迎接高强钢筋功能化新时代

地震频发让抗震钢筋崛起

　　“十三五”期间，我国建筑业迎来绿色发展的新时代，微合金化高强钢筋将追求功能化，即向抗震、耐腐蚀、耐低温、耐火方向发展。尤其是近几年，我国地震频发，建筑物的抗震性能成为建筑设计中的重要内容，中国汶川、玉树地震，以及海地、智利、日本地震发生后，建筑物的抗震性能进一步引起了社会各界的关注。

　　抗震建筑结构要求使用具有抗震性能的钢筋，即在建筑物受到地震波冲击时，可延缓建筑物断裂发生的时间，避免建筑物在瞬间整体倒塌，从而提高建筑物的抗震性能。因此在抗震结构中，要求钢筋有一个较长的屈服平台，有很好的延性，同时钢筋实际屈服强度相对于屈服强度标准值不宜过高。

　　发达国家对抗震钢筋提出了明确的指标要求。首先，抗震钢筋需要有高强度。欧洲标准明确指出抗震钢筋强度要达到400MPa、500MPa级别。其次，对钢筋的塑性指标提出了更高要求，包括强屈比大于1.25、均匀伸长率大于10%。再次，要求钢筋性能的一致性，即要求屈服点波动范围窄，实际屈服点与指标值之比小于1.30。

　　参照国外标准，我国《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499.2-2007标准明确地提出了抗震钢筋的要求。即与普通钢筋相比，抗震钢筋的性能指标增加了强屈比(R0m/R0eL)、屈标比(R0m/ReL)、最大力总伸长率(均匀伸长率)(Agt)三项质量特征值，即R0m/R0eL≤1.25，R0m/ReL≤1.30，Agt≥9%。如果抗震钢筋具有较高的强度和良好的塑韧性，那么就可以使钢筋从变形到断裂的时间间隔变长，有效达到“建筑结构发生变形到倒塌的时间间隔尽可能延长”“牺牲局部保整体”的抗震设计目的。

　　另外，由于钢材在强烈的地震作用下的高应变低周期疲劳性能和在静载下的性能是不同的，必须根据钢材在强震作用下的应力变形特征，提出抗震钢的性能指标。这些指标应包括高应变低周期疲劳性能、应变时效敏感性、冷脆转变温度、可焊接性、强度与塑性的配合。

　　近年来，在许多高层钢筋混凝土结构和钢混结构的设计中，均加大了抗高烈度地震的要求。地震中钢筋受到反复拉压的强力作用，必然产生变形，建筑楼层间的位移角可达到1/650～1/800，因此要求钢筋应具有对地震能量的吸收潜力。这一潜力往往以钢筋所受的最大应力、最大应变和持续时间三者的乘积来表征。其乘积值越大，表明钢筋对地震能量的吸收能力越强。

　　我国GB1499.2-2007规定抗震钢筋按屈服强度特征值分为355MPa、400MPa、500MPa级别(牌号分别为HRB335E、HRB400E、HRB500E)，400MPa、500MPa强度级别为高强抗震钢筋，具有强度高、安全储备量大、节省钢材用量、施工方便等优越性，更适用于高层、大跨度和抗震建筑结构，是一种更节约、更高效的新型建筑材料。目前，在我国已修订完成的GB1499.2-2013中，335MPa强度级别尺寸规格限制为ф14mm以下，并增加了600MPa强度级别钢筋。

　　为了保证HRB400E、HRB500E抗震钢筋具有较为稳定的力学性能和组织形态，钢铁企业生产工艺中的化学成分设计要考虑两个方面：一方面是常规元素含量，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(钛)、Nb(铌)、V(钒)元素，这些元素对C(碳)、N(氮)都具有很强的亲和力，可以形成碳氮化物。这些微合金碳氮化合物在轧制过程中析出，产生沉淀强化作用，使钢的强度提高。同时，这些碳氮化合物在铁素体基体、晶界、位错线上析出，可有效阻止铁素体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。再加上这些元素的固溶强化作用，就可以显著提高钢的强度。相比之下，Nb在沉淀强化及细化铁素体晶粒方面的作用更强一些。

　　我国GB1499.2-2007标准发布实施后，微合金化高强螺纹钢筋生产企业通过加强设备改造、工艺改进、技术创新等，积极开展技术攻关，提高产品质量，研发抗震钢筋，取得了很好的成绩。据统计，获抗震钢筋HRB335E、HRB400E、HRB500E钢筋许可证的厂家以大中型企业为主。随着《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)的颁布，微合金化高强抗震钢筋用量将逐步增大，申请生产微合金化高强抗震钢筋的企业也会随之增加。从企业的装备来看，大部分钢铁企业都具备生产微合金化高强抗震钢筋的能力。

　　国家建筑钢材质量监督检验中心统计了近8年几千个微合金化高强抗震钢筋产品检测数据。数据表明，我国微合金化高强抗震钢筋产品的各项主要指标稳定，完全满足标准要求，实物质量处于较高的水平。

　　低温严寒离不开耐低温钢筋

　　在低温严寒地区，例如我国东北黑龙江等地，应该使用抗低温钢筋。另外，用于液化天然气地下储罐的水泥墙，其工作温度为-100℃~-125℃，也需要低温钢筋。这种超常性能的钢筋必须是用微合金化、控制轧制方法生产的细晶粒钢筋。

　　例如，0.1C~1.7Mn~0.03Nb的微合金化钢筋，就是一种耐低温螺纹钢筋。该钢筋采用了先进的控制轧制技术，在加热温度为940℃、终轧温度为725℃、97%的大压缩比的热轧条件综合作用下，可得到晶粒尺寸为5.5μm的细晶粒组织。其规格为D32，屈服强度为454MPa，缺口拉伸试验显示出，在-160℃环境中也没有脆性断裂迹象。这种具有超常性能的钢筋可用于低温环境，如做液态氮罐等结构材料。

　　目前，国内已可生产500MPa耐低温系列钢筋品种，其国标正在制定中。这类钢筋可用于-50℃低温的石油气储罐混凝土结构建设，亦可用于-105℃低温的乙基石油气储罐混凝土结构建设，还可用于-165℃低温的天然气气储罐温凝土结构建设。

　　预防火灾少不了耐火钢筋

　　在火灾发生时为保证建筑安全性，一些耐火等级高的大型厂房、民居、商务楼等建筑结构都需要耐火钢筋。在350℃的环境中，普通钢筋的屈服强度就下降到常温时的2/3，屈服强度为200MPa。因此，建筑结构要求覆盖耐火涂料以保护火灾时的钢结构。但是，为了削减建筑成本，改善施工环境，提高建筑物颜值，社会要求减少耐火、耐蚀被覆物。因此，耐火钢筋的开发成为必然，特别是在大型地下停车场的建设中使用耐火钢筋尤为必要。

　　耐火钢筋的开发要使用Cr(铬)、Mo(钼)合金元素，同时加入Nb(铌)、V(钒)，提高钢的高温强度，其耐火能力的提高是微合金元素二次硬化产生的效果。耐火钢筋在600℃时的强度和普钢在350℃时的相当，也就是说，其耐火温度可提高到600℃。但当环境温度达到800℃时，耐火钢筋将完全失掉耐火能力。

　　腐蚀环境更需要耐腐蚀钢筋

　　为防止在海水等特殊场合使用的钢筋混凝土受到腐蚀而过早被破坏，在跨海桥梁、沿海码头等工程中需要用到耐腐蚀钢筋。

　　为加强耐蚀钢筋的研发、推广与应用，相关部门制定了YB/T4361-2014《钢筋混凝土用耐蚀钢筋》标准。目前，国内主要生产Cu-P系耐蚀钢筋和Cu-Cr-Ni系耐蚀钢筋两大类。前者适用于大气环境和非浪溅区的氯离子环境，后者适用于大气环境和氯离子环境。为了提高钢筋的性能，可以添加1种或1种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，还可以添加下列合金元素提高耐腐蚀性能，如添加Mo(钼)≤0.2%，Re(铼)≤0.15%，Al(铝)≤0.55%。这两类钢筋皆可用于腐蚀环境，其设计工作年限为25年~50年。

　　还有一种已开发成功的耐腐蚀钢筋是耐蚀钢筋热轧碳素钢-不锈钢复合钢筋，其性能、强度、耐腐蚀性均达设计要求，且生产时可节约资源，生产成本也较低。