不锈钢筋的力学及工艺性能

李承昌 ,穆明浩 ,聂昌信 ,李清富 ,王辉绵

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2.山东高速集团有限公司，山东 济南 250098；3.山东省交通规划设计院，山东 济南 250031；4.郑州大学，河南 郑州 450001；5.太原钢铁(集团)有限公司，山西 太原 030003)



不锈钢筋的力学及工艺性能

李承昌1,穆明浩2,聂昌信3,李清富4,王辉绵5

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2.山东高速集团有限公司，山东 济南 250098；3.山东省交通规划设计院，山东 济南 250031；4.郑州大学，河南 郑州 450001；5.太原钢铁(集团)有限公司，山西 太原 030003)

为将不锈钢筋应用于沿海桥梁，提高其耐久性，试制了3种不锈钢筋产品，对不锈钢筋及普通钢筋进行了拉伸、弯曲对比试验，试验表明不锈钢筋不仅有优异的耐腐蚀性能，其力学、工艺性能也满足混凝土结构使用的要求;开展了不锈钢筋焊接工艺试验，焊缝金相分析、晶间腐蚀、冲击、拉伸、弯曲等试验表明，不锈钢筋焊接接头未出现明显恶化，具有很好的可焊接性；设计了不锈钢筋螺纹连接丝头及连接套筒，接头拉压、疲劳性能等均能满足螺纹连接规程要求。

桥梁工程；不锈钢筋性能；试验研究；强度及工艺；焊接；螺纹连接

0 引言

不锈钢筋，顾名思义，就是利用不锈钢制成的钢筋，可以彻底解决钢筋的锈蚀问题。不锈钢筋以其优良的耐腐蚀性能和良好的机械性能，有效地改善了结构耐久性，减少了维修费用，延长了结构的使用寿命，在国外桥梁港口及建筑工程中得到了迅速的发展和应用[1-5]。

不锈钢筋应用比较少的一个重要的原因是成本因素，目前不锈钢筋的价格远高于普通钢筋，但随着不锈钢筋冶炼、轧制技术的发展、成熟，更多牌号高强不锈钢筋的开发应用，低镍含量的不锈钢筋在成本上具有高竞争力，不锈钢筋和普通钢筋之间的成本差将会缩小[6]。在混凝土构件关键部位用不锈钢筋替代碳素钢筋，可以在兼顾成本的前提下大大延长钢筋混凝土结构的使用寿命，其使用寿命可达100 a以上[5]。

目前，许多国家已经制订了有关标准[7-10]，如英国标准 BS 6744:2001+A2：2009和美国材料试验协会标准 ASTM A955/A955M-10等，我国还没有制订专门针对不锈钢钢筋的标准，只是在2004年4月颁布的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—2004(2005年修订版))中，“有百年以上使用年限的特殊工程可选用不锈钢筋”的说明。

为提高我国沿海桥梁结构耐久性，考虑不锈钢品种价格与耐腐蚀性能，选取022Cr22Ni5MO3N(2205)、06Cr17Ni12MO2(316L)和00Cr23Ni4N(2304)不锈钢坯试制出3种不锈钢筋[5，11-12]，对其进行了力学、工艺等试验，试验结果可作为制订不锈钢筋产品标准的参考。

1 不锈钢筋力学性能

用022Cr22Ni5Mo3N(2205)、06Cr17Ni12Mo2(316L)和00Cr23Ni4N(2304)不锈钢坯试制成不同规格不锈钢筋(其中φ12以上为螺纹钢筋、其他为光圆钢筋)。初次试制的部分产品性能低于国外同类产品，且由于不锈钢热塑性差，轧制时不锈钢螺纹钢筋表面开裂，通过改善精炼工艺、控制轧制温度等技术攻关，成功试制出性能不低于国外同类产品的不锈钢筋。

选取试制成功的022Cr22Ni5Mo3N(2205)、06Cr17Ni12Mo2(316L)和00Cr23Ni4N(2304)不同规格不锈钢筋，同时选HPB235和HRB335钢筋进行对比拉伸试验，拉伸试验方法与普通钢筋相同，试验结果统计见表1。各种钢筋的典型荷载-位移曲线见图1。

表1 各直径钢筋试样力学性能的平均值及标准差

图1 钢筋拉伸试验的荷载-位移曲线对比Fig.1 Comparison of load-displacement curves of tensile test on steel bar

由表1看出，与碳钢相比，这3种不锈钢筋强度高，屈强比大，延伸率大，应用于混凝土结构不仅可以提高耐久性，还可以显著地节约钢材，提高抗震性能。但不锈钢筋弹性模量较低，用于大跨混凝土结构会产生较大变形和开裂，用于混凝土受压构件则其强度不能充分发挥。由图1看出，普通钢筋的荷载-位移曲线分4个阶段：弹性阶段、屈服阶段(不均匀屈服塑性变形)、强化阶段(均匀塑性变形)、颈缩阶段(不均匀集中塑性变形)；而不锈钢筋的荷载-位移曲线仅有3个阶段：弹性阶段、强化阶段(均匀塑性变形)、颈缩阶段(不均匀集中塑性变形)。与普通钢筋相比，不锈钢筋没有不均匀屈服塑性变形阶段，在荷载-位移曲线上表现为直接由弹性阶段进入均匀塑性变形阶段，说明不锈钢材质更均匀。

由表1看出，同品种不同直径钢筋的强度、延伸率、弹性模量等平均值接近，标准差较小，说明材质受直径影响不大，可将同品种不同直径钢筋的力学性能放在一起统计分析。根据《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153—2008)，对不锈钢筋强度试验数据的实测值用χ2法进行拟合度(分布类型)检验，在检验的显著性水平α=0.05时，其概率分布模型符合正态分布。则其强度标准值

(1)

根据试验实测数据计算出来的标准值见表2。考虑到不锈钢筋使用经验不足，各指标适当降低并取整数，作为产品出厂检验标准。

表2 各种不锈钢筋的力学指标标准值

2 不锈钢筋的弯曲

022Cr22Ni5Mo3N(2205)，00Cr23Ni4N(2304)和HRB335钢筋在同一台试验机上进行弯曲试验，部分钢筋弯曲后的表现见图2。钢筋弯曲后，弯曲面上均不存在裂缝、裂纹和断裂，揭示钢筋晶体组织均匀，内应力、夹杂物、未熔合和微裂纹等缺陷在合理限值内，说明不锈钢筋与普通钢筋有相似的冷弯性能，满足不锈钢筋混凝土构件成型时弯曲加工要求。

图2 部分弯曲后的钢筋Fig.2 Part bended steel bars

3 不锈钢筋焊接

以022Cr22Ni5Mo3N(2205)不锈钢筋为例，焊接材料采用00Cr23Ni9Mo3N(2209)不锈钢，022Cr22Ni5Mo3N(2205)不锈钢筋规格有直径14，32 mm，采用手工直流电弧搭接焊及对接焊。对接焊试件焊缝的低倍金相组织见图3(a)，图中左下部分为焊缝区，右上部分为母材区，以熔合线为界面区分。从图中看出，焊接接头的热影响区域较窄，金属晶粒没有明显粗化。图3(b)是焊接接头热影响区域放大的金相组织，母材为典型的奥氏体+铁素体双相组织形貌，图中颜色较深的部分为奥氏体，较浅部分为铁素体，奥氏体和铁素体的晶界处没有发现σ相析出。母材及焊缝的金相组织见图4，焊缝金相组织为铸态树枝晶组织，焊缝和热影响区域金相组织相比例测定见表3，焊缝铁素体比例虽有降低，但仍在50%附近，焊点处组织为焊态双相组织，不影响其受力及工艺性能。

图3 焊接接头热影响区域的金相组织Fig.3 Metallographic structure of heat affected zone of welded joint

图4 母材及焊缝处金相组织Fig.4 Metallographic structure at base metal and welding seams

测定部位12345均值焊缝418342884574450643794386热影响区域52736065509491147895304

对接焊试件进行拉伸试验，试件均在母材断裂，对接焊试件强度及断后伸长率与母材相当。对焊接试件进行V型缺口冲击试验，缺口位置分别位于焊缝及热影响区域距熔合线1 mm处，冲击断口为塑性断裂，焊缝区韧性要低于热影响区域，这是因为焊缝的金相组织为铸态组织，比母材热影响区域的轧态双相组织性能要差。将不锈钢筋焊接试样接头区域加工光滑后进行弯曲试验，弯曲直径等于不锈钢筋直径，弯曲角度180°，试件均完好无裂纹，表明焊接接头有良好的工艺性能。将不锈钢筋对焊接头加工成5 mm×20 mm×80 mm的晶间腐蚀试样，用不锈钢硫酸-硫酸铜试验方法进行晶间腐蚀试验，经180°弯曲后试样完好，无晶腐裂纹出现，说明其具有很强的耐点蚀及晶间腐蚀能力。通过焊接后的试验及分析，022Cr22Ni5Mo3N(2205)不锈钢筋焊接接头未出现明显恶化，说明其具有很好的可焊接性。

4 不锈钢筋螺纹连接

以022Cr22Ni5Mo3N(2205)不锈钢筋为例，不锈钢筋螺纹连接采用镦粗、滚压直螺纹连接，套筒的材料为同钢种不锈钢，根据《钢筋机械连接通用技术规程》(JCJl07—2003)，不锈钢筋镦粗、滚压直螺纹丝头及连接套筒尺寸见表4。接头单向拉伸、接头高应力反复拉压、接头大变形反复拉压等试验均断裂在母材，满足规程型式检验的要求。不锈钢筋疲劳试验的最高应力为230 MPa，应力幅为100 MPa，大于200万次循环，满足规程疲劳检验的要求。

5 结论

与普通碳素钢筋相比，试制的022Cr22Ni5Mo3N(2205)、06Cr17Ni12Mo2(316L)和00Cr23Ni4N(2304)等3种不锈钢筋，强度高，屈强比大，延伸率大；弯曲后表面上均不存在裂缝、裂纹和断裂；焊接试件拉伸均在母材断裂，焊接接头弯曲后均完好无裂纹，焊接接头有很强的耐点蚀及晶间腐蚀能力。不锈钢筋镦粗、滚压直螺纹连接单向拉伸性能、接头高应力反复拉压性能、接头大变形反复拉压性能、疲劳性能等均能满足螺纹连接规程要求。因此不锈钢筋力学、工艺性能也满足混凝土构件成型及结构使用的要求。

不锈钢筋应用于混凝土结构不仅可以提高耐久性，还可以显著节约钢材，提高抗震性能，可广泛应用于沿海桥梁工程等处于严重腐蚀环境的混凝土结构，降低维修、检查成本，减少由于维修造成的运营中断或限制通行，大大延长混凝土结构的使用寿命，具有巨大的经济效益和社会效益。

表4 连接套筒、镦粗钢筋丝头尺寸表(单位：mm)

[1] GEDGE G. Structural Uses of Stainless Steel-building and Civil Engineering [J].Journal of Constructional Steel Research，2008，64(11): 1194-1198.

[2] 张国学,吴苗苗.不锈钢钢筋混凝土的应用及发展[J].佛山科学技术学院学报：自然科学版，2006，24(2)：10-13. ZHANG Guo-xue, WU Miao-miao. Application and Development of Stainless Steel Rebars for Reinforced Concrete Structures [J]. Journal of Foshan University：Natural Science Edition, 2006, 24 (2): 10-13.

[3] 袁焕鑫，王元清，石永久. 不锈钢筋混凝土初探及应用前景[J].建筑科学，2011,27(5)：101-105. YUAN Huan-xin, WANG Yuan-qing, SHI Yong-jiu. P Preliminary Study and Application Prospect of Stainless Steel Reinforced Concrete [J]. Building Science, 2011,27 (5): 101-105.

[4] 梁爱华.不锈钢钢筋用于混凝土的研究[J].建筑技术，2000，31(2)：105-107. LIANG Ai-hua. A Study and Research of Stainless Steel in Concrete Structure [J].Architecture Technology, 2000, 31 (2): 105-107.

[5] 张劲泉，李承昌，郑晓华,等. 不锈钢筋混凝土结构研究[M]. 北京:人民交通出版社,2015. ZHANG Jin-quan, LI Cheng-chang, ZHENG Xiao-hua,et al. Study on Structure of Stainless Steel Reinforced Concrete [M]. Beijing: China Communications Press, 2015.

[6] 骆鸿，董超芳，肖葵，等. 节镍型不锈钢钢筋在混凝土环境中腐蚀研究现状及进展[J].表面技术, 2015，44(3)：63-67. LUO Hong, DONG Chao-fang, XIAO Kui, et al. Research Status and Progress on Corrosion of the Low-nickel Stainless Steel Rebar in the Concrete Environment [J]. Surface Technology，2015, 44 (3): 63 -67.

[7] BS 6744:2001+A2：2009, Stainless Steels Bars for the Reinforcement of and Use in Concrete: Requirements and Test Methods[S].

[8] ASTM A955/A955M:2004a, Standard Specification for Deformed and Plain Stainless-steel Bars for Concrete Reinforcement[S].

[9] BS EN 10088-3-2005, Stainless Steels-Part 3: Technical Delivery Conditions for Semi-finished Products, Bars, Rods, Sections and Bright Products of Corrosion Resisting Steels for General Purposes [S].

[10]NS3576-2:2009,Steel for Reinforcement of Concrete-Part 2: Ribbed Bars [S].

[11]耿会涛，赵西文，李清富.某大桥桥墩防腐工程方案优选[J].河南建材，2012(1):29-31. GENG Hui-tao, ZHAO Xi-wen, LI Qing-fu. Optimal Selection of Anti-corrosion Engineering Scheme for a Bridge’s Piers [J]. Henan Building Materials, 2012 (1): 29-31.

Mechanical and Processing Properties of Stainless Steel Bar

LI Cheng-chang1, MU Ming-hao2, NIE Chang-xin3, LI Qing-fu4, WANG Hui-mian5

(1. Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China;2. Shandong High-speed Group Co., Ltd., Jinan Shandong 250098, China;3. Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute, Jinan Shandong 250031, China;4. Zhengzhou University, Zhengzhou Henan 450001, China;5. Taiyuan Iron and Steel (Group) Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030003, China)

In order to apply stainless steel bar to the coastal bridge and improve its durability, 3 types of stainless steel bar product are trial-produced. The tensile and bending contrast tests on the stainless steel bar and ordinary steel bar are carried out. The tests show that stainless steel bar has excellent corrosion resistance, and its mechanical and processing properties also met the requirements of the use of concrete structures. With the welding process test, the metallographic analysis of welding seams, and intergranular corrosion, impact, tensile and bending tests on the stainless steel bar is carried out. It shows that the welded joints of the stainless steel bar have not show obvious deterioration and has good weldability. The stainless steel thread connection head and connecting sleeve are designed, and the tensile and compression properties, the fatigue performance and so on of the joint could meet the requirements of the screw connection procedure.

bridge engineering; performance of stainless steel bar; experimental study; strength and process; welding; screw connection

2016-02-26

交通运输部科技项目(2011 318 223 880)

李承昌(1963-)，男，山东新泰人，工程应用研究员.(chch.li@rioh.cn)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.001

U448.34

A

1002-0268(2016)12-0001-05