热带海洋大气环境混凝土结构用耐蚀钢筋用钢及生产方法与流程

本发明属于耐蚀材料领域，涉及到一种热带海洋大气环境混凝土结构用耐蚀钢筋用钢及生产方法。

背景技术：

钢筋在混凝土结构中起着骨架支撑作用，是目前工程建材中一种主要的常用材料，在房屋、跨海大桥以及公路等工业与民用建筑领域应用广泛。钢筋混凝土的理论服役年限较长，但在实际工程中却存在许多的钢筋混凝土过早失效的案例，不仅增加了维护成本，还造成了能源与资源的极大浪费。据统计，我国内陆民用建筑的混凝土结构在使用15～25年后就会出现混凝土剥落的现象；然而沿海地区民用建筑使用10年左右就已经出现钢筋锈蚀、剥落的现象，造成这种现象的原因是由于地区环境条件差异造成的。泰国的气候条件相比我国更为苛刻，对钢筋混凝土结构的耐久性要求更高。为了延长热带海洋大气环境钢筋混凝土结构的耐久性，重点在于解决钢筋母材耐蚀性。因此，开发耐蚀性能高的钢筋成为国内外工程界关注的热点问题。

目前，国内外对提高钢筋耐蚀性的的防护技术主要包括两大类：(1)表面涂镀层钢筋，是在钢筋表面添加具有保护性的涂层，使钢基体与腐蚀介质分离开来，从而降低钢筋的腐蚀速率；(2)基体耐蚀钢筋，是指通过在普通钢筋中添加一定量的合金元素，从而提高钢筋基体的耐蚀性。专利号为201020574823.2的“一种环氧钢筋的改进结构”发明专利，该专利在钢筋上先利用化学方法镀覆有镀锌层，再在镀锌层之利用物理方法涂覆了一层环氧树脂涂层，双重的保护作用令钢筋的耐腐蚀能力更强，然而，镀锌钢筋表面镀锌层腐蚀快、耐蚀性提升有限且焊接困难；专利号为201510549858的“一种耐氯离子腐蚀的不锈钢钢筋的制备方法”，该专利研发了一种不锈钢钢筋，其耐蚀性于316l不锈钢钢筋，但是钢筋中含有2.0～8.0％的cr和1.50～2.50％的mo，合金元素含量较高，钢筋的成本高昂。《海洋工程混凝土用高耐蚀性合金带肋钢筋》标准规定合金元素含量：c≤0.08％、si≤0.80％、mn≤2.50％、p≤0.02％、s≤0.02％、cu≤0.50％、cr：7.0～10.0％、mo：0.8～1.8％、sn≤0.3％、v：0.03～0.15％，该钢筋合金元素含量较高，价格远高于普通钢筋，工程中无法大量使用；钢铁研究总院于2014年发布了《钢筋混凝土用耐蚀钢筋》行业标准，标准规定合金元素含量c≤0.21％、si≤0.80％、mn≤1.60％、p≤0.03％、s≤0.03％、cu：0.2～0.6％、cr：0.3～1.6％、ni≤0.65％、mo≤0.3％，该钢筋生产成本低，耐蚀性增强，但目前尚不清楚最优耐蚀性能低合金钢筋中合金元素含量与配比。

基于以上原因，开发一种耐氯离子腐蚀性能优良，且制造成本相对低廉的新型耐蚀钢筋产品具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种热带海洋大气环境混凝土结构用耐蚀钢筋用钢及生产方法，依照《钢筋混凝土用耐蚀钢筋》行业标准，在碳钢钢筋基础上添加少量合金元素，通过优化合金元素含量及比例，得到具有相对优异耐腐蚀性能的低合金钢筋，同时该钢筋生产成本较低，工艺操作性强，适合企业大量推广使用。

本发明提供一种热带海洋大气环境混凝土结构用耐蚀钢筋用钢，钢筋的化学成分重量百分比为：c：0.16～0.21％、si：0.35～0.65％、mn：0.70～1.40％、p：≤0.030％、s：≤0.030％、cu≤0.35％、ni≤0.45％、mo：0.10～0.20％、cr：0.40～1.00％、ti：≤0.025％、v：0.030～0.050％，n≤0.0080％，余量为fe及不可避免的杂质。

一种热带海洋大气环境混凝土结构用耐蚀钢筋用钢的生产方法，所述耐蚀钢筋用钢的制造方法为：钢水经过铸造后得到钢坯，然后热轧成一定厚度的薄板状。所述热轧过程中钢坯加热温度为1050～1150℃，加热时间1.5～2h。所述热轧过程中初轧温度1000～1100℃，终轧温度为900～1000℃

进一步地，所述钢筋用钢的金相组织为铁素体和珠光体。

进一步地，所述钢筋用钢屈服强度rel：420～470mpa，抗拉强度rm：530～680mpa，断后伸长率a：22～32％，总伸长率agt：10～16％。

本发明钢筋成分分析如下：

c含量高低会直接影响钢筋的强度。碳含量过高会使得钢筋的强度、硬度提高，塑性、韧性降低。在碱性环境中，对于含铬cr的钢筋，c含量过高会固溶钢中cr含量，影响钢筋表面钝化膜的形成，因此本发明中将c含量控制在0.16～0.21％范围之内。

si的主要作用是起到脱氧和强化的作用，si含量较高时，会导致焊接过程中焊材的浪费，也会影响到焊缝的质量；si含量较低时，会导致钢筋中的氧气含量较高，生成较多的夹杂物，因此本发明中将si含量控制在0.35～0.65％范围之内。

mn的含量对焊接性能影响显著。mn含量较低时，钢筋中残留氧含量较高，使得腐蚀速率升高；mn含量较高时，钢筋强、硬度增加，可焊性变差，焊缝中会出现大量的夹杂物，因此0本发明中将mn的含量控制在0.70～1.20％范围之内。

s、p作为钢筋中杂质元素，当钢筋中p元素含量过高，钢筋的低温力学性能、焊接性能变差；当s元素含量过高，容易形成fes和mns夹杂，降低钢筋耐蚀性能，因此本发明中将p含量控制在≤0.030％范围之内，s含量控制在≤0.030％范围之内。

cr能提高钢筋表面钝化膜的致密度，提高耐蚀性。混凝土中，cr会参与钝化膜的形成，形成富cr双层钝化膜致密性好，提高钢筋基体的耐蚀性；当钢筋中cr元素含量过高时，一方面会导致钢筋的生产成本增加，另一方面会导致焊接性能变差，焊缝耐腐蚀能力不足，因此本发明中将cr含量控制在0.40～1.00％范围之内。

mo在钢中起到提高耐点蚀和耐缝隙腐蚀的能力。含量越高钢筋耐点蚀能力越强；mo含量过高会使钢的抗氧化性发生恶化，导致钢强度增大，可焊性变低，因此本发明中将mo含量控制在0.10～0.20％范围之内。

mo、cr具有协同效应，mo与c可形成细小的碳化物，阻碍c与cr的结合，提高cr的钝化效果，促进cr形成致密钝化膜；mo结合cr可以提高钢筋耐腐蚀性能。

ti能与氧气反应，降低钢筋中的夹杂物。在焊接过程中能保证焊接接头的塑性与韧性，避免钢筋焊接冷弯后开裂，因此本发明中将ti含量控制在≤0.025％范围之内。

v属于微合金强化元素，能起到析出强化的效果，有一定的细化晶粒作用，可以显著提高钢的强度，因此本发明中将v含量控制在0.030～0.050％范围之内。

本发明具有以下优点及有益效果的一种或多种：

(1)本发明的耐蚀钢筋用钢合金元素含量低，生产工艺简单，性价比高，可操作性强，适合企业大批量推广使用。

(2)本发明的耐蚀钢筋相比不锈钢筋与涂层钢筋来说，使用该钢筋用钢不仅可以降低建筑成本，还可显著提高建筑物的使用寿命，减少后期维护费用。

(3)本发明的耐蚀钢筋与普通碳钢钢筋同时进行周期浸润实验与大气暴露实验，结果表明本发明的耐蚀钢筋腐蚀速率较低，其耐蚀性能是普通碳钢钢筋的2～4倍。

附图说明

图1为本发明实施例的金相组织图。

图2为实施例的去除包裹混凝土后4种钢筋宏观腐蚀形貌图。

具体实施方式

本发明的耐蚀钢筋是依照《钢筋混凝土用耐蚀钢筋》行业标准，在普通碳钢成分的基础上添加少量合金元素，通过优化合金元素含量及比例，得到三种新型耐蚀钢筋。

新设计的三种耐蚀钢筋和普碳钢钢筋化学成分的重量百分比含量见表1所示。本发明钢筋试样金相组织如图1所示。

表1三种钢筋化学成分重量百分比含量(wt.％)

参照标准gb11112-89进行现场大气暴露测试，将准备好的钢筋混凝土试样，暴露地点为泰国沿海地区，暴晒时间为七个月。用机械法剥离经过一定周期暴露钢筋试样表面的混凝土和腐蚀产物，并采用公式(1)计算腐蚀速率：

其中，v表示失重腐蚀速率，单位为mm/y；w0表示试样腐蚀前的重量，单位为g；w1表示清除腐蚀产物后的重量，单位为g；s表示钢筋试样表面积，单位为cm²；t表示腐蚀时间，单位为h；ρ表示试样密度，单位为g/cm³。

待计算出四种钢的腐蚀速率值后，利用下列公式(2)计算相对腐蚀率：

其中，ch为相对腐蚀率，vi为1#、2#和3#钢筋的腐蚀速率；v4为4#普碳钢钢筋的腐蚀速率。

表2四种钢筋挂片腐蚀实验结果

由表2可知，相同暴露时间内，1#、2#和3#钢筋腐蚀速率相比于普碳钢钢筋降低，其中，1#钢筋腐蚀速率最低，说明本发明耐蚀钢筋具有优异的耐蚀性能。

综上所述，根据本发明要求内容制备的混凝土结构用耐蚀钢筋满足屈服强度rel：420～470mpa，抗拉强度rm：560～630mpa，断后伸长率a：22～32％，总伸长率agt：10～16％；本发明实施例钢筋相比于工业普碳钢钢筋的耐蚀性能提高2～4倍，能有效的延长钢筋混凝土结构耐久性，因此，该钢筋可适用于热带海洋大气环境混凝土结构。