凝土結構和鋼混結構的設計中，均加大了抗高烈度地震的要求。地震中鋼筋受到反復拉壓的強力作用，必然產(chǎn)生變形，建筑樓層間的位移角可達到1/650～1/800，因此要求鋼筋應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力、最大應變和持續(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。

我國GB1499.2-2007規(guī)定抗震鋼筋按屈服強度特征值分為355MPa、400MPa、500MPa級別（牌號分別為HRB335E、HRB400E、HRB500E），400MPa、500MPa強度級別為高強抗震鋼筋，具有強度高、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構，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強度級別尺寸規(guī)格限制為ф14mm以下，并增加了600MPa強度級別鋼筋。

為了保證HRB400E、HRB500E抗震鋼筋具有較為穩(wěn)定的力學性能和組織形態(tài)，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)工藝中的化學成分設計要考慮兩個方面：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)生沉淀強化作用，使鋼的強度提高。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，起到細化晶粒的作用。再加上這些元素的固溶強化作用，就可以顯著提高鋼的強度。相比之下，Nb在沉淀強化及細化鐵素體晶粒方面的作用更強一些。

我國GB1499.2-2007標準發(fā)布實施后，微合金化高強螺紋鋼筋生產(chǎn)企業(yè)通過加強設備改造、工藝改進、技術創(chuàng)新等，積極開展技術攻關，提高產(chǎn)品質量，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《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2010）的頒布，微合金化高強抗震鋼筋用量將逐步增大，申請生產(chǎn)微合金化高強抗震鋼筋的企業(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)微合金化高強抗震鋼筋的能力。

國家建筑鋼材質量監(jiān)督檢驗中心統(tǒng)計了近8年幾千個微合金化高強抗震鋼筋產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，我國微合金化高強抗震鋼筋產(chǎn)品的各項主要指標穩(wěn)定，完全滿足標準要求，實物質量處于較高的水平。

低溫嚴寒離不開耐低溫鋼筋

在低溫嚴寒地區(qū)，例如我國東北黑龍江等地，應該使用抗低溫鋼筋。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。該鋼筋采用了先進的控制軋制技術，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的細晶粒組織。其規(guī)格為D32，屈服強度為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)氮罐等結構材料。

目前，國內已可生產(chǎn)500MPa耐低溫系列鋼筋品種，其國標正在制定中。這類鋼筋可用于-50℃低溫的石油氣儲罐混凝土結構建設，亦可用于-105℃低溫的乙基石油氣儲罐混凝土結構建設，還可用于-165℃低溫的天然氣氣儲罐溫凝土結構建設。

預防火災少不了耐火鋼筋

在火災發(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、商務樓等建筑結構都需要耐火鋼筋。在350℃的環(huán)境中，普通鋼筋的屈服強度就下降到常溫時的2/3，屈服強度為200MPa。因此，建筑結構要求覆蓋耐火涂料以保護火災時的鋼結構。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℃時的強度和普鋼在350℃時的相當，也就是說，其耐火溫度可提高到600℃。但當環(huán)境溫度達到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。

為加強耐蝕鋼筋的研發(fā)、推廣與應用，相關部門制定了YB/T4361-2014《鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋》標準。目前，國內主要生產(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?不銹鋼復合鋼筋，其性能、強度、耐腐蝕性均達設計要求，且生產(chǎn)時可節(jié)約資源，生產(chǎn)成本也較低。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。