复合轧制工艺在钢筋耐腐蚀领域的研究和应用

何琴琴

1.复合钢筋产生的背景

相关研究表明，钢筋腐蚀是影响混凝土结构耐久性的第一因素，提高钢筋自身的耐腐蚀性能是防止、延缓建筑钢筋腐蚀的最有效方法。因此，国内外在普通碳素钢筋的基础上相继开发了环氧树脂涂层钢筋、镀锌钢筋和不锈钢钢筋等，并在相关工程中大量使用。见表1。

早在上个世纪初期，不锈钢钢筋就已经在世界范围内开发并在桥梁、建筑物、道路等建设中使用。1937-1941年，墨西哥建成了世界上第一座使用304不锈钢钢筋的桥梁，至今完好无损。由此可见，不锈钢钢筋的耐腐蚀性能优良。经过几十年的发展，不锈钢材质也在不断的更新换代，从300系列奥氏体不锈钢到2101、2205、2304双相不锈钢等。

我国相关部门于2004年5月提出：在特别严重的腐蚀环境下，要求确保百年以上使用年限的特殊重要工程，可选用不锈钢钢筋[1]。这是我国对不锈钢钢筋应用的首次许可。我国GB50153-2008《工程结构可靠性设计统一标准》规定，铁路桥涵结构和公路桥涵结构的设计基准期为100年。2017年我国颁布了首个混凝土用不锈钢国家标准：GB/T 33959-2017《钢筋混凝土用不锈钢钢筋》。

近年来，我国部分跨海大桥工程已开始使用不锈钢钢筋代替普碳钢筋，如2003年开工建设的深圳湾跨海大桥和昂船洲大桥，中外层钢筋都使用不锈钢钢筋。2009年开工建设的港珠澳跨海大桥，使用的是2205双相不锈钢钢筋。

但纯不锈钢钢筋虽然具有优良的耐蚀性能，同时也存在强度低、成本高等问题，推广应用难度较大。因此寻求具有不锈钢钢筋的耐腐蚀性能、成本低廉、强度还高于不锈钢钢筋的材料，是人们迫切追求的目标，对各种耐腐蚀复合钢筋的研发也成为必然。不锈钢/碳钢复合钢筋作为新型的复合材料，具有耐腐蚀和综合力学性能的优点，因而成为工程材料的研究热点。不锈钢覆层钢筋结合了耐腐蚀、高强度和经济性等特点，为桥梁和隧道工程设计、建设和使用，提供了新的材料和思路。

表1 各种钢筋混凝土建筑物的使用寿命

2.不锈钢覆层钢筋的设计开发

不锈钢覆层钢筋是指内层为普碳钢，外层包覆不锈钢，通过各种加工方法，使两层金属达到冶金结合的一种新型钢筋。

1982年国外便提出了不锈钢/碳钢复合棒材的概念，即在碳钢外层包裹一层不锈钢。随后美国、日本等国争相展开了对不锈钢覆层钢筋的研究。上世纪末，国外有企业突破了不锈钢、碳钢复合钢筋复合技术和成本方面的瓶颈，开发出了以铁屑为内芯，不锈钢做外层的复合钢筋产品，随后不锈钢/碳钢复合钢筋的各种产品逐渐推广，并应用到海港建筑、滨海电站建筑、海岸堤坝建筑、海洋隧道、桥梁建筑和海上油气田陆地终端等领域[1]。

与国外不同，我国至今仅有少数科研院所及企业对不锈钢/碳钢复合钢筋进行研究和生产，一方面存在着复合率与成本方面的困扰，限制了产品的推广及研发，另一方面国内习惯于传统的防腐蚀方法，但忽视了这些传统方法存在的局限性。

2.1 耐腐蚀不锈钢/碳钢复合钢筋的性能研究

不锈钢/碳钢复合钢筋是一种芯部为普通碳素钢，外部覆层为不锈钢，利用加工工艺使两部分金属达到冶金结合的一种性能优越的钢筋。其力学机械性能基本由芯部碳钢决定，热传导系数和磁性等物理性能与普通钢筋相似。国外研究者对不锈钢覆层钢筋的耐腐蚀性能进行了大量研究，结果显示在模拟海水环境下，不同钢筋的耐蚀性能如下：316≈Stelax（不锈钢覆层钢筋）＞2201＞MMFX-II™＞3Cr12＞Black Bar（普通碳钢）。不锈钢覆层钢筋屈服强度比316纯不锈钢钢筋提高50%，耐腐蚀性能与316纯不锈钢钢筋相当，能满足工程建筑100年耐久性设计寿命的需求。

2.2 耐腐蚀不锈钢/碳钢复合钢筋主要的生产工艺

目前，研究比较多的不锈钢/碳钢复合钢筋生产工艺主要有五种：a.喷射沉积+轧制复合[2]；b.中间层液相扩散复合[3]；C.拉拔+旋转减径机轧制复合[4]；d.废铁屑、不锈钢的压缩结合+轧制复合[5]；e.焊接+轧制复合。较有前途的方法是采用碳钢屑或者碳钢棒作为碳钢芯，采用轧制复合方式，生产覆层钢筋。

2.3 不锈钢/碳钢复合钢筋的生产需要解决的问题

2.3.1双金属表面复合状况

衡量不锈钢覆层钢筋质量好坏的最重要的指标是不锈钢与碳钢的复合状况。

不锈钢覆层钢筋生产工艺要经过多道次孔型轧制过程，会产生侧向拉应力。在拉应力的作用下，容易导致碳钢和不锈钢界面结合强度降低，在使用中容易出现腐蚀的缺陷。

在双金属材料轧制时，除要考虑应力对复合状况的影响外，还要考虑塑性应变对两金属复合状况的影响，需要尽量减少不锈钢与碳钢接触处的变形不同步造成的两者之间的相对滑动。一方面，由于碳钢的变形抗力较不锈钢小，更容易变形；另一方面，不锈钢与轧辊接触传递大量热量，使不锈钢层温度低于内部碳钢温度，增大了不锈钢的变形抗力，造成两者变形的不同步性。因此，除了孔型设计还需要考虑采用什么样的轧制条件，来增强两者的冶金结合。

2.3.2不锈钢壁厚均匀性

由于采用孔型轧制，如果孔型设计不合理则易产生不锈钢壁厚不均匀，影响不锈钢外部覆层复合钢筋的使用性。不锈钢覆层钢筋轧制中，末道次圆形截面轧件的不锈钢覆层厚度的均匀程度，是衡量不锈钢覆层钢筋产品质量优劣的一个重要指标。轧件成品中，不锈钢层的最小厚度是覆层钢筋不锈钢层的有效壁厚，若横断面上不锈钢层最大厚度与最小厚度之间的差值较大，则相对来说浪费了不锈钢原料，这是由于覆层钢筋的抗蚀性是以不锈钢的最小厚度为基准的。因此，在相同抗蚀性能下，不锈钢层的厚度越均匀，则生产此种规格的产品所用的不锈钢管原料初始厚度越小，也利于节约成本。因此，还需进一步研究采取何等措施，使末道次不锈钢壁厚更加均匀。

燕山大学的研究认为：合理的初始轧制温度及前两道次的大压下轧制，有利于两金属的冶金结合，合理的轧制速度，有利于不锈钢覆层壁厚分布的均匀性。

3.国内外不锈钢覆层钢筋产品现状

3.1 国外不锈钢覆层钢筋产品

目前，具备工业化生产不锈钢/碳钢复合钢筋的厂商主要有NXInfrastructure Limited 和Stelax Industries Ltd.[6]，其产品主要应用于美国市场。这两家公司采用的工艺类似，采用热轧复合的方法，碳钢内芯是由废钢屑通过固态熔合技术，在全自动连续废钢处理设备上转换而成。不锈钢管是由不锈钢卷通过焊管机焊接而成，将处理后的废钢屑与不锈钢钢管在全自动产品压力机上压合，利用现有的热轧小型材生产工艺过程，通过热轧，将上述复合坯料轧制成不锈钢复合螺纹钢筋，实现不锈钢和内部碳钢的结合。其中Stelax工业公司已经形成了多项专利技术，并将其专利产品称之为NUOVINOX钢筋。

废铁屑、不锈钢的压缩结合+轧制复合生产复合钢筋的方法，不仅在国外一些钢铁公司有一定的研究和生产实践，工艺技术相对较成熟，而且在成本控制上具有一定的优势，只需要在现有的钢筋生产线上，添加一套废钢处理设备、全自动压力机和配套设备即可实现。相对来说，这是一种比较合理、较易实现的生产工艺。

国外企业采用该工艺生产的各种产品慢慢地推广并应用到海港建筑、滨海电站建筑、海岸堤坝建筑、海洋隧道、桥梁建筑和海上油气田陆地终端等领域。

3.2 国内不锈钢覆层钢筋产品

2015年，湖南三泰新材料股份有限公司（下文简称“湖南三泰”）在现有技术的基础上，提出净界面复合方法，开发出一种净界面复合制坯后热轧成形制备不锈钢/碳钢复合钢筋的新工艺。该工艺将表面处理后的碳钢与内表面处理后的不锈钢管套装，经抽真空处理及等离子焊接，制成复合坯料，再经形性协同工艺热轧成形[6]。同年形成专利CN105150608：一种不锈钢／碳钢双金属螺纹钢及其复合成型工艺。

2016年，湖南三泰新材生产了首批耐腐蚀不锈钢/碳钢复合钢筋，芯材采用l2米长HRB400碳钢连铸坯。覆层采用3l6不锈钢钢管，采用净界面组坯技术，将不锈钢覆层与碳钢芯复合制成复合钢坯，钢坯经加热炉加热至1150℃后出炉，在18机架连轧机上，经形性协同变形轧制工艺，轧制成10mm的带肋钢筋。

项目组采用普通碳素钢筋、与自制的316不锈钢覆层钢筋制成钢筋混凝土试样，在普通室外环境中放置3年后，普通碳素钢筋表层已完全锈蚀，周围混凝土出现了宽度约1mm的裂纹，不锈钢覆层钢筋未发生肉眼可见的腐蚀，与周围混凝土结合牢靠。

2018年，钢筋混凝土用热轧碳素钢-不锈钢复合钢筋国标发布后，柳钢展开了不锈钢复合钢筋的研究与开发。柳钢与湖南三泰新材料股份有限公司合作，完成了不锈钢复合钢筋坯料的技术开发，通过控制真空度以及冷却速度等变量，获得结合质量优异的复合界面，设计了适用于不锈钢复合钢筋轧制的新孔型，研究制定了最优的不锈钢复合钢筋轧制方案。

2020年，柳钢棒线型材厂轧制的首批φ25mm不锈钢复合钢筋下线。经检测，成品表面质量良好、屈服强度高于445MPa、抗拉强度超645MPa、最大力总伸长率大于16%以上等各项指标优良，均符合GB/T36707-2018钢筋混凝土用热轧碳素钢-不锈钢复合钢筋标准。

4.不锈钢覆层钢筋在混凝土结构中的优势

4.1 满足100 年工程需求

不锈钢覆层钢筋力学性能与芯部碳素钢筋相当，表层不锈钢与芯部碳钢冶金结合质量良好，能有效保证覆层钢筋的耐腐蚀性能，满足工程建筑100年耐久性设计寿命的需求。

4.2 全寿命周期综合成本优势

不锈钢覆层钢筋材质80%为碳素钢，价格不到不锈钢钢筋的50%，工程成本降低；优良的耐腐蚀性能使得混凝土结构的保护层厚度、表面涂层、钢筋阻锈剂等的用量降低或取消，施工难度降低。因此，在工程全寿命周期内，其综合成本具有显著优势。

4.3 沿海及盐碱地地区路桥、隧道建设施工简单

沿海地区及海岛上，海拌海养是混凝土结构发展的重要方向，采用不锈钢覆层钢筋作为海工混凝土结构中的增强材料，无需特殊处理，可以直接采用珊瑚礁、砂集料、海水拌养混凝土，施工简单、效率高。在北方盐碱地地区，采用不锈钢覆层钢筋的混凝土结构，同样可以就地取材，直接利用当地的沙石及水源拌制混凝土，同时能保证混凝土结构的强度及耐久性需求。

4.4 维护成本优势

不锈钢覆层钢筋拥有与纯不锈钢相当的耐腐蚀性能，混凝土结构中使用不锈钢覆层钢筋后，可从根本上解决钢筋腐蚀导致的混凝土结构失效问题，使整个工程建筑基本免于维护，大幅降低了工程结构的维护、维修费用[6]。

5.不锈钢/碳钢复合钢筋的推广和应用

由于钢筋腐蚀引起的混凝土结构破坏，已成为令全世界困扰的难题。现有的耐腐蚀钢筋很难满足实际工程的应用，新型耐腐蚀钢筋的开发势在必行。

在追求资源节约、环境友好的新型工业化背景下，耐腐蚀不锈钢/碳钢复合钢筋的开发与应用意义重大，具有节约W、Mo、Ni、V等贵重金属的用量，对环境友好、不产生新的环境污染，能获得优良耐蚀性及力学性能，有很高的性价比等优势，是耐蚀钢筋发展的重要方向。有望在桥梁、公路及海洋工程等领域得到广泛应用，具有广阔前景。目前，我国的不锈钢/碳钢复合钢筋还未进入批量化生产和应用，不锈钢/碳钢复合钢筋的应用还需要多方面的配合与推动。

可喜的是，由湖南三泰新材料股份有限公司、中冶建筑研究总院有限公司、钢铁研究总院等单位联合起草的国家标准GB/T 36707—2018《钢筋混凝土用热轧碳素钢——不锈钢复合钢筋》，已于2018年9月17日正式颁布，2019年6月1日实施，为我国不锈钢覆层钢筋的推广和应用奠定了坚实基础。当然，这还需要结合与之相关的钢筋混凝土用钢试验方法、冶金技术标准的数值修约与检测数值的判定，以及热轧带肋钢筋金相组织检验，建立完善的综合评价体系，来开展产品的推广应用与实际工程检验，从而更好地推动生产工艺的优化及产品的升级。