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世界高強度建筑鋼筋的最新技術(shù)進展
[ 編輯:admin | 時間:2012-08-29 14:17:30
| 瀏覽:2172次 | 來源:中國市政建設(shè)網(wǎng) | 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(shè)計規(guī)范在歐洲和美國誕生,它使人們認識到作為混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋需要使用專門設(shè)計的鋼材。最初的技術(shù)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(chǎn)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(jié)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(fā)展方向。最初人們通過提高鋼中碳、錳含量,生產(chǎn)出了最早的高強度鋼筋,其碳質(zhì)量分數(shù)約為0.35%,錳質(zhì)量分數(shù)隨鋼筋尺寸的變化控制在0.90%~1.45%的范圍內(nèi),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(jié)性能不好。熱軋+扭彎工藝是歐洲曾經(jīng)普遍應(yīng)用的高強度鋼筋生產(chǎn)技術(shù),即“熱軋扭鋼筋”,其屈服強度范圍為360MPa~400MPa,少量也應(yīng)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(fā)展,它促進了鋼筋生產(chǎn)技術(shù)的轉(zhuǎn)變。微合金化鋼筋的開發(fā),使得鋼筋的生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)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(shù),即眾所周知的“Tempcore”工藝和“Thermex”工藝，首先在歐洲獲得了成功應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)。 高強度鋼筋的生產(chǎn)技術(shù) 鋼筋的性能主要取決于鋼的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝參數(shù)。考慮到焊接技術(shù)在現(xiàn)代建筑上的廣泛應(yīng)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(chǎn)技術(shù)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(chǎn)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(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,芯部的熱量來不及傳出,仍處于奧氏體狀態(tài)。第二階段為自回火階段。鋼筋芯部的熱量向表面?zhèn)鬟f擴散,使表面淬火馬氏體發(fā)生回火轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體,芯部仍保留奧氏體組織。第三階段為芯部組織轉(zhuǎn)變階段。鋼筋在冷卻過程中,芯部的冷卻速度較小,發(fā)生鐵素體+珠光體轉(zhuǎn)變。 通過分析國外高強度余熱處理鋼筋典型的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)余熱處理工藝生產(chǎn)的高強度鋼筋中合金含量低,具有明顯的成本優(yōu)勢。除一次性設(shè)備投入外（軋后水冷裝備）,生產(chǎn)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(chǎn)的一條有效途徑。 微合金化技術(shù) 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(zhì)量分數(shù))在0.02%~0.15%的范圍內(nèi),結(jié)合適當?shù)墓に嚳刂?可使鋼的強度成倍提高。微合金化技術(shù)是20世紀下半葉鋼鐵物理冶金領(lǐng)域最重大的成就之一,它為高強度鋼的生產(chǎn)提供了一條經(jīng)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(jié)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(chǎn)品的具體生產(chǎn)工藝條件。除了技術(shù)方面的考慮外,經(jīng)濟性也是決定工藝選擇的重點內(nèi)容。 研究證明,V-N微合金化是生產(chǎn)高強度鋼筋的一條經(jīng)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(jié)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(jié)約50%,充分體現(xiàn)了技術(shù)經(jīng)濟的優(yōu)勢。V-N微合金化鋼筋具有性能穩(wěn)定、強度波動范圍小、應(yīng)變時效敏感性低、焊接性優(yōu)良等特點,滿足抗震、耐火的設(shè)計要求。 細晶粒鋼筋技術(shù) 在“973”超細晶粒鋼項目研究成果的基礎(chǔ)上,中國開展了高強度細晶粒鋼筋的生產(chǎn)技術(shù)研究工作。通過在Ar3附近進行變形,利用形變誘導(dǎo)相變(DIFT)技術(shù),可獲得超細晶粒組織,這樣在普通碳素鋼的基礎(chǔ)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(dǎo)致焊接熱影響區(qū)晶粒長大,從而使焊接接頭出現(xiàn)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(shù)是今后推廣細晶粒鋼筋的工作重點。另外,目前國內(nèi)大多數(shù)棒材生產(chǎn)線還不能滿足超細晶鋼筋的生產(chǎn)條件,需要進行必要的設(shè)備改造才能勝任。 鋼筋的功能化 抗震、耐火鋼筋 地震、火災(zāi)是建筑物破壞的天敵,抗震設(shè)計是建筑設(shè)計的重要組成部分,特別是對處于地震地區(qū)的建筑物來說尤為重要。為了滿足建筑物抗震設(shè)計的要求,西方國家對抗震鋼筋進行了深入系統(tǒng)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(shù)歐洲國家已經(jīng)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(guī)范還有對鋼筋大應(yīng)變低周疲勞性能、應(yīng)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(fā)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(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)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(shù)開發(fā)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(fā)生的同時往往容易引起火災(zāi),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(huán)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(shù)廣泛應(yīng)用于耐蝕鋼筋,包括環(huán)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(fā)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(shè)計要求,開發(fā)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(yōu)良的耐腐蝕性能,還具有高強度、高塑性、優(yōu)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(yōu)良的高溫性能滿足了耐火鋼筋的要求。優(yōu)良的低溫韌性可確保低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)的安全性。混凝土中的pH值是堿性或近中性,在此環(huán)境下不銹鋼不會發(fā)生一般的腐蝕,唯一需要考慮的是其點蝕傾向。研究結(jié)果顯示,高氮不銹鋼具有優(yōu)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(jīng)濟有效途徑。 結(jié)語 高強度鋼筋是西方發(fā)達國家主要的建筑鋼筋。歐洲建筑鋼筋已經(jīng)升級到以500MPa的IV級鋼筋為主,日本開發(fā)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(jīng)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(yīng)用比例是中國建筑鋼筋領(lǐng)域一項長期而艱巨的任務(wù)。 
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