何琴琴

1.低合金耐腐蝕鋼筋開發(fā)的必要性

在全球范圍內，按照重要性排列，鋼筋腐蝕、寒冷氣候下的凍害以及侵蝕環(huán)境的物理化學作用是使混凝土發(fā)生破壞的根本原因，鋼筋銹蝕被稱為“混凝土耐久性危機”。氯離子的侵入是導致鋼筋銹蝕的直接原因。

在我國沿海一帶的海洋環(huán)境、海砂混凝土、道路化冰（雪）鹽、鹽湖鹽堿地、工業(yè)環(huán)境等以及以氯鹽為介質的腐蝕環(huán)境中，有大量的鋼筋混凝土結構應用，其氯鹽腐蝕比較嚴重。據統(tǒng)計，我國每年有大量的橋梁、海港碼頭、公路、鐵路及沿海岸民用建筑等建筑物，由于遭受到氯離子的侵蝕和混凝土的碳化，而使鋼筋混凝土結構過早失效，造成了巨大的經濟損失。我國沿海地區(qū)的鋼筋混凝土結構，在投入使用10～15年后就普遍發(fā)生嚴重的腐蝕破壞，有的僅5～10年。鹽湖地區(qū)普通鋼筋混凝土結構的服役壽命僅2～3年。

混凝土中侵蝕介質的傳輸速率及鋼筋自身的耐腐蝕性，共同決定了鋼筋的腐蝕進程。事實上，侵蝕介質作用和各種因素影響是引起鋼筋銹蝕的“外因”，而鋼筋自身耐蝕性不足則是“內因”。

由于鋼筋腐蝕帶來了巨大損失，因此各界廣泛重視，紛紛開展各種建筑結構抗腐蝕性的研究。近年來，學者們提出了一些具體的防護措施和技術，包括：使用高性能混凝土、提高混凝土密實性、改善腐蝕環(huán)境及電化學保護法，還有使用緩蝕劑、阻銹劑、在混凝土表面涂層，電化學除鹽、電化學再堿、使用涂/鍍層等表面處理鋼筋等措施，在一定程度上緩解了鋼筋腐蝕的開始時間。但這些防護方法均是從鋼筋 (普通低碳鋼筋) 外圍入手，并不觸動鋼筋基體自身，因而不能從根本上延緩鋼筋腐蝕進程，且存在成本高、施工困難或防腐蝕效果不確定等缺點，治標不治本[1]。

目前，鋼筋混凝土結構的主導鋼筋仍然是碳鋼。隨著各種高壽命耐腐蝕、耐候鋼筋使用范圍的日趨擴大，工業(yè)化國家已將鋼筋的耐腐蝕性作為主要研究課題，從鋼筋銹蝕的“內因”入手，通過各種技術手段，改變鋼筋基體的組成、結構，研制、使用普通低碳鋼筋替代材料，從鋼筋本身進行防腐，最大程度延長鋼筋脫鈍時間及降低鋼筋腐蝕速率，實現(xiàn)鋼筋全壽命周期連續(xù)耐蝕。這是一種更加積極的防腐蝕措施，可從根本上解決鋼筋銹蝕問題，對于確保嚴酷環(huán)境下混凝土結構高耐久性具有重要意義[2]。

迄今為止，耐蝕性來源于鋼筋自身，耐蝕鋼筋有四種：不銹鋼鋼筋、不銹鋼包覆鋼筋、MMFX鋼筋和低合金耐腐蝕鋼筋，均有相關標準。

不銹鋼鋼筋具有較好的耐腐蝕性能，從全壽命成本的角度考慮，其維護費用大大降低。但合金元素添加量較多（Cr含加入量在12%以上，Cr、Ni、Mo總含量在20%左右），特別是Cr、Ni等貴重合金元素的加入大大增加了鋼筋生產成本，限制了它在國內外的推廣應用。

美國MMFX鋼鐵公司1998年成功開發(fā)了MMFX鋼筋，其中含有約9%的Cr和少量的Mo、Ni元素，生產成本有所降低。由于MMFX是一項相對較新的技術，還沒有長期試驗的性能資料，并且相較于普通鋼筋，其生產成本還是偏高。

之后又推出了不銹鋼包覆鋼筋，通過復合組坯、軋制變形，實現(xiàn)不銹鋼和碳鋼（低合金鋼）治金復合，節(jié)約2/3不銹鋼材料，成本進一步降低。但其工藝和技術并不成熟，國內外應用較少。

以上耐蝕鋼筋的推出，引起了國內外許多研究人員的關注。研究者紛紛開展了耐蝕鋼筋銹蝕過程行為特性的試驗研究，力求開發(fā)出合金元素含量更低的耐蝕鋼筋。低合金耐蝕鋼筋適合當今環(huán)保節(jié)能大趨勢，是目前研究的熱點。

2.耐腐蝕鋼筋的市場需求

2020年我國鋼筋產量達到2.66億噸，占鋼材總產量的20%。目前在我國所有的鋼材產品中熱軋帶肋鋼筋消費量最大，每年約為2億噸，占當年鋼材表觀消費量的1/5。熱耐蝕鋼筋需求量約在2千萬噸左右，數(shù)量巨大，市場廣闊。按照國家要求，高強鋼筋的消費比例將由目前的40%左右逐步達到65%，耐腐蝕鋼筋比例將達到15%[3]。

隨著各種基礎建設、民生、發(fā)展工程的全面展開，以及沿海地區(qū)的發(fā)展和海洋資源的大力開發(fā)，對耐大氣腐蝕和耐海水腐蝕鋼筋的需求劇增，市場上現(xiàn)有的普通碳素鋼筋在耐腐蝕性能方面根本不能滿足需求。“十四五”期間我國將重點發(fā)展海洋經濟，耐腐蝕鋼筋的研發(fā)與應用，將為沿海地區(qū)建構筑物及島礁和深海工程提供有力保障。就目前迫切的市場需求和腐蝕所造成的嚴重經濟損失來看，耐腐蝕鋼筋在我國乃至全世界，都有著極大的市場潛力和應用前景。

3.國內外低合金耐腐蝕鋼筋研究

近年來，提高鋼筋自身耐腐蝕性的研究受到普遍重視，國內外相關研究十分活躍，特別是積極開展有關成分和工藝影響的研究，目前還在不斷深入研究低合金耐蝕鋼筋，但實際生產的廠家較少。我國耐蝕低合金鋼筋的相關研究尚處于起步階段，對于高強耐蝕的低合金鋼筋的研究和應用還鮮有報道[4]。

3.1 國外研究現(xiàn)狀

在開發(fā)不銹鋼及不銹鋼覆層鋼筋的同時，世界許多國家紛紛致力于開發(fā)研究低成本、高性能的較低合金元素含量的耐蝕鋼筋。Cr含量低于10%的合金耐蝕鋼筋MMFX的出現(xiàn)，引起許多研究人員的關注。美國的高Cr產品經過多年的開發(fā)及推廣，形成了美國標準ASTMA1035，主要用于海灣、沼澤地等對耐蝕性要求高的建筑及公路、橋梁等建設。國內外研究者紛紛開展了耐蝕鋼筋銹蝕過程行為特性的試驗探索研究，力求開發(fā)出更低合金元素含量的耐蝕鋼筋[5]。2005年，美國David等開發(fā)了低合金鋼ASTMA706鋼筋，這種鋼筋的主要成分為：w C 0.2 3%，wMn0.93%，wNi0.18%，wCr0.18%和wCu 0.41%。也有少數(shù)研究者采用Cu、Cr、Mo、Ni等耐腐蝕元素對鋼筋進行微合金化，獲得了良好的耐腐蝕性能，但未得到推廣利用。

日本開發(fā)的耐蝕鋼為Cu-Cr-Mo-Si系，對于飛濺區(qū)和全浸區(qū)海水均有良好的耐蝕性，腐蝕速率約為碳鋼的1/3。法國的Cr-Al系低合金鋼APS20A兼具良好的耐大氣和耐海水腐蝕性能，在全浸區(qū)海水中的耐蝕性比碳鋼提高一倍以上。

近期，智利鋼鐵集團CAP旗下的Huachipato鋼廠，首次成功生產高強耐腐蝕螺紋鋼。據稱，該螺紋鋼的耐腐蝕性能是普通標準螺紋鋼的5倍多。

3.2 國內研究現(xiàn)狀

我國耐腐蝕鋼筋的開發(fā)起步較晚，直到20世紀末，才結合耐腐蝕鋼筋重大研究項目的實際內容，在國外研究及耐候鋼的研究成果的基礎上，進行了研究與改進。通過建立實驗室評價體系研究了碳鋼鋼筋的耐蝕性，認為添加Cu、Cr、Mo、Ni、A1、V等合金元素，可以在一定程度上提高鋼筋的耐蝕性。低合金耐蝕鋼筋的研究是以其經濟型的鋼筋種類為主，比如Cu、P、Ti系以及Cu、P、Cr、Ni系等，在不影響鋼筋耐蝕性能的前提下調整合金成分及含量。主要的研究和生產單位有：北京鋼鐵研究總院、山東大學、北京科技大學、東南大學、安徽工業(yè)大學、馬鋼、盛隆治金、沙鋼、包鋼、三寶鋼鐵等。北京鋼鐵研究總院首先研制出了細晶粒Cu-P系和Cu-Cr-Ni系低合金耐蝕鋼筋[6]。

2004年，山東大學王鈞等研究了耐腐蝕鋼筋的成分優(yōu)化及耐蝕機理，并提出了在低合金鋼基礎上進行耐蝕鋼筋的成分優(yōu)化設計思路。研究表明，耐腐蝕鋼筋的較優(yōu)成分控制范圍為：0.40%～0.70%Cr和0.30%～0.50%Ni組合的耐腐蝕鋼筋性能較好。研究結果進一步表明，在氯鹽腐蝕環(huán)境下，鋼筋中Cr對耐腐蝕性的影響確實遠大于Ni和V，而Mo對耐氯鹽腐蝕性的影響不大。鋼筋的表面狀態(tài)對鋼筋的腐蝕特征有重要影響[7]。研究認為，Mo與Ni同時加入可改善強度；V具有細晶強化的作用。由于國內耐腐蝕鋼筋的研究處于起步階段，在本次研究過程中，雖然通過成分設計與優(yōu)化，并通過銹層分析對耐蝕機理進行探討，但未能最終確定成分最優(yōu)化的耐腐蝕鋼筋[1]。

2006年，馬鋼開始研發(fā)低成本稀土元素高強度耐蝕鋼筋并取得成功[8]，郭湛等人在普通20MnSi熱軋帶肋鋼筋基礎成分上添加適量的稀土，設計了2種含稀土的高強度耐腐蝕鋼筋， 一種為釩氮微合金化鋼筋，牌號20MnSiVNRe；另一種為鈮微合金化鋼筋，牌號20MnSiNbRe。結果表明，添加稀土元素的鋼筋不僅符合國標中力學性能的相關要求，而且耐腐蝕性能得到了顯著提高。

適應沿海地區(qū)諸如廣東、福建、浙江等發(fā)達地區(qū)某些港口、隧道建設對耐腐蝕鋼筋的需求，2010年開始，廣西盛隆利用紅土鎳礦資源， 成功開發(fā)混凝土用耐腐蝕含鎳鉻鋼筋。為推廣該產品，2012年廣西首個混凝土用耐腐蝕含鎳鉻鋼筋地方標準DB45/T890-2012出臺實施，2014年鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋標準YB/T4361-2014實施。

北京科技大學腐蝕與防護中心程學群等人[9-10]針對海洋環(huán)境下高強耐蝕低合金鋼筋的腐蝕行為和機理進行了研究，對比了HRB400鋼筋和3種設計的含Cr量（1.5Cr、3Cr和 5Cr）不同的耐蝕鋼筋在混凝土模擬液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)隨著Cr元素含量的增加，鋼筋的耐蝕性能逐漸增強，5Cr鋼筋的臨界氯離子濃度值約為HRB400鋼筋的6.2倍。由此建立了一套實驗室內評價高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境下低合金鋼筋腐蝕行為的實驗方法。

王丹芊在新型耐蝕鋼筋在混凝土環(huán)境中的鈍化及氯鹽侵蝕行為研究中，對普通鋼筋、含10%Cr的耐蝕鋼筋及含23%的Cr雙相不銹鋼筋在混凝土模擬孔溶液中的腐蝕行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)耐蝕鋼筋和不銹鋼筋的臨界氯離子值為普通鋼筋的125倍。

東南大學的周揚等人[11]研制出含Cu、Ni、Cr多種合金元素的耐蝕鋼筋，在氯離子侵蝕環(huán)境中，添加了單一合金元素Cr的耐蝕鋼筋耐蝕性能略有提高，而添加了Cu，Ni，Cr多種合金元素的耐蝕鋼筋耐蝕性能進一步提高。阻銹劑與耐蝕鋼筋的協(xié)同作用，使得鋼筋的腐蝕速率顯著降低。

近幾年，江蘇?。ㄉ充摚╀撹F研究院通過合金成分及生產工藝優(yōu)化設計，開發(fā)推出了一種高強度高耐腐蝕鋼筋“Cr100M01”（約含Cr 10 wt.%及Mo 1wt.%，金相組成上包含鐵素體和貝氏體，不含滲碳體），并己申報了多項發(fā)明專利。實驗室腐蝕試驗初步證明，其腐蝕臨界C1-濃度達到普通碳素鋼筋l0倍以上。該鋼筋現(xiàn)已初步示范應用于江蘇省灌河特大橋工程關鍵結構。其與國外MMFX耐蝕鋼筋相比，Cr等合金元素含量相近，經濟成本相當，但耐腐蝕性更加優(yōu)越，對于保證海洋環(huán)境混凝土結構百年服役壽命設計的要求有很大潛力。沙鋼隨后相繼開發(fā)了20MnSiCrV、00Cr10MoV、Cr10Mo1等一系列合金化耐腐蝕鋼筋，耐腐蝕性能優(yōu)良。如20MnSiCrV耐蝕鋼筋[12]的耐氯離子腐蝕性能為普通鋼筋的1.5倍，產品取得了一系列的應用。

包鋼成功開發(fā)了400MPa級稀土耐大氣腐蝕抗震鋼筋及500MPa級稀土耐氯離子腐蝕鋼筋。三寶集團率先獲得耐腐蝕鋼筋生產許可證，在耐蝕鋼筋研發(fā)和生產方面走在了我國前列，并成功開發(fā)生產出Φ6mm～Φ50mm全系列、全規(guī)格的耐大氣和耐海水腐蝕鋼筋產品。

大體上說，目前國內外對合金耐蝕鋼筋腐蝕過程相關問題的研究并不多見(主要集中于MMFX耐蝕鋼筋)，合金耐蝕鋼筋銹蝕研究仍處于試驗探索階段，工程應用實例報道很少，尚未形成系統(tǒng)的理論成果，使得低合金耐蝕鋼筋鈍化行為和腐蝕行為研究，缺乏詳實的科學事實數(shù)據。在耐蝕機理、耐蝕性評估及其混凝土結構壽命預測等領域，也尚需進行深人細致的研究。

從目前的研究結果來看，開發(fā)耐蝕鋼筋的評價方法單一，大部分都集中在酸性和中性環(huán)境中，堿性環(huán)境中的研究報道不多見。其研究結果只能作為一種相對耐蝕性的比較，并不能明確反映鋼筋在混凝土中真實服役情況。北京科技大學李曉剛團隊在合金化的基礎上，通過向HRB400碳鋼中添加耐蝕合金元素鉻，開發(fā)了一系列耐蝕低合金鋼、鉻系低合金耐蝕鋼，具有明顯的價格優(yōu)勢，且可以明顯延長鋼筋混凝土結構在海洋環(huán)境的使用壽命。

溫度也對鋼筋腐蝕起著重要影響。溫度升高不僅會降低鋼筋開始腐蝕的臨界氯離子濃度，也提高了混凝土中氯離子的擴散系數(shù)，極大加快了鋼筋混凝土結構的失效進程。在溫度較高的惡劣環(huán)境中，使用低合金耐蝕鋼筋對延長混凝土中鋼筋腐蝕起始壽命的作用非常有限，應該采用更加嚴格的防腐蝕措施[13]。

另外，廣西盛隆治金有限公司、鋼鐵研究總院等制定的混凝土用耐腐蝕含鎳Cr鋼筋的相關行業(yè)標準中，評價鋼筋耐蝕性的方法為，采用酸性（模擬工業(yè)環(huán)境）或中性（模擬氯離子環(huán)境）溶液，將鋼筋周浸腐蝕一段時間后比較其耐蝕性差異，該方法中溶液的選擇和混凝土的強堿性環(huán)境有很大的出入，不能說明該鋼筋在混凝土環(huán)境中也同樣耐蝕[9]。

低合金耐蝕鋼筋是否可保證混凝土結構百年服役壽命，目前仍缺乏嚴格論證的可行性分析，但已開展的試驗探索研究已展示了其優(yōu)越性。改變鋼筋基體成分，開發(fā)鋼筋替代材料，從根本上解決鋼筋銹蝕問題，已成為今后混凝土結構耐久性提升技術的發(fā)展趨勢[4]。