西安不銹鋼螺紋鋼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

西安不銹鋼螺紋鋼是熱軋帶肋鋼筋的俗稱。 普通熱軋鋼筋其牌號(hào)由HRB和牌號(hào)的屈服點(diǎn)*小值構(gòu)成。H、R、B分別為熱軋(Hotrolled)、帶肋(Ribbed)、鋼筋(Bars)三個(gè)詞的英文首位字母。

1、不銹鋼鋼筋的主要特性

不銹鋼表面有一層自修復(fù)富鉻氧化膜，其優(yōu)良耐蝕性不僅使不銹鋼成為建筑構(gòu)件的優(yōu)選，還是被腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件中碳鋼鋼筋的*佳替代材料。不銹鋼鋼筋的自修復(fù)氧化層使其耐腐蝕性優(yōu)于涂層耐蝕鋼的耐腐蝕性，耐氯化物腐蝕性優(yōu)于其他耐蝕鋼筋替代材料。

2、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕情況

混凝土堿性高(13.5pH)，使鋼筋表面形成鈍化氧化層，對(duì)碳鋼鋼筋有保護(hù)作用。混凝土還防止鋼筋受到空氣、水和鹽等外部腐蝕性物質(zhì)的侵蝕。

但是，混凝土無法阻止氯化物(存在于道路除冰鹽和海洋環(huán)境)的侵入。當(dāng)氯化物含量足夠高時(shí)，鈍化氧化層起不到保護(hù)作用。因此，在三種情況下容易發(fā)生腐蝕：

?在空氣的碳酸化作用下，pH值降到9，氧化層失去鈍化性;

?混凝土表面氯化物濃度過高，滲透到鋼筋;

?混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，鋼筋與空氣接觸。

2.1 腐蝕預(yù)測(cè)

1 9 4 8 年以來， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工標(biāo)準(zhǔn)CP114經(jīng)過多次修訂，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了沿海地區(qū)混凝土包覆層防裂*小厚度，防止與空氣中二氧化碳發(fā)生碳酸反應(yīng)，防止氯化物侵蝕;還規(guī)定了水泥含量及牌號(hào)，施工要求及不同腐蝕環(huán)境下混凝土包覆層的等級(jí)。*近的科研重點(diǎn)是預(yù)測(cè)二氧化碳和氯化物滲透速度。碳酸化過程與時(shí)間的平方根成正比，使二氧化碳不斷滲入混凝土更為困難。而氯化物的滲透，正如FICK的**定律所述，是以指數(shù)形式遞增。盡管體積小的氯化物離子比體積大的二氧化碳分子先接觸到鋼筋并對(duì)其進(jìn)行腐蝕，但碳酸化仍是一個(gè)重要過程，因?yàn)槁然锏呐R界值(發(fā)生腐蝕的點(diǎn))取決于pH值。

氯化物滲透的變化取決于表面氯化物濃度和氯化物在該混凝土表面的擴(kuò)散系數(shù)。因此，工程師應(yīng)該能估算已知構(gòu)件所允許的氯化物表面濃度，難的是測(cè)算該混凝土的表面擴(kuò)散系數(shù)，并預(yù)測(cè)在結(jié)構(gòu)的使用壽命內(nèi)，距混凝土包覆層*近的鋼筋所允許的氯化物濃度。

2.2 選擇性使用不銹鋼鋼筋延長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命

選擇性使用不銹鋼鋼筋，是指用不銹鋼鋼筋替代碳鋼鋼筋混凝土包覆層厚度小于80mm，使用期壽命可達(dá)100年。不銹鋼鋼筋的氯化物臨界值為4%～5%，在表面含量不超過3%的情況下，不銹鋼鋼筋是*理想的防腐鋼筋。雖然原理非常簡(jiǎn)單，但是要確定表面擴(kuò)散系數(shù)非常復(fù)雜，預(yù)測(cè)模型為選擇性使用不銹鋼鋼筋提供幫助。BSSA的電子版資料“不銹鋼鋼筋在橋梁上的應(yīng)用”使選擇性使用不銹鋼鋼筋這一理念得到推廣。澳大利亞目前正在建造的**座(Gateway Bridge)立交橋在樁帽的潮汐區(qū)選用了不銹鋼鋼筋(OutobumpuLDX2101®)，不銹鋼鋼筋的替換率僅占1.67%，大橋的設(shè)計(jì)壽命可超過300年。

2.3 選擇性使用不銹鋼鋼筋與電化學(xué)腐蝕

選擇性使用不銹鋼鋼筋必然會(huì)遇到碳鋼鋼筋與不銹鋼鋼筋的連接問題。在pH值>9的混凝土中，兩種鋼筋都是鈍化的，而且連接后仍保持鈍化狀態(tài)，因?yàn)樗鼈兊淖杂筛g電位基本相同，碳鋼略高于不銹鋼鋼筋。在有選擇地使用碳鋼時(shí)，碳鋼總是處于鈍化pH區(qū)，處于低pH區(qū)或受到氯化物侵蝕的是不銹鋼鋼筋。在這些情況下，不銹鋼鋼筋和碳鋼鋼筋仍處于鈍化狀態(tài)。無論在可能出現(xiàn)腐蝕失效的連接處使用不銹鋼鋼筋，還是在由于設(shè)計(jì)原因可能出現(xiàn)裂紋的部位使用不銹鋼鋼筋，都會(huì)達(dá)到預(yù)期的效果。

2.4 混凝土中不銹鋼鋼筋的修復(fù)

當(dāng)氯化物穿透了混凝土包覆層，或包覆層太薄發(fā)生碳酸反應(yīng)，或結(jié)構(gòu)損壞，裂紋處進(jìn)入異物，都必須對(duì)混凝土包覆層進(jìn)行修復(fù)。在上述情況下，如果同時(shí)發(fā)現(xiàn)橫斷面上的鋼筋受損需要更換時(shí)，不銹鋼鋼筋是長(zhǎng)久性修復(fù)的理想材料。圖(a)所示部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)被腐蝕，不銹鋼鋼筋具有耐蝕性。其次，不銹鋼鋼筋的結(jié)構(gòu)性比碳鋼鋼筋好，可以保持結(jié)構(gòu)的完整性。第三，修復(fù)和加厚混凝土不影響結(jié)構(gòu)原有的形狀，修復(fù)和加厚包覆層是在新增的鋼絲網(wǎng)或鋼筋周圍進(jìn)行混凝土二次澆筑或噴補(bǔ)，不銹鋼鋼筋是*經(jīng)濟(jì)的替代材料。

就電化學(xué)腐蝕而言，對(duì)新的建筑選擇使用不銹鋼鋼筋會(huì)得到不同的效果。當(dāng)未發(fā)生腐蝕的鋼筋四周的混凝土在修復(fù)后發(fā)生碳酸反應(yīng)時(shí)，新修復(fù)的混凝土中pH值增高，新的碳鋼鋼筋會(huì)對(duì)更換了鋼筋的部位造成陽極腐蝕，更換的鋼筋起陰極的作用。使用不銹鋼鋼筋作為替代材料的話，由于不銹鋼鋼筋的陰極作用不強(qiáng)，對(duì)碳鋼鋼筋造成新的腐蝕是有限的。

當(dāng)氯化物造成腐蝕時(shí)，在未的混凝土中總會(huì)有殘留氯化物。因此存在向修復(fù)的混凝土或原有的碳鋼鋼筋處轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)。不銹鋼鋼筋不會(huì)受到氯化物侵蝕，還能阻止對(duì)周邊的腐蝕。

3、標(biāo)準(zhǔn)與指南

1986年不銹鋼鋼筋**被納入BS6744標(biāo)準(zhǔn)，1996年被納入ASTM A955標(biāo)準(zhǔn)。有些國(guó)家制定的標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)不銹鋼鋼筋的表示方法，目前歐盟國(guó)家正在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，正在申請(qǐng)歐洲技術(shù)認(rèn)證(ETAs)。德國(guó)通過的DEUTSCHES INSTITUT FURBAUTECHNIK(DIBt)和英國(guó)通過的UK CARES這兩個(gè)不銹鋼鋼筋標(biāo)準(zhǔn)都已獲得了ETAs。已頒布的ETAs適用于所有歐盟國(guó)家，有效期五年，重新認(rèn)證后可延期。1999年混凝土學(xué)會(huì)出版了第51號(hào)技術(shù)報(bào)告“不銹鋼鋼筋使用指南”，報(bào)告指出電化學(xué)耦合問題已經(jīng)解決。2002年英國(guó)高速公路局已經(jīng)將此寫入BA84/02“不銹鋼鋼筋在高速公路構(gòu)件中的應(yīng)用”，允許減薄包覆層，電化學(xué)耦合問題也被取消。2004年版的歐洲規(guī)范2( Eurocode 2)“混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)“也對(duì)使用不銹鋼鋼筋減薄包覆層做出了規(guī)定。

包覆層厚度計(jì)算公式：

*小包覆層厚度Cmin=△Cmin,b+△Cmin,dur+△Cdury-△Cdur,st- △Cdur,add。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，△Cdur,st表示使用不銹鋼鋼筋時(shí)包覆層的減薄量。

雖然混凝土混合料標(biāo)準(zhǔn)考慮了氯化物侵蝕機(jī)理，但包覆層對(duì)氯化物濃度時(shí)間的技術(shù)規(guī)范沒有考慮預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型見混凝土學(xué)會(huì)出版的第61號(hào)技術(shù)報(bào)告“延長(zhǎng)鋼筋混凝土使用壽命”，它們必定成為今后長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)選擇使用不銹鋼鋼筋技術(shù)規(guī)范的參考資料。