高强钢筋应用技术免费（共5篇）
1.主要技术内容
高强钢筋是指现行国家标准中的规定的屈服强度为400MPa和500MPa级的普通热轧带肋钢筋（HRB）和细晶粒热轧带肋钢筋（HRBF）。普通热轧钢筋（HRB）多采用V、Nb或Ti等微合金化工艺进行生产，其工艺成熟、产品质量稳定，钢筋综合性能好。细晶粒热轧钢筋（HRBF）通过控轧和控冷工艺获得超细组织，从而在不增加合金含量的基础上提高钢材的性能，细晶粒热轧钢筋焊接工艺要求高于普通热轧钢筋，应用中应予以注意。经过多年的技术研究、产品开发和市场推广，目前400MPa级钢筋已得到一定应用，500MPa级钢筋开始应用。
高强钢筋应用技术主要有设计应用技术、钢筋代换技术、钢筋加工及连接锚固技术等。
2.技术指标
400MPa和500MPa级钢筋的技术指标应符合现行国家标准《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》GB1499.2的规定，设计及社工应用指标应符合《混凝土结构设计规范》GB50010、《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204、《混凝土结构工程施工规范》（新编）及其他相关标准。钢筋直径为6～50mm，400MPa级钢筋的屈服强度标准值为400N/mm，抗拉强度标准值为540N/mm，抗压强度设计值为360N/mm；500MPa级钢筋的屈服强度标准值为500N/mm，抗拉强度标准值为630N/mm，抗压强度设计值为435N/mm；对有抗震设防要求的结构，建议采用带后缀的“E”的抗震钢筋。222222
3.适用范围
400MPa和500MPa级钢筋可应用于非抗震的和抗震设防地区的民用与工业建筑和一般构筑物，可用作钢筋混凝土结构构件的纵向受力钢筋和预应力混凝土构件的非预应力钢筋以及用作箍筋和构造钢筋等，相应结构梁板墙的混凝土强度等级不宜低于C25，柱不宜低于C30。
4.已应用的典型工程
由于长期受推行预制装配式结构的制约,我国的钢筋连接技术发展较缓慢,传统的连接技术基本上只有闪光对焊、点焊和电弧焊等。近20年来,随着高层现浇混凝土结构的不断涌现,粗钢筋的运用日益广泛,钢筋连接质量问题日益突出。为适应发展要求,先后研制开发了多种适应现场现浇结构施工的粗钢筋连接新技术,如套筒径向和轴向挤压连接、锥螺纹连接及直螺纹连接等,而各种不同的连接方法又有各自不同的特点及适用范围。
1 锥螺纹套筒连接技术
1.1 基本原理和适用范围
锥螺纹连接是用锥形螺纹套筒将两根钢筋端头对接在一起,利用螺纹的机械咬力传递拉力或压力。所用的设备主要是套丝机,通常在施工现场安放钢筋端头进行套丝,加工的钢筋锥螺纹丝的锥度、牙形、螺距等必须与连接套筒的锥度、牙形、螺距一致。加工后经检查合格的锥形丝扣的钢筋应加设保护帽,以防搬运、堆放过程中受损。套筒一般在工厂内预先加工好,连接钢筋时利用质检的力矩扳手拧紧套筒至规定的力矩值即可完成钢筋的对接。
运用锥螺纹套筒连接技术时,连接操作不受钢筋种类、机构性能、化学成分的限制;连接速度快,可预制。锥螺纹套筒连接技术适用范围很广,可连接直径10mm～50mm的各种级别的钢筋,尤其对可焊性不太好的钢筋可优先选用此法连接。
1.2 经济性、技术特点和质量控制及验收
钢筋锥螺纹丝扣容易损坏,会造成现场连接困难;套筒要按连接钢筋直径配套,并且市场无现货,需向专业厂家预定;备料比较困难,设备投入较大。此外,质量的稳定性受人为因素的影响较大,主要由于螺纹的旋紧力对接头强度较为敏感,是否拧紧,难以从外观上目测确定,检测也不是很方便,需用力矩扳手逐个检查力矩值。因此,可能会因管理不严和人为因素的影响降低接头质量,给连接质量留下隐患,因此,必须严格按照规范要求施工,严把质量关。
锥螺纹接头破坏大都发生在接头处,现场加工的锥螺纹质量、漏拧或扭紧力矩不准、丝扣松动等对接头强度和变形有很大影响。因此,必须重视锥螺纹接头的现场检验,严格执行规范要求。
2 直螺纹连接技术
直螺纹连接是近年开发的一种新的螺纹连接方式。此法是先把钢筋端部镦粗,然后切削直螺纹,再用套筒实行钢筋对接,利用带内螺纹的连接套筒对接钢筋,达到传递钢筋拉力和压力的一种钢筋机械连接技术。
由于镦粗段钢筋切削后的净截面仍大于钢筋原截面,即螺纹不存在扭紧力矩对接头性能的影响,从而提高了连接的可靠性,也加快了施工速度。直螺纹接头比套筒挤压接头可节省70%钢材,比锥螺纹接头可节省35%钢材,因此技术经济性较好[1]。该连接技术在应用中又分为几种不同的形式,如热镦粗直螺纹连接、冷镦粗直螺纹连接、去肋滚轧的直螺纹连接和滚轧直螺纹连接等。根据直螺纹制作工艺的不同,钢筋直螺纹连接也分为镦粗直螺纹钢筋连接技术、滚轧直螺纹钢筋连接技术、精轧螺纹钢筋连接技术等。
2.1 镦粗直螺纹钢筋连接技术
2.1.1 基本原理
镦粗直螺纹钢筋连接技术的基本原理是先将钢筋端部镦粗,再在镦粗段上制作直螺纹,然后用带内螺纹的连接套筒对接钢筋。按照施工工艺不同又可分为热镦和冷镦,热镦是采用电加热的方法,将需镦粗的钢筋端部加热至摄氏几百度后进行镦粗,待镦粗段冷却后再加工螺纹。由于热镦工艺需在高温下进行,电力消耗大、工艺复杂、加工成本高,给现场加工带来诸多不便,因此限制了其推广使用。而冷镦粗只需在常温下进行,工艺简单,不受环境影响,因此在国内被广泛采用。冷镦粗工艺不仅扩大了钢筋端部横截面积,同时钢筋经冷镦加工后,钢材的屈服和极限强度均有所提高,从而可确保接头的实际强度高于钢筋母材强度。
2.1.2 钢筋镦粗技术要点
钢筋的镦粗是采用专用的钢筋镦头机来实现的,镦头机为液压设备,由高压油泵作为动力源。镦头机有两种类型:分置油缸型和串连油缸型,其共同的特点是将需要镦粗的钢筋推入镦头模形成镦粗头,镦头完成后,转动换向阀,此时高压油进入回程油腔,接着夹紧活塞和镦头活塞反向移动,松开夹片,取出带镦头的钢筋。该法操作简单,生产效率也较高,一般镦粗一个头约需30～40s。
2.1.3 钢筋直螺纹制作技术
在钢筋镦粗段上制做直螺纹分二种类型:切削螺纹和剥肋滚轧螺纹。切削螺纹是用专用钢筋直螺纹套丝机对钢筋镦粗段进行加工;剥肋滚轧螺纹是通过冷轧工艺形成直螺纹,这种加工方式不但可以加大接头部分的钢材密度,而且可以提高接头的抗拉强度。
2.2 剥肋滚轧直螺纹
2.2.1 工作原理和适用范围
在不减小钢筋截面面积的基础上,通过冷轧工艺形成直螺纹,加大接头部分的钢材密度,提高接头的抗拉强度,然后用直螺纹套筒将两根待对接的钢筋连在一起[2]。由于工序少,连接强度高,施工方便,单个接头成本大大降低,可连接横、竖、斜向的HRB335、HRB400级同径或异径钢筋,适用性强,在狭小场地钢筋排列密集处均能灵活操作。该接头法适用于要求充分发挥钢筋强度或对接头延性要求高的各类混凝土结构。
2.2.2 施工工艺和技术要求
(1)钢筋剥肋滚轧直螺纹加工要点
(1)直螺纹加工应采用专门的滚轧机床,对钢筋端部进行滚轧,一次成型直螺纹。直螺纹的加工质量是技术成败的关键,为了确保加工质量,螺纹加工必须有检验记录,所用的钢筋必须有出厂合格证及复验报告。
(2)按钢筋规格所对应的对刀棒调整滚丝头内孔最小尺寸及胀刀环,调整剥肋挡块及滚轧行程开关位置,保证剥肋段的直径及滚轧螺纹的长度符合表1的规定[3]。
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(3)加工丝头时应采用水溶性切削液,严禁用机油作切削液或不加切削液加工丝头。操作工人应逐个检查丝头的加工质量,检查牙形是否饱满、有无断牙、秃牙等缺陷。每加工10个丝头,用通端螺纹环规、止端螺纹环规检查一次,并剔除不合格产品。经自检合格的丝头,应由质检员对每种规格加工批量随机抽检10%,且不少于10个,同时填写钢筋螺纹加工检验记录。当合格率小于95%,应加倍抽检;复检中合格率仍小于95%,应对全部钢筋丝头逐个进行检验,并切去不合格丝头,查明不合格原因,解决问题后再重新加工螺纹。
(4)所用套筒必须有生产厂家出具的产品质量证明书和合格证,详细标明套筒的型号、数量及所用钢材的炉批号、机械性能等。
(5)连接钢筋时应对正轴线将钢筋拧入连接套筒,连接过程中直螺纹接头处严禁弯曲,如果需要弯曲成型,必须在接头以外10d(d为钢筋直径)处进行。如果需要弯曲钢筋,可以先弯钢筋再连接,接头可选用单向或双向可调接头。滚压直螺纹接头的连接,宜用把手长度不小于45cm的管钳拧紧,使钢筋丝头在套管中央位置相互顶紧[3]。对已经拧紧的接头做标记,以便与未拧紧的接头区分开,套筒每端外露的完整丝扣数不宜超过1.5扣。
(2)经济性与技术特点
剥肋滚轧直螺纹连接不需使用力矩扳手,施工方便,对操作人员素质要求不高,对检测工具的依赖性明显减小,而且可降低钢筋绑扎的劳动强度,提高工效,大幅度提高施工速度,并降低人工费用。与镦粗后切削螺纹相比,用本工艺制做钢筋丝头可以降低钢筋端部的镦粗量,减小套筒尺寸。与普通滚轧直螺纹钢筋接头相比,滚轧螺纹前先进行钢筋少量镦粗,其主要功能是对钢筋进行整形,克服热轧钢筋因尺寸公差和形位公差过大时滚轧出的螺纹易出现缺牙、秃牙、螺纹光洁度差等弊端,钢筋少量镦粗后进行滚轧可明显改善螺纹质量,进一步提高接头的强度及可靠性。
2.3 滚轧直螺纹钢筋接头
2.3.1 基本原理
滚轧直螺纹钢筋接头的基本原理是利用钢筋的冷作硬化,在滚轧螺纹过程中提高钢筋材料的强度,用来补偿钢筋净截面面积减小而给钢筋强度带来的不利影响,使滚轧后的钢筋接头能基本保持与钢筋母料等强。
目前,滚轧直螺纹钢筋连接主要分为直接滚轧直螺纹钢筋接头和剥肋滚轧直螺纹钢筋接头两种类型,我国最早出现的是直接滚轧直螺纹钢筋接头,它是使用滚丝机直接在钢筋端部滚丝的一种工艺,剥肋滚扎直螺纹钢筋接头是对上述工艺的一种改进,它是在滚轧螺纹前先将钢筋的纵横肋剥去,然后再进行滚丝,两者滚丝机结构大体相同,只是滚丝机的机头及机头前后机械限位部分有所区别,前者将套丝机头改为滋丝机头[4]。
2.3.2 技术特点
滚轧直螺纹钢筋连接工艺和操作简单,且设备投资少,因而受到普遍的欢迎,滚轧直螺纹钢筋连接技术也被列入建设部《建筑业十项新技术》推广项目之一,其主要技术特点是:滚轧直螺纹钢筋接头强度高、工艺简单,最适合钢筋尺寸公差小的情况;当钢筋尺寸公差或形位公差过大时,易出现缺牙、秃牙、表面光洁度差等现象,影响接着质量。严格控制丝头直径及圆柱度也是重要的,否则,滚轧直螺纹钢筋接头易出现接头滑脱。
3 钢筋端部螺纹的质量控制
钢筋端部螺纹(简称丝头)的质量控制是正确实施本技术的关键,其要点有:
(1)必须选择良好的设备和科学的工艺参数,操作工人必须进行岗前培训,经考核合格后方能持证上岗。
(2)经自检合格的钢筋丝头,应随机抽取同类规格数量不少于10%,如有一个不合格应全数检查;用专用量规检查丝头长度,加工工人应逐个检查丝头的外观质量。
(3)接头安装时,应保证丝头在套筒中央位置相互顶紧;用专用扭矩扳手对安装好的接头进行抽检,检查是否满足规定的力矩值。
(4)接头的现场检验按验收批进行。同一施工条件下采用同一批材料的同等级、同型式、同规格接头,以500个为一个验收批进行检验与验收,不足500个也作为一个验收批。
对接头的每一验收批,必须在工程结构中随机截取3个接头试件作抗拉强度试验,按设计要求的接头等级进行评定。当3个接着试件的抗拉强度均符合相应等级的要求时,该验收批评为合格。如有1个试件的强度不符合要求,应再取6个试件进行复检。复检中如仍有1个试件的强度不符合要求,则该验收批评为不合格。
4 结语
综上所述,粗钢筋机械连接首选螺纹连接,但应根据现场施工条件和钢筋直径的大小慎重选择相应的连接方式。
参考文献
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20世纪50年代我国钢产量很低, 生产的钢筋品种有限, 国有钢铁企业也只能生产3号光圆钢筋 (Ⅰ级钢筋) 和5号螺纹钢筋, 屈服强度标准值分别为235MPa、275MPa, 从20世纪六七十年代开始研制16Mn Si (后改为20Mn Si, 也称Ⅱ级钢筋) 和25Mn Si (也称Ⅲ级钢筋) 2种低合金带肋钢筋, 实际上研制成功并大量生产的是20Mn Si钢筋, 而25Mn Si钢筋产量有限, 两者屈服强度标准值分别为335MPa、375MPa;同时研制并投入生产的还有44Mn2Si等带肋钢筋 (也称Ⅳ级钢筋) , 其主要用于经热处理或冷拉后的预应力钢筋。
20世纪八九十年代, 小规格钢筋产量和规格不能满足工程建设需求, 国内中小型企业针对这一形势, 开始引进或自制冷轧带肋钢筋设备, 轧机数量和产量达到了相当规模。此外, 还生产了小规格、断面为矩形的冷轧扭钢筋用作钢筋混凝土楼板中的配筋, 填补了原来热轧带肋钢筋没有小规格的空缺, 为工程建设所需钢筋规格的配套起到了辅助作用。此外, 在20世纪七八十年代所用的预应力钢筋, 除为上述的冷拉钢筋、冷拔钢丝外, 在大型工程结构中还采用了钢丝、钢绞线, 其抗拉强度标准值不超过1670MPa。
20世纪80年代开始研制, 90年代正式投入生产的新一代热轧带肋钢筋有2种:一种是以微合金元素 (V、Ti、Nb) 为基础的HRB400钢筋, 另一种是采用余热处理工艺生产的RRB400 (KL400) 钢筋 (包括按英国BS标准生产的钢筋) , 使我国钢筋在化学成分上进行了更新换代, 余热处理钢筋既可用于出口, 也可为国内工程选用。在同一时期, 引进了相当数量的低松弛高强度钢绞线生产线, 使这种高质量的预应力钢筋在公路、房屋、铁路及其他工程领域获得了广泛应用, 推动了预应力混凝土结构的发展。
1998年10月, 我国启动了为期5年的973项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”课题之一“400MPa长型材微米组织形成理论及控制技术”。课题目的是面对约占我国钢产量25%的建筑螺纹钢筋, 研究利用组织超细化生产技术实现普碳钢Q235类型200MPaⅠ级钢筋力学性能成倍提高达到400MPaⅢ级钢筋水平, 取代目前广泛应用的微合金化低合金钢Ⅲ级钢筋。经过5年的科研、生产和建筑实践, 表明超细晶钢筋具有优异的力学性能和低温性能, 并且生产工艺技术方案可行。2000年国家863项目设立“500MPa级碳素钢先进工业化制造技术”课题重点支持该成果的产业化。目前, 400~500MPa碳素钢筋已在首钢。宝钢等多家钢厂进行了批量生产。
2 国内建筑用钢筋发展现状
2008年2月1日, 《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》 (GB1499-2007) [1]新标准得以贯彻实施。本次标准的修订将细晶高强钢筋纳入其中, 充分反映400MPa、500MPa国内生产现状及使用要求, 促进技术进步与科研成果的转化, 促进钢筋的产业与产品结构调整与升级换代, 提高建筑物的安全度, 保证抗震的要求。试验研究表明[2]:不添加微合金元素的超细晶普碳钢III级钢筋吨钢生产成本低于目前20Mn Si V III级钢筋200元以上, 并具有良好的塑性、优异的低温性能和机械连接性能, 但其力学性能指标相对于目前400MPa、500MPa钢筋标准规定的拉伸强度的富余量不足, 电渣压力焊焊接后的力学性能降低幅度较大。对于生产企业来说, 由于需要全流程低温控轧控冷生产, 目前仅有首钢、淮钢、广州双菱钢厂等企业具备这样的生产线, 并且只能生产部分规格超细晶钢筋产品, 我国绝大多数生产线需要技术改造。2010年出台了新的《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2010) [3], 新规范里淘汰了235MPa级低强钢筋, 增加500MPa级高强钢筋, 并明确将400MPa级钢筋作为主力钢筋, 提倡应用500MPa级钢筋, 逐步淘汰335MPa级钢筋;提出钢筋延性 (最大力下总伸长率) 的要求。
3 与国外的差距
国外主要工业化国家继HRB500级钢筋作为主要钢筋之后, 1990年以后就开始进一步开发HRB500级钢筋[4]。俄罗斯1993年钢筋产品标准增加了500MPa, 600MPa级钢筋。美国1996年钢筋产品标准增加了520MPa级钢筋。目前, 西欧、北美、日本、东南亚及中国香港, 主要使用强度较高的400MPa、500MPa级钢筋, 400MPa以下的品种基本已经不再生产使用了, 其应用的强度级别主要有400MPa、460MPa、500MPa、550MPa及600MPa。欧洲混凝土结构设计规范中钢筋使用强度最高为600MPa, 美国规范最高使用强度为550MPa。
我国1998年将HRB400级钢筋与HRB500级钢筋同时纳入国家产品标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢》 (GB1499-1998) [5], 并于2008年2月1日将细晶粒钢筋纳入了新标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》 (GB1499-2007) , 充分体现了技术进步。新标准中引入了细晶粒热轧钢筋的定义。在热轧过程中, 通过控轧和控冷工艺形成的细晶粒钢筋, 其金相组织主要是铁素体加珠光体, 不得有影响使用性能的其它组织存在, 晶粒度不粗于9级。新标准中规定了细晶粒钢筋的表示方法:在热轧带肋钢筋的表示方法中加入英文fine的字头, HRBF335、HRBF400、HRBF500。细晶粒钢筋除焊接性能与抗震性能外, 其他性能都要符合普通热轧钢筋的规定。
总之, 本次修订的钢筋标准与国外钢筋标准对比分析, 从钢筋级别设置到力学性能等主要技术指标的规定均较合理和先进, 可以说是综合汲取了国际上各国标准的优点, 完全能够满足不同层次的使用要求, 达到了国际先进水平, 但因现在国内HRBF500细晶高强钢筋属于新研制产品, 要在建筑工程中得到广泛应用尚需进行大力宣传和推广。
4 全面推广应用HRBF500细晶高强钢筋的意义
4.1 必要性
(1) 随着建筑工业的迅速发展, 城市市政工程和高层建筑等工程结构对钢筋性能的要求越来越高, 建筑结构的安全性、抗震性问题引起了普遍关注, 而提高建筑安全性、抗震性的关键是提高钢筋的强度和综合性能。
(2) 提高钢筋的强度方法有多种, 而只有晶粒细化是唯一的可以同时提高强度和韧性的方法, 其他提高强度的方法将会损害韧性。细晶高强钢筋作为21世纪的代表性先进高性能金属结构材料, 其强化思路具有鲜明的特点, 即通过晶粒的超细化同时实现强韧化, 实在是一种可持续发展的钢铁生产方法。
(3) 随着社会、经济、科技的发展, 我国的经济发展模式正由粗放耗能型向集约型发展, 采用细晶高强钢筋是节约能源, 促进可持续发展的有效方式之一。
(4) 目前发达国家钢筋强度400MPa以下的品种已不再生产和使用了, 多用400MPa及其以上的钢筋。在我国, 一些国外企业的设计施工已经用到了500MPa高强钢筋, 为了与世界接轨, 推广使用细晶高强钢筋势在必行。
4.2 经济效益分析
目前, 钢筋混凝土结构仍然是我国建筑工程的主要结构形式。混凝土结构用钢筋是基本建设必不可少的原材料。钢筋混凝土用热轧带肋钢筋是我国钢材产品中用量最大的品种之一。2011年1~11月, 全国钢筋的产量达1.4亿t, 占全国钢材产量的近1/4。推广应用细晶高强钢筋可以节约钢筋用量, 降低工程成本, 获得巨大的直接或间接经济收益。
(1) 根据测算, 如果能够按照规范的要求, 将钢筋混凝土的主导受力钢筋强度提高到400~500N/mm2, 则可以在目前用钢量的水平上节约10%左右。根据统计数据, 我国每年钢筋混凝土螺纹钢消耗量约占钢材消耗总量的20%。据估算, 2012年我国钢材消耗总量将达到6.46亿t, 这样通过推广应用细晶高强钢筋, 可节约钢材1292万t, 比照我国2011年国内螺纹钢平均价格约4400元/t计算, 2012年可节省资金约568.48亿元。
(2) 在受弯构件梁中, 用HRBF500或HRBF400细晶高强钢筋等代HRB335普通钢筋, 可能会使梁的有效高度增加, 使得钢筋用量减少。
(3) 从可持续发展的角度看, 延长建筑物的设计使用年限是可取的。设计结构时, 如果所有其它条件均相同 (包括荷载、内力组合、构件截面、混凝土强度) 都遵照现行规范计算并满足两种极限状态时, 在满足工程重要性系数的情况下, 采用相同或少一些的配筋量, 就可以把现有的使用年限由目前的50年, 提高为100年[6]。
4.3 社会效益分析
如今, 自然资源消耗、生态环境问题已引起社会各界的广泛关注, 因此, 必须摒弃传统建设观念, 从全寿命周期的角度, 来衡量建筑业消耗对生态环境的影响。推广应用细晶高强钢筋, 在建设阶段通过节约钢筋, 可以节约煤、水、矿石等能源和资源的消耗量, 进而减少二氧化碳、二氧化硫等有害气体和废渣的排放。据有关专家统计分析, 节约1t钢材可以节省电能300k Wh, 标准煤0.70t, 减少二氧化碳排放0.63m3。由此可见, 推广应用细晶高强钢筋对节约能源, 提高环境质量, 实现建设行业可持续发展具有重大意义。
5 发展中存在的问题
(1) 设计问题。目前结构设计中采用承载能力极限状态和正常使用极限状态, 正常使用极限状态 (挠度、裂缝) 验算时, 其它条件均相同时, 热轧带肋钢筋无论采用HRB335、HRBF400或HRBF500级钢筋都有相同结果, 采用细晶高强钢筋无助于减小挠度、缩小裂缝。当设计中钢筋已经达到正常使用极限状态而远远未达到承载能力极限状态时, 如何充分利用钢筋需要进一步研究解决。
(2) 试验研究问题。HRBF500钢筋与高强混凝土在梁中抗弯, 柱中抗压、抗震以及粘结锚固性能的研究目前较少, 需要进一步研究, 为工程应用服务。
(3) 成本问题。如何改善HRBF500细晶高强钢筋的生产工艺, 减少生产成本是每个钢铁生产企业亟待解决的问题。
6 未来钢筋发展展望
(1) 继续提高钢筋强度, 向更高强发展。
(2) 改善钢筋的延性、焊接性等力学性能, 向综合高性能发展。
摘要：介绍了国内钢筋发展历史、国内建筑用钢筋发展现状及与国外的对比, 提出发展HRBF500细晶高强钢筋的意义、目前尚待解决的问题及未来钢筋的发展方向, 为工程中推广应用细晶高强钢筋提供参考。
关键词：HRBF500,细晶高强钢筋,工程应用
参考文献
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国家工业和信息化部、住房和城乡建设部要求, 到2015年底, 中国高强钢筋生产量要占钢筋总产量的80%;在建工程中, 高强钢筋用量要达到建筑用钢筋总量的65%以上。在使用400 MPa级热轧带肋钢筋为主的基础上, 对大型高层建筑和大跨度公共建筑, 优先采用500 MPa级热轧带肋钢筋, 并逐年提高500 MPa级热轧带肋钢筋的生产和使用比例;对于地震多发地区, 重点采用高强屈比、均匀伸长率高的高强抗震钢筋[1]。国家新修订的《混凝土结构设计规范》GB50010等标准也对在建工程中应用400 MPa及以上级高强钢筋提出了具体的技术规定。为了响应国家产业政策的调整, 同时, 也是为了满足市场需求, 研制HRB500E高强抗震钢筋已是势在必行。
1 技术要求
1.1 化学成分和碳当量要求
HRB500E高强抗震钢筋的化学成分和碳当量 (熔炼分析) 应符合表1规定。根据需要, 钢中还可加入V, Nb, Ti等元素[2]。
(1) 碳当量Ceq (百分比) 值可按下式计算
(2) 钢中氮含量不大于0.012%, 钢中如有足够数量的氮结合元素, 含氮量的限制可适当放宽。
1.2 力学性能
HRB500E高强抗震钢筋的力学性能特征值应符合表2规定。
注:直径Φ32 mm HRB500E钢筋的断后伸长率A可降低1%。
1.3其他要求
HRB500E高强抗震钢筋除要满足上述表1和表2技术要求外, 还应满足以下三项要求:
(1) 钢筋实测抗拉强度与实测屈服强度之比Rmo/RoeL不小于1.25;
(2) 钢筋实测屈服强度与表2规定的屈服强度特征值之比RoeL/ReL不大于1.30;
(3) 钢筋的最大力总伸长率Agt不小于9%。
1.4 热轧交货状态要求
HRB500E高强抗震钢筋按热轧状态交货, 钢筋金相组织主要是铁素体+珠光体, 不得有影响使用性能的其他组织存在。
2 研制过程
2.1 工艺设计
根据高强抗震钢筋的技术要求, 采用余热处理不能满足钢筋金相组织要求, 目前生产设备又不具备控轧、控冷轧制工艺条件, 只能选择采用微合金化工艺路线。
2.1.1 微合金元素的选择
依照热轧带肋钢筋标准, HRB500E高强抗震钢筋化学成分除C, Si, Mn, P, S五大常量元素满足标准要求外, 还可以添加Ti, Nb, V等微合金元素。这些微合金元素在钢中都起到细晶强化和沉淀强化作用, 提高钢的强度和韧性。但三种元素的特性不同:Ti与氧的亲和力非常强, 对钢中氧含量要求较高, 其回收率低, 在钢中不很稳定, 会影响钢材力学性能的稳定性;Nb对钢坯温度要求很严, 容易使连铸坯在连铸二冷阶段产生裂纹;V对加工工艺无特殊要求, 其回收率高且稳定。经综合比较, 确定采用V作为微合金化元素, 用钒氮合金生产HRB500E高强抗震钢筋。
钒作为微合金元素加入钢中, 与钢中C, N相结合形成碳化物、氮化物或碳氮化物, 这些化合物呈颗粒状弥散沉淀于基体中, 起到固溶强化作用。且这些沉淀粒子在钢的冷却过程中, 部分在奥氏体晶界上析出, 对奥氏体晶粒起钉扎作用, 阻碍晶体长大, 细化了奥氏体晶粒。在相变过程中, 奥氏体中析出的V (CN) 颗粒为铁素体形核提供了形核位置, 起到诱导晶内铁素体形核作用, 从而细化了铁素体。同时VC, V (CN) 还在铁素体位错、亚位错上析出, 提高钢的强度和韧性, 但钒氮合金价格相对较高, 会一定程度增加生产成本, 钒含量设计在0.085%~0.100%比较合理。
氮在含钒钢中主要与钢中钒结合形成氮化钒, 改善钒在相间分布, 提高钒析出的驱动力, 加强钒的沉淀强化和细晶强化作用, 提高钢的强度和韧性。据资料记载[3], 在0.12%V钢中, 每增加0.001%N可使强度增加6 MPa。
2.1.2 常量元素的选择
碳是钢中最便宜的合金元素[4], 据资料统计:钢中碳含量每增0.01%, 屈服强度和抗拉强度可分别提高7 MPa和8MPa[5], 但碳含量过高会大幅度提高碳当量, 对钢的焊接性能和塑性不利, 碳含量设计在0.21%~0.24%。
硅在钢中起到固溶强化作用, 提高钢的强度, 但硅在强化钢的同时, 使其塑性和韧性降低, 硅含量较高时, 还会提高钢的冷脆温度。因此硅含量按标准要求的中、下线控制, 硅含量控制目标为0.40%~0.55%。
锰能降低γ-α相变温度, 细化铁素体晶粒, 提高钒在奥氏体中的固溶度积, 增强固溶强化和沉淀强化效果, 提高钢的强度和韧性, 但锰含量过高, 会增加碳当量, 对钢材焊接性能不利, 锰含量按1.40%~1.55%控制。
硫、磷是钢中的有害元素。硫具有高温脆性, 而磷具有低温脆性, 因此, 硫、磷含量越低越好, 但是硫、磷含量的降低过程, 会相应增加冶炼成本, 硫、磷含量按优质钢标准控制, 一般≤0.035%。
2.1.3 成分内控标准
为确保钢材综合性能的稳定, 按上述分析, 微合金元素和五大常量元素都采用窄成分控制, 具体内控化学成分标准综合如表3所示。
2.2 转炉冶炼和连铸浇铸工艺控制
2.2.1 转炉、连铸工艺流程
45t转炉冶炼—钢包脱氧合金化—钢包吹氩处理—4机4流150方连铸机浇铸。
2.2.2 转炉冶炼工艺控制
为了保证化学成分的稳定, 转炉冶炼实行定量装入制度, 总装入量控制在42~43.5t (其中优质铁水34.5~35t, 废钢7.5~8.5t) , 吹炼氧压稳定在0.8~0.9 MPa, 纯供氧时间控制在13~15min, 冶炼终点温度控制在1 660~1 680℃, 做好放钢前倒渣和出钢时挡渣过程, 尽量减少钢水中的含渣量, 要求钢包渣厚小于70mm, 以提高钢水纯净度。放钢1/4时依次顺钢流加入硅钙复合脱氧剂—硅铁—硅锰合金—钒氮合金, 于出钢3/4时加完, 以对钢水进行脱氧合金化;钒氮合金在最后加入, 主要是提高钒、氮的吸收率。在放钢过程中, 来回小幅度晃动钢包, 加速合金熔化。做到出钢过程中全程吹氩, 钢水出完后, 底吹氩时间不小于4min。
2.2.3 连铸浇铸工艺控制
调温合格钢水吊运至连铸机, 钢包温度控制在1 575~1 590℃, 中包钢水温度控制在1 520~1 540℃, 拉速为2.0~2.4 m/min。中包钢水液面保持不低于800 mm, 以防卷渣, 中包采用保护浇铸, 以减少钢水二次氧化。
2.3 轧制工艺及流程
2.3.1 轧制工艺
HRB500E钢坯的加热制度为:预热段温度800~900℃, 加热段温度1 170~1 250℃, 均热段温度1 160~1 220℃, 加热时间为90 min, 出炉温度1 050~1 150℃, 开轧温度1 000~1 100℃, 经Ф520mm轧机18道次轧制后, 终轧温度900~1 000℃。
成品钢筋表面按国标要求进行标志, 实物标志为5EL⊙J12;5EL⊙J32。
2.3.2 轧制流程
150 mm×150 mm×6 000 mm连铸坯—检验—加热炉加热—粗轧—园盘剪切—手动剪—中轧—精轧—倍尺飞剪—冷床冷却—定尺剪—短尺收集—检验台检验—打捆—称重—码垛—检验入库—发货。
3 结果分析
3.1 成品实物标志
成品实物标志如图1和图2所示。
3.2 钢筋化学成分检验
Φ12mm和Ф32mm HRB500E高强抗震钢筋检验结果如表4所示, 化学成分完全符合国标要求。
3.3 钢筋力学性能
研制的成品钢筋经取样进行力学性能和工艺性能检验, 检测结果如表5所示。从表5可以看出, 用钒微合金化生产的Φ12mm和Ф32mm HRB500E高强抗震钢筋的力学性能和工艺性能优于国家标准。其屈服强度和抗拉强度都高出国家标准规定的特征值, 具有一定富余量。且钢筋的屈屈比和强屈比也达到国家标准要求, 断后伸长率和最大力总伸长率都较高, 钢的塑性很好。钢筋经180°冷弯后, 受弯曲部位表面无裂纹, 钢筋工艺性能良好。
3.4 钢筋低倍组织和气体含量
钢的组织缺陷影响到钢材力学性能和工艺性能, 降低钢的强度和韧性。通过加强倒渣和挡渣操作以及钢包底吹氩和连铸保护浇铸, 有效控制了钢中氧含量以及杂夹物含量。经对实物检测, 研制的HRB500E高强抗震钢筋氧含量和杂夹物总量很低, 完全满足钢材质量要求, 检测结果如表6所示。
3.5 钢筋外形尺寸、重量偏差和表面质量
通过优化铣槽工艺, 成品外形尺寸、重量偏差和表面质量全部达到国标要求, 检测结果见表7。
3.6 焊接性能
抽取Φ12mm研制成品钢筋, (其碳当量Ceq为0.49%) , 委托国家建筑钢材质量监督检验中心做焊接型式检验, 经闪光对焊、帮条焊、搭接焊、坡口焊、熔槽帮条焊、窄间隙焊、电渣压力焊、气压焊和预埋件埋弧压力焊9种焊接后, 再对焊后试样进行拉伸检测, 拉伸后结果见表8。从结果可以看出, 尽管气压焊3个试样中有1支试样呈脆性断裂, 但其断裂位置在母材, 并且焊后抗拉强度为660MPa, 超出标准要求30MPa, 具有一定余量;其他所有试样都在母材断裂, 并呈延性断裂, 说明钢筋焊接性能很好, 完全满足建筑用材的各项焊接性能要求。
3.7 金相分析
Φ12mm和Ф32mm HRB500E高强抗震钢筋中心和边部金相组织都为铁素体+珠光体, 没有影响使用性能的其他组织存在。且金相图显示, 由于Φ12mm钢筋压缩比比Φ32mm钢筋大, 晶粒明显细小很多。其金相组织分别如图3, 4所示。
4 结论
(1) 采用钒微合金化技术生产HRB500E高强抗震钢筋, 工艺路线合理, 窄成分设计合适。
(2) 利用钒氮微合金生产的500 MPa级钢筋, 机械性能稳定, 焊接性能良好, 能够满足抗震设计要求。
(3) 不同规格、不同成分设计以及相应力学性能有待进一步检验。
(4) HRB500E高强抗震钢筋的疲劳性、时效性和耐低温性能将需进一步研究。
参考文献
[1]赵磊.优化生产工艺技术路线, 促进高强钢筋推广应用[N].世界金属导报, 2013.08.20.
[2]GB1499.2-2007钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋[S].2007.
[3]Lagneborg R, Siwecki T, Zajac S, et al.钒在微合金钢中的作用[M].杨才福, 柳书平, 张永权, 等译.北京:钢铁研究总院, 2000.
[4]雍岐山, 马鸣图, 吴宝榕.微合金钢—物理和力学冶金[M].北京:机械工业出版社, 1989.
自密实混凝土(以下简称SCC)以其优异的流动性、经济性、环保等性能在土木建筑工程中得到了越来越多的关注与应用[1,2,3]。 但是,不论是普通混凝土制品还是SCC制品,其在承受拉应力作用下的表现都无法让人满意,尤其是高强自密实混凝土(以下简称HSCC)制品[4]。 以HSCC板为例,虽然相比于普通钢筋混凝土板其在施工过程中更易浇筑与成型,但是,依然存在低抗裂性以及高脆性的缺点,而这对于受荷条件下板的耐久性以及正常使用状态都是极为不利的[5]。 虽然目前国内对于SCC梁和柱的研究较为广泛[6],但是对于SCC板,尤其是HSCC板的研究相对欠缺。因此,本文拟研究钢筋HSCC以及钢纤维钢筋HSCC板的弯曲性能, 以期为HSCC板的制作与应用提供理论及试验支持。
1试验
设计了5组配合比,15块1.1m×1.1m×0.1m的方板,板底钢筋配筋方式为7覫10(钢筋抗拉屈服强度为400MPa),即在板底部位按每m长度上配7根直径为10mm的钢筋进行配筋, 配置沿方板的横纵双向。 试验原材料包括湖北黄石某厂P·O 52.5级水泥、硅灰(湖北)、粉煤灰(湖北)、武汉本地石英砂(中砂,细度模数2.3)、武汉本地石子(连续级配,最大粒径15mm)、上海某公司钢纤维(SF,端部弯钩,长度35mm, 直径0.55mm, 长径比65, 抗拉强度不低于2000MPa)、聚羧酸高效减水剂(ASTM C494 F型,减水效率24.1%)。 其中,水泥、硅灰以及粉煤灰的化学成分组成如表1所示。
%
试验基体材料为HSCC,水胶比为0.35,硅灰和粉煤灰用量分别为水泥用量的15%和10%。各组配合比如表2所示。其中,S1组为普通混凝土,S2~S5组为HSCC基体,钢纤维的掺量(体积百分比)控制为0%、0.5%、1%和1.5%四个等级。减水剂掺量随着钢纤维掺量的提高而逐渐提高,以保证拌合物具有良好的工作性。
kg/m3
试验采用坍落流动度来评价新拌混凝土的工作性,新拌混凝土的坍落流动度控制在650mm,坍落流动度测试过程及方板浇筑过程照片如图1所示。
采用150m×150m×150m立方体试件测试各组混凝土的28d抗压强度。 方板弯曲试验为三点简支跨中加载, 采用200t液压伺服压力机进行加载,加载速度为1k N/s。 在方板跨中对称加设2个LVDT采集方板跨中挠度变化信息, 并采用50t荷载传感器采集加载过程中荷载变化信息,加载方式见图2。
2结果与讨论
2.1 HSCC抗压强度
各立方体试件28d抗压强度如表3所示。
由表3可知, 设计的HSCC的强度达到了C8等级。 钢纤维的引入并没有显著提高HSCC材料的抗压强度,但是随着钢纤维掺量的提高,增幅逐渐变大。这是因为钢纤维自身硬度较高,并且钢纤维可以在一定程度上限制混凝土材料内部裂纹的形成与发展。 因此,材料的抗压强度得到了略微的提升。
2.2 HSCC板的弯曲性能
测试了各组方板的弯曲荷载-挠度曲线, 每组测试3个方板试件,如图3所示。
由图3可知,HSCC板(S2)的弯曲强度高于普通混凝土板的弯曲强度,但是,方板的变形能力却略低于普通混凝土板。这是因为混凝土的抗压强度越高材料的脆性反而越明显。同时可以发现,钢纤维的引入对HSCC板的弯曲性能产生了积极的影响。0.5%体积掺量的钢纤维(S3)虽然并没有显著提高HSCC板的弯曲强度, 但是方板的变形能力得到了提升。 1%体积掺量的钢纤维(S4) 使得HSCC板的弯曲强度提高了近15% , 同时,HSCC板的跨中挠度值也得到了提高。 随着钢纤维掺量的继续提高,HSCC板的抗弯强度并没有得到继续的提升,但是,HSCC板的变形能力得到了显著的提高。 这是由于钢纤维能够通过桥联混凝土内部裂缝而传递拉应力,并可以通过纤维的拔出过程而消耗能量提高材料的变形能力。 因此,HSCC板的抗弯强度和跨中挠度值均得到了明显的提高。
2.3 HSCC板的弯曲破坏形态
由于对板底部进行了配筋设计,所测试的方板均表现为弯曲破坏。 在试验过程中,板底受拉区钢筋先达到屈服,随后板上部受压区混凝土被逐渐压碎。 随着荷载的逐渐增加,首先在方板跨中区域出现第一条可见裂缝,随后在该裂缝附近出现多条其他可见裂缝。 随着荷载的增加,这些裂缝逐渐变宽。 各组方板弯曲破坏形态及裂缝分布情况如图4所示。
相比于普通混凝土板(S1),HSCC板(S2)的裂缝条数较少,而且裂缝宽度较大。这与HSCC材料的高脆性有关。 但是同时可以发现,钢纤维的引入显著改善了HSCC板的弯曲破坏形态和开裂情况。 随着钢纤维掺量的提高,HSCC板的裂缝条数逐渐增多。 尤其是在1.5%掺量的情况下,HSCC板的裂缝条数明显增多,而且伴随着一条主裂缝出现了非常多更加细密的次裂缝, 这对于HSCC板的耐久性和正常使用状态都是有利的。
3结语
