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世界高強度建筑鋼筋的最新技術進展
[ 編輯:admin | 時間:2012-08-29 14:17:30
| 瀏覽:2286次 | 來源:中國市政建設網 | 作者: ]
鋼筋混凝土的使用有悠久的歷史。20世紀初，第一部鋼筋混凝土設計規范在歐洲和美國誕生,它使人們認識到作為混凝土結構的鋼筋需要使用專門設計的鋼材。最初的技術只是采用簡單的圓鋼和方鋼,后來也使用過鋼軌和型鋼。真正建筑用鋼筋的生產始于20世紀30年代,人們開始認識到除抗拉強度外,鋼筋與混凝土之間的黏結性也是非常重要的性能。
混凝土鋼筋的高強度化是其重要的發展方向。最初人們通過提高鋼中碳、錳含量,生產出了最早的高強度鋼筋,其碳質量分數約為0.35%,錳質量分數隨鋼筋尺寸的變化控制在0.90%~1.45%的范圍內,鋼筋的屈服強度達到350MPa~400MPa。與此同時,另一種獲得高強度鋼筋的方法是冷變形,它通過冷拉低碳鋼來提高強度,其主要問題是塑性低、與混凝土的黏結性能不好。熱軋+扭彎工藝是歐洲曾經普遍應用的高強度鋼筋生產技術,即“熱軋扭鋼筋”,其屈服強度范圍為360MPa~400MPa,少量也應用到500MPa級。出于成本方面的考慮,“熱軋扭鋼筋”逐步消失并被同級的熱軋鋼筋取代。 進入20世紀70年代,焊接鋼筋得到快速發展,它促進了鋼筋生產技術的轉變。微合金化鋼筋的開發,使得鋼筋的生產技術前進了一大步。微合金化鋼筋主要是利用Ti、Nb、V等微合金化元素,在低碳錳鋼上生產出高強度鋼筋,改善了鋼筋韌塑性和焊接性。另一種新的鋼筋熱處理技術,即眾所周知的“Tempcore”工藝和“Thermex”工藝，首先在歐洲獲得了成功應用,它被稱為“余熱處理鋼筋”或“穿水鋼筋”。這種鋼筋利用軋后高溫直接進行淬火,然后通過芯部余熱進行自回火。余熱處理鋼筋是目前歐洲高強度鋼筋的主流生產工藝。微合金化和余熱處理是當前國外焊接高強度鋼筋生產的兩種主要工藝,目前世界各國廣泛使用的高強度鋼筋,包括400MPa(III級)、500MPa(IV級)、600MPa(V級)鋼筋,基本上都采用這兩種工藝生產。 高強度鋼筋的生產技術 鋼筋的性能主要取決于鋼的化學成分和生產工藝參數。考慮到焊接技術在現代建筑上的廣泛應用,依靠增加鋼中碳含量和碳當量來提高強度的方法是不可行的。為了彌補降碳引起的強度損失,目前高強度鋼筋的主要生產技術包括余熱處理、微合金化和細晶化。 余熱處理工藝 軋后余熱處理工藝是歐洲高強度鋼筋最主要的生產路線。鋼筋軋后余熱處理包括三個階段：第一階段為表面淬火階段。鋼筋出軋機后進行高效快冷,此時表面層發生馬氏體轉變,芯部的熱量來不及傳出,仍處于奧氏體狀態。第二階段為自回火階段。鋼筋芯部的熱量向表面傳遞擴散,使表面淬火馬氏體發生回火轉變,轉變為回火馬氏體,芯部仍保留奧氏體組織。第三階段為芯部組織轉變階段。鋼筋在冷卻過程中,芯部的冷卻速度較小,發生鐵素體+珠光體轉變。 通過分析國外高強度余熱處理鋼筋典型的化學成分，發現余熱處理工藝生產的高強度鋼筋中合金含量低,具有明顯的成本優勢。除一次性設備投入外（軋后水冷裝備）,生產成本的增加很少。因此,余熱處理工藝是低成本高強度鋼筋生產的一條有效途徑。 微合金化技術 微合金化使用了兩種先進的強化方式，即晶粒細化和沉淀強化來提高鋼的強度。鋼中添加微量的Ti、Nb、V微合金化元素,一般加入量(質量分數)在0.02%~0.15%的范圍內,結合適當的工藝控制,可使鋼的強度成倍提高。微合金化技術是20世紀下半葉鋼鐵物理冶金領域最重大的成就之一,它為高強度鋼的生產提供了一條經濟有效的途徑。各種微合金化方式的選擇取決于它們與鋼中O、S、C、N等元素的結合力、不同溫度下各種微合金化元素碳氮化物的溶解度以及鋼鐵產品的具體生產工藝條件。除了技術方面的考慮外,經濟性也是決定工藝選擇的重點內容。 研究證明,V-N微合金化是生產高強度鋼筋的一條經濟有效途徑。采用V-N微合金化,充分利用廉價的氮元素,促進了鋼筋中V的析出,顯著提高了V的沉淀強化效果,達到了節約合金含量、降低鋼成本的目的。與V微合金化相比,V-N鋼筋中V用量節約50%,充分體現了技術經濟的優勢。V-N微合金化鋼筋具有性能穩定、強度波動范圍小、應變時效敏感性低、焊接性優良等特點,滿足抗震、耐火的設計要求。 細晶粒鋼筋技術 在“973”超細晶粒鋼項目研究成果的基礎上,中國開展了高強度細晶粒鋼筋的生產技術研究工作。通過在Ar3附近進行變形,利用形變誘導相變(DIFT)技術,可獲得超細晶粒組織,這樣在普通碳素鋼的基礎上,依靠細晶強化使鋼的強度成倍增加,達到400MPa、500MPa級的高強度鋼筋要求。晶粒細化是在提高強度的同時又能改善韌性的有效手段。但細晶化降低了鋼的強屈比,依靠細晶強化的碳素鋼鋼筋和20MnSi鋼鋼筋強屈比均降低到1.20以下,而抗震鋼筋要求強屈比高于1.25。細晶粒鋼筋的另一個問題是焊接性,焊接過程的高溫將導致焊接熱影響區晶粒長大,從而使焊接接頭出現軟化。提高細晶粒鋼筋的強屈比、研究細晶粒鋼筋的連接技術是今后推廣細晶粒鋼筋的工作重點。另外,目前國內大多數棒材生產線還不能滿足超細晶鋼筋的生產條件,需要進行必要的設備改造才能勝任。 鋼筋的功能化 抗震、耐火鋼筋 地震、火災是建筑物破壞的天敵,抗震設計是建筑設計的重要組成部分,特別是對處于地震地區的建筑物來說尤為重要。為了滿足建筑物抗震設計的要求,西方國家對抗震鋼筋進行了深入系統的研究,提出了明確的抗震鋼筋指標要求。首先,抗震鋼筋需要高強度,歐洲標準明確指出抗震鋼筋強度為400MPa、500MPa以上級別的高強度鋼筋,多數歐洲國家已經全部使用500MPa以上級別的高強度鋼筋。其次,對鋼筋的塑性指標提出了更高要求,包括強屈比大于1.20或1.25、最大載荷伸長率大于8%或10%、鋼筋性能的一致性,即窄屈服點波動范圍,要求控制實際屈服點與指標值之比小于1.20或1.30。各國抗震鋼筋的指標體系不盡相同,有些標準規范還有對鋼筋大應變低周疲勞性能、應變時效性能、均勻伸長率等提出了具體要求。 日本是地震多發國家,在抗震建筑用鋼的研究上代表了世界先進水平。1995年阪神大地震后,日本在總結經驗教訓的基礎上,對其抗震建筑用鋼體系進行了全面的改進提高。為了提高建筑物的抗震性能,日本采用細晶化技術開發出了屈服強度685MPa級、980MPa級USD685、USD980超高強度抗震鋼筋,并提出屈服點伸長率要求的抗震鋼筋新指標。地震發生的同時往往容易引起火災,因此對建筑鋼筋的耐火性能提出了要求,一般用600攝氏度的高溫強度來評價鋼的耐火性能。 耐蝕鋼筋 考慮到建筑物的耐久性,即使用壽命成本,對鋼筋的耐腐蝕性能提出了要求,特別是對一些腐蝕環境下的建筑物,如海港、碼頭、跨海大橋、海洋工程建筑物等。表面涂層技術廣泛應用于耐蝕鋼筋,包括環氧樹脂涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋等。表面處理雖然能夠明顯地提高鋼筋本身的耐腐蝕性能,但涂鍍層鋼筋無法通過焊接連接，施工過程中容易造成表面涂層的破壞,加重局部點蝕的發生,因此涂鍍層耐蝕鋼筋在實際使用上受到很多限制。 歐美國家為了使建筑物使用壽命達到100年的設計要求,開發使用了不銹鋼鋼筋。與普通鋼筋相比,不銹鋼鋼筋不僅具有優良的耐腐蝕性能,還具有高強度、高塑性、優良的高溫和低溫性能以及良好的疲勞性能。不銹鋼塑性能量消耗是普通碳鋼的兩倍以上,具有良好的抗震性能。不銹鋼優良的高溫性能滿足了耐火鋼筋的要求。優良的低溫韌性可確保低溫環境下結構的安全性。混凝土中的pH值是堿性或近中性,在此環境下不銹鋼不會發生一般的腐蝕,唯一需要考慮的是其點蝕傾向。研究結果顯示,高氮不銹鋼具有優良的抗點蝕性能。不銹鋼鋼筋的主要缺點是成本高,但從全壽命成本的角度考慮,其維護費用大大降低,因此不銹鋼鋼筋的使用是延長建筑物壽命的一條經濟有效途徑。 結語 高強度鋼筋是西方發達國家主要的建筑鋼筋。歐洲建筑鋼筋已經升級到以500MPa的IV級鋼筋為主,日本開發出了屈服強度為685MPa~980MPa的超高強度鋼筋,并用于高層建筑建造。中國建筑市場目前還是以335MPa的II級鋼筋為主,經過近年來各方努力,400MPa的III級鋼筋的用量僅占1/3左右,500MPa的IV級鋼筋基本沒有使用,與世界先進水平有很大差距。促進鋼筋品種的升級換代,擴大III級、IV級鋼筋的應用比例是中國建筑鋼筋領域一項長期而艱巨的任務。 
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