不锈钢筋的研究进展及其应用

李清富 王进伟

不锈钢筋的研究进展及其应用

李清富 王进伟

（郑州大学水利与环境学院，河南 郑州 450001）

为解决恶劣环境条件下普通钢筋混凝土结构钢筋锈蚀难题，近年来，不锈钢筋越来越受到国内外研究者的关注。本文在综合国内外相关成果的基础上，结合本课题组前期的研究工作，着重介绍不锈钢筋的国内外研究进展与应用情况，为今后不锈钢筋产品的研发和推广应用提供参考。

不锈钢筋；不锈钢筋混凝土；钢筋锈蚀；研究进展

钢筋混凝土是目前世界上使用量最大的建筑材料，被广泛应用于水利工程、交通工程、港口工程、建筑工程等领域。其中，水利工程、港口工程及部分交通工程通常处于恶劣的环境中，这种环境下，混凝土中的钢筋极易快速锈蚀，降低钢筋混凝土结构的耐久性，甚至危及工程安全。为了解决钢筋锈蚀问题，目前最常用的处理方法包括采用高性能混凝土、增大混凝土保护层厚度、混凝土表面涂层封闭、使用钢筋阻锈剂、环氧涂层钢筋、阴极保护，等等。这些方法能在一定程度上延缓钢筋锈蚀，但不能彻底解决钢筋锈蚀的难题。近几来兴起的不锈钢筋以其优良的耐腐蚀性能和良好的力学性能、焊接性能、抗震性能等，可从根本上解决钢筋锈蚀的问题。

1 不锈钢筋简介

不锈钢筋是由不锈钢经轧制而成的一种新型钢筋。不锈钢是指在大气、淡水等弱腐蚀介质及海水、酸性、碱性等强腐蚀介质中都具有良好耐腐蚀性能的一类钢。不锈钢除了具有足够的耐腐蚀性能外，还拥有良好的强度和塑性性能，同时拥有稳定的力学性能，且焊接性能优良［1］，不锈钢的这些优良性能主要由其化学成分决定［2］。不锈钢是一种以铁为主要元素，同时含有多种合金元素的高合金钢。其中，合金元素主要包括铬（Cr）、镍（Ni）、碳（C）、钛（Ti）、铌（Nb）、锰（Mn）、氮（N）、硅（Si）、钼（Mo）、铜（Cu）、铝（Al）、硫（S）、磷（P）等十几种。铬是不锈钢中的首要合金元素，当普通钢中含铬量达到并超过12%时，普通钢的耐蚀性会发生突变，从不耐腐蚀状态过渡到耐腐蚀状态。镍在不锈钢中是仅次于铬的合金元素，镍与铬的配合能显著提高不锈钢的耐蚀性，镍的加入还改善了不锈钢的高温抗氧化性、焊接性能和力学性能。钼也是不锈钢中的重要合金元素，能显著强化铬的耐蚀性。碳能提高不锈钢的强度、稳定奥氏体区。钛和铌能先于碳与铬结合，阻止晶间腐蚀的发生。锰和氮能促进奥氏体的形成，而且可部分代替昂贵、稀少的镍。硅能提高不锈钢的抗氧化性和流动性，但是，硅含量过高的不锈钢，其焊接性能不佳。铜可提高不锈钢在非氧化性介质中的抗腐蚀能力。铝可提高不锈钢的抗氧化性。硫和磷在多数情况下被认为是杂质元素，特殊条件下能改善不锈钢的性能，但应用不多［2，3］。

不锈钢筋的发展与其工程应用息息相关。不锈钢筋的工程应用始于20世纪30年代末40年代初，至今已经经历了三次大的发展：不锈钢筋的第一次发展开始于20世纪30年代末墨西哥Progreso Pier大桥的兴建，这也是不锈钢筋首次应用在工程中。不锈钢筋的第二次发展是在21世纪初的十年间。在这期间，不锈钢筋的工程应用迎来了第一次高潮。世界发达国家，尤其是西方国家，如英国、西班牙、意大利和美国等纷纷进行了尝试，在很多处于严重腐蚀环境下的工程中使用了不锈钢筋。不锈钢筋的第三次大发展是2010年之后至今的几年。这次发展与第二次的主要区别在于不锈钢筋应用的国家和地区更广，亚洲很多国家都开始在工程中尤其是一些重大的跨海工程中应用不锈钢筋，这说明工程界对不锈钢筋的抗腐蚀性能信心十足。

2 不锈钢筋研究现状

阿赛洛公司在第五届欧洲不锈钢科学和市场大会上指出：作为混凝土增强件的不锈钢筋的使用在世界上越来越多，对不锈钢筋性能的研究日益迫切［4］。截至目前，国内外学者对不锈钢筋的抗腐蚀性能研究较多，而对不锈钢筋混凝土受力性能研究较少，这阻碍了其在工程中的推广应用。

不锈钢筋的早期研究可以追溯到20世纪后半叶，研究工作重点主要集中在不锈钢筋的耐腐蚀性能方面。研究结果表明：不锈钢筋的抗腐蚀性能远远优于普通碳素钢筋，在恶劣环境中，不锈钢筋的锈蚀速度是普通钢筋的0.1%；在氯离子环境中，其能承受的氯离子浓度临界值达到普通碳素钢筋的7倍；不锈钢筋不易锈蚀的特性对钢筋混凝土构件中混凝土的裂缝有明显的延缓作用［5，6］。

2000年以后，不锈钢筋的研究工作有了较大变化。首先是研究内容的变化。在进行不锈钢筋耐蚀性研究的同时，开始有不少学者对不锈钢筋混凝土构件性能进行研究，并取得了初步成果。比如，梁爱华、许永生［7，8］等对混凝土梁裂缝的研究表明，不锈钢筋混凝土梁的裂缝和挠度计算可采用普通钢筋混凝土梁的计算方法；Yihui Zhou［9］通过试验发现，不锈钢筋具有良好的延性和抗疲劳破坏性能；赵峰、张志浩［10，11］等通过不锈钢筋混凝土梁、柱抗震研究认为，不锈钢筋混凝土构件抗震性能良好，不锈钢筋可用于抗震设计；张颖［12］等通过对不锈钢筋混凝土板疲劳性能的研究，认为不锈钢筋抗疲劳性能良好；李承昌等研究认为表明，不锈钢筋的力学性能优异，尤其是其强度高、断后伸长率大、冷弯性能好，但弹性模量偏低；李清富、耿会涛、李承昌等在试验研究的基础上，给出了不锈钢筋与混凝土粘结力的计算公式，并验证了平截面假定在不锈钢筋混凝土梁中仍然适用［13-16］。其次是国内学者对不锈钢筋的研究高度关注，已经做了不少研究工作。2000年以前，我国对不锈钢筋的研究极少。最近几年，不少高校、科研机构和生产企业开始对不锈钢筋及其构件进行系统深入的研究［14-18］，并取得了丰硕的研究成果，为不锈钢筋在我国的推广应用奠定了良好的基础。

3 不锈钢筋的应用现状

不锈钢筋经过几十年的研究和发展，已经逐渐被建筑工程师们认可并用于实际工程。不锈钢筋在实际工程中良好的抗腐蚀表现也使工程师们对其信心倍增，其应用频率不断提升，使用范围也逐步扩大。

不锈钢筋首次应用的工程是墨西哥的Progreso Pier大桥，该桥始建于1937年，建设过程历时4年。该桥所在的地区属于热带海洋环境，该环境对钢筋有严重腐蚀性。设计师为了提高桥的耐久性，在桥墩部位使用了220t直径为30mm的AISI304不锈钢筋。在60余年的服务期内，使用不锈钢筋的桥墩没有经过一次维修，且检查也没有发现明显的劣化迹象［19-20］。

历经半个世纪的侵蚀破坏，Progreso Pier大桥的成功引起了工程界的关注。21世纪初期的10年间，世界各国开始在很多工程中使用不锈钢筋。英国于2000年建成并投入使用了Millennium Bridge，该桥使用了1.4462级不锈钢筋；同年投入使用的还有西班牙北部城市毕尔巴鄂建设的Padre Arrupe Bridge，该桥在建设时使用了1.4362级不锈钢筋。在西班牙梅诺卡岛的Algendar河上有一座混凝土桥，经过30余年的使用，结构严重损坏，于2004年10月开工重新建造了CalaGaldana Bridge，该桥的两条纵梁和横梁及两道平行拱等主体结构都采用了1.4462级不锈钢筋。英国霍利黑德于2006年投入使用的Celtic Gateway Foot Bridge使用了1.4362级不锈钢筋。意大利的锡耶纳建造了一座人行天桥Siena Bridge，该桥的主梁和桥塔使用了1.4162级不锈钢筋，这是世界上第一座不锈钢人行天桥。日本冲绳古宇利大桥是日本首次使用不锈钢筋建设的工程，该桥连接冲绳本岛和古宇利岛，长约2km，两侧壁面的横拉结构材料使用了30t镍系不锈钢筋，于2006年竣工。2010年，在阿联酋建成通车的Sheik ZayedBrige在支撑结构中使用了1.4462级不锈钢筋。

近年来，我国也在部分桥梁工程中开始使用不锈钢筋，最著名的当属港珠澳大桥。港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门的超大型跨海通道，全长55km。港珠澳大桥设计时面临几个技术难题：大桥所处环境湿度大、氯离子浓度高达1.076～1.700mg/L，且台风较多。在这样严酷的环境下，还要满足港珠澳大桥120年使用寿命的要求，设计方决定采用抗腐蚀性能优异的不锈钢筋，这是首次在国内桥梁设计中使用不锈钢筋，也是首次在国内建设的桥梁上使用国内生产的不锈钢筋。在港珠澳大桥设计中，不锈钢筋主要用于桥面以下受海水腐蚀影响较重的部位，如墩身、承台、塔座、桥台、支座垫石等。历时4年，2016年9月27日，港珠澳大桥主体桥梁正式贯通［21］。国内使用不锈钢筋的工程还有香港昂船洲大桥、香港斜坡工程、香港湾仔道路工程［22］、浙江台州的园里溪桥加固工程、广西壮族自治区的红树林大桥［22］等。

4 结论与展望

半个多世纪以来，关于不锈钢筋耐腐蚀性能的研究和工程应用表明，不锈钢筋的耐腐蚀性能可从根本上解决恶劣环境中混凝土结构的钢筋锈蚀问题，提高混凝土结构的耐久性。同时，不锈钢筋的力学性能、焊接性能、抗震性能良好，能满足混凝土结构对钢筋的要求。但是，不锈钢筋的基本力学性能和应力-应变关系与普通钢筋存在明显差异，因此，迫切需要对不锈钢筋混凝土结构的受力性能和计算理论进行研究。

目前，我国提出了“海上丝绸之路”的发展战略，势必会有很多港口、桥梁等需要建设，且这些工程大都处于海水腐蚀环境中，对混凝土结构的耐久性要求高，采用不锈钢筋将是良好的选择。因为不锈钢筋具有良好的力学性能，取代普通钢筋用于混凝土结构中不会影响结构的承载能力，更重要的是，不锈钢筋具有良好的耐腐蚀性，极大延长桥的结构寿命，节省大量的后期维修费用。同时，与其他防腐蚀方法相比，施工更加简单、便捷，防腐效果更高。可以预料，不锈钢筋将会在恶劣腐蚀环境下的结构工程中得到广泛应用。

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Research Progress and Application of Stainless Steel

Li Qingfu Wang Jinwei
（College of Environment and Water Conservancy,Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Stainless steel which can help solve the problem of rebar corrosion of reinforced concrete struc⁃ture in severe environmental conditions has attracted more and more attention of both domestic and foreign researchers in recent years.This paper was based on the worldwide research achievements,in the mean⁃time,combined with the previous work of our research group,and emphatically introduced the development and application of stainless steel.The essay would also provide reference for the development and promo⁃tion of stainless steel products in the future.

stainless steel bars；stainless steel reinforced concrete；rebar corrosion；research progress

U445.57

A

1003-5168（2017）10-0107-03

2017-09-01

国家自然科学基金项目资助（项目编号：51679220）

李清富（1966-），男，博士，教授，研究方向：工程安全性与耐久性。