钢筋锈蚀对建筑物安全性能和使用寿命的影响及应对措施

1 概述

钢筋作为建筑用的主要钢材，一直占据我国钢材产量的较大比例。随着社会的进步，人们对建筑物的安全性能和使用寿命提出了越来越高的要求。钢筋混凝土结构损坏的主要原因是钢筋锈蚀、混凝土保护层碳化和氯离子侵入。美国每年因氯盐腐蚀造成的经济损失可占GDP的4%，与钢材腐蚀相关的腐蚀损失占总腐蚀损失的40%-50%。 2016年纽约州安排的桥涵维护费用高达2亿美元。在我国，许多海港、码头的混凝土结构也出现了腐蚀现象。例如，1956年建成的湛江码头，1963年就因腐蚀而明显损坏，开始修复。 1979年，对21%的钢筋进行了膨胀和开裂检查。 1988年，91%的钢筋进行了膨胀和开裂检查，并于当年被拆除。北仑港码头和引桥于1981年建成，1987年修复了69%-100%的钢筋裂缝。

为了适应混凝土结构提高建筑物长寿命的要求，我国在基础上制定了环氧树脂涂层钢筋、耐腐蚀钢筋、镀锌钢筋、镀锌钢筋等。美国、欧洲等国家和地区的先进标准以及我国钢筋产品的研究和应用。铝合金涂层钢筋、不锈钢钢筋等具有耐腐蚀、耐候性的钢筋产品标准。

以美国为代表的发达国家一直高度重视耐腐蚀、耐候钢产品的开发和应用。表1展示了美国钢筋的发展历程，从普碳钢到涂层保护，再到不锈钢、合金钢和涂层钢筋。

众所周知，不锈钢具有良好的机械性能和耐腐蚀性能。例如，304不锈钢的耐海水腐蚀性能约为普通碳钢的1000倍。在海水腐蚀环境下，304不锈钢钢筋混凝土的使用寿命约为普通钢筋混凝土的10倍，但其生产成本太高，价格昂贵，约为普通碳钢钢筋的6-10倍。受不锈钢主要合金Cr、Ni等元素资源的限制，且价格昂贵，在一定程度上限制了不锈钢棒材的广泛使用。以普通钢筋为基材，覆盖层为不锈钢的复合钢筋，不仅可以降低成本，还可以保证材料的耐腐蚀性能。研究表明，碳钢-不锈钢复合钢筋的允许腐蚀极限比普通碳钢钢筋的极限值大24倍。复合钢棒以碳钢为基材，304或316不锈钢为涂层，经热轧制成。两种金属可以达到冶金结合状态，可以保证不锈钢和碳钢在使用过程中不分离。同时，不锈钢的重量占总重量的10%-20%，成本仅为实心不锈钢棒的25%左右。它不仅可以充分发挥不锈钢的防腐性能，还可以降低全不锈钢的使用成本，同时在很大程度上延长建筑物的使用寿命。

2013年出台的《国务院关于化解严重产能过剩矛盾的指导意见》明确提出“实施绿色建材工程，制定和修订相关标准规范，完善建筑用钢标准，推动产品升级”。 2014年印发的《关于印发关键材料升级换代工程实施方案的通知》提出，到2016年，新一代海洋工程等发展急需的海水混凝土等关键新材料产业，将实现稳定批量生产和规模化应用。在海岛建设中，海拌、海养钢筋混凝土工程面临的问题之一就是钢筋的耐腐蚀性能。 《中国制造2025》还提出“加强产品全生命周期绿色管理”、“支持企业开发绿色产品，显着提高产品节能环保低碳水平，引导绿色生产、绿色发展”等要求。消耗”。在此背景下，钢筋混凝土分委会向国家标准化管理委员会申请了《钢筋混凝土用热轧碳钢-不锈钢复合钢筋》国家标准项目并获得批准。

2 标准主要技术内容

2.1 准备原则

本标准以采用国际标准和国外先进标准为原则，力求做到“科学、合理、先进、实用”，并与国家标准体系保持一致。经查，国外只有美国国家公路和运输协会发布了AASHTO MP13M/MP13《混凝土加固用光滑圆形和变形不锈钢复合钢筋》。欧洲、日本等尚无不锈钢复合钢筋相关标准，基材材料主要参考我国GB/T 1499.1《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》和GB/ T 1499.2“钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋”。对于熔覆层主要参考GB/T 20878《不锈钢和耐热钢的牌号和化学成分》等标准，以及ASTMA955/A955M、ASTMA959、ASTM A1035等美国标准。

2.2 标准名称及范围

本标准涵盖的产品为不锈钢和碳钢（或低合金钢）双金属复合钢棒。表层为不锈钢，基材为碳钢或低合金钢。 GB/T 1499.1规定的300MPa光圆钢筋属于碳素钢类别，GB/T 1499.2及批准草案规定的热轧带肋钢筋产品属于低合金钢类别。在钢筋生产中，加工好的圆钢和不锈钢管通过特定工艺结合在一起，达到冶金结合状态，然后进入轧制线进行热轧。因此，该标准命名为：钢筋混凝土用热轧碳钢-不锈钢复合钢筋。其适用范围为：以不锈钢为覆层，以碳钢（或低合金钢）为基材，热轧生产的碳钢。 -不锈钢复合钢棒。

2.3 分类及品牌名称

由于复合钢筋主要以GB/T 1499.1和GB/T 1499.2规定的钢筋为基材与不锈钢复合而成，因此标准中规定的强度等级与上述标准一致，即：钢筋为分为300级、400级、500级。600级虽已纳入GB/T 1499.2报批稿中，但该标准尚未批准发布。考虑到目前该牌号钢筋尚无更多的应用数据支持，因此该牌号暂不纳入本标准。因此，该标准形成了HPB300SC、HRB400SC和HRB500SC的强度系列（SC分别是Stainless和Compound的缩写）。至于抗震钢筋，这次没有纳入，主要是因为该产品是新开发的产品，待有足够的应用数据后才会考虑纳入。

2.4 公称直径范围、尺寸、形状及允许偏差

由于组合钢筋主要以GB/T 1499.1和GB/T 1499.2规定的钢筋为基材和不锈钢组成，考虑到混凝土结构设计规范中的应用规范和尺寸要求，公称直径范围，尺寸、形状及允许偏差符合GB/T 1499.1和GB/T 1499.2的规定。

2.5 技术要求

2.5.1牌号及化学成分

GB/T 1499.1和GB/T 1499.2规定的材料主要用作与不锈钢复合的基材，因此基材成分符合GB/T 1499.1和GB/T 1499.2的规定。

不锈钢镀层的牌号和化学成分根据实际生产情况从GB/T 20878中的牌号中选取了部分牌号，见表2。本标准中用于镀层的典型不锈钢牌号。其中304、304L、316、316L牌号属于奥氏体不锈钢，2205牌号属于奥氏体-铁素体双相不锈钢。美国AASHTO MP13M/MP-13规定复合不锈钢只有两个牌号，316和316L。该标准比美标增加了304、304L、2205三个牌号。

304不锈钢是应用最广泛的铬镍不锈钢。具有良好的耐蚀性、耐热性、韧性、低温强度和机械性能；冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象（使用温度-196～800℃）；良好的加工性能和焊接性能。 304不锈钢适用于建材、化工、食品加工、家居用品、汽车配件、医疗器械、船舶配件等领域。

304L是304不锈钢的变种，含碳量更低，更适合需要焊接的场合。较低的碳含量可以最大限度地减少焊缝热影响区附近碳化物的析出，而碳化物的析出在某些环境下可能会引起不锈钢的晶间腐蚀（焊接侵蚀）。

316和316L不锈钢中添加Mo元素，大大提高了耐腐蚀性和高温强度。耐高温可达1200-1300℃，可在恶劣条件下使用。耐腐蚀性优于304不锈钢，316和316L不锈钢也能抵抗海洋和腐蚀性工业大气的腐蚀。因此，在严重腐蚀的工业或海洋大气中，最好采用316和316L不锈钢。 316L是316不锈钢的一种变体，碳含量较低。为了获得最佳的耐腐蚀性能，316不锈钢的焊接部分需要进行焊后退火处理，而使用316L不锈钢则不需要进行焊后退火处理。

2205是一种奥氏体-铁素体双相不锈钢，具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的整体和局部应力腐蚀性能。 2205双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的两倍。使用2205不锈钢作为涂层可以减少钢材强度的损失。另外，2205双相不锈钢比奥氏体不锈钢具有更高的抗应力腐蚀开裂能力，特别是在含有氯离子的环境中；其耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀能力优于奥氏体不锈钢；其丝的电阻优于奥氏体不锈钢。膨胀系数低，与碳钢接近，适合与碳钢连接，因此更适合复合钢筋的堆焊。

为了满足不同用户对其他熔覆不锈钢牌号可能的需求，标准补充说，购买者可以选择耐腐蚀性能更好的其他熔覆不锈钢牌号。

2.5.2 机械性能

力学性能各项指标符合GB/T 1499.1和GB/T 1499.2的规定。钢筋的屈服强度Rel、抗拉强度Rm、断后伸长率A、最大力总伸长率Agt等力学性能特征值要求见表3。

2.5.3 覆层要求

1) 熔覆层厚度

本标准规定的不锈钢镀层厚度不小于180μm。这主要是因为如果涂层太厚，会造成不必要的浪费，并且钢筋的强度损失会增加；如果涂层太薄，钢筋在生产、运输、加工和使用过程中，受到轻微的碰撞和划伤，就很容易损坏。如果基材裸露，可能无法抵抗腐蚀环境的侵蚀，失去防腐能力。美国AASHTO MP 13M/MP-13标准规定90%的涂层厚度检测值不应小于175μm，最低检测值不应小于120μm。该标准规定钢筋不锈钢覆层厚度严格于美国AASHTO MP 13M/MP-13标准。从我国目前生产的不锈钢复合钢棒产品的物理质量及相关检测数据来看，本标准规定的不锈钢镀层厚度可以保证钢棒的耐腐蚀性能。

2) 涂层结合性

由于钢筋在使用过程中不可避免地要进行弯曲，普通钢筋通常要求弯曲后无裂纹，但对于复合材料来说，要求更为严格，通常要求钢筋经过拉伸、弯曲、切割后除不得有裂纹等外，还不应出现基材、涂层剥落、分层等剥落现象，如图1、图2所示。因此，标准规定，钢筋经过拉伸试验和弯曲试验，涂层横截面或弯曲变形部分与基材的界面应无剥落或可见分层。

2.5.4 钢筋的耐腐蚀性能

不锈钢复合钢棒除了满足力学性能外，另一个重要的考核指标是耐腐蚀性能。美国AASHTO MP 13M/MP-13标准对不锈钢复合钢棒的耐腐蚀性没有要求。它只是规定不锈钢镀层的厚度不应小于规定的要求。本标准规定的不锈钢镀层厚度比美国AASHTO MP13M/MP-13标准更严格。但考虑到GB/T 8165-2008《不锈钢复合钢板及钢带》和GB/T 33959-2017《钢筋混凝土用不锈钢钢筋》均要求按GB/T 4334的E方法进行晶间腐蚀试验-2008年。因此，标准规定，除铁素体型复合钢筋外，其他复合钢筋均应按GB/T 4334-2008中E方法进行晶间腐蚀试验。试验时，应在钢筋两端截面涂上保护层（如环氧树脂）。检验结果：除截面外，钢筋表面不应有渗漏点和因腐蚀而产生的晶间腐蚀裂纹。

3结论

本标准依据美国AASHTO MP 13M/MP-13、ASTM A955、ASTM A959、ASTM A1035等标准和我国GB/T 1499.1、GB/T 1499.2、GB/T 20878等标准。材料和涂层牌号、力学性能、尺寸偏差、涂层厚度、基材与涂层结合性能、耐腐蚀性能等关键技术指标都有规定。该指标充分反映了我国不锈钢复合钢筋的实际水平。该标准的制定不仅将促进我国耐腐蚀钢筋的生产和推广，也为提高海上混凝土工程、道路桥梁等建筑物的使用寿命和安全性，减少腐蚀钢筋的使用奠定物质基础。维护成本。该标准实施后，对于促进我国绿色长寿命钢筋的推广应用，促进钢铁和建筑行业的技术进步将起到积极作用。 （刘宝石向勇）