《中国建筑能耗研究报告()》显示,年全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿吨,占全国碳排放比重的51.3%。其中,建材生产阶段占比28.3%,建筑运行阶段占比21.9%。同时,我国钢铁行业碳排放量占全国碳排放总量的15%左右,是31个制造业门类中碳排放量最大的行业。我国年建筑用钢总产量达到了5.8亿吨,减少大修和维护对于降低国家钢铁消费,对实现“双碳目标——年,中国钢铁行业将实现碳达峰的目标,年全球建筑要实现零碳排放”起着重要作用。
通常,大量用于建筑的碳素钢筋拥有致命弱点:抗锈蚀能力差。碳素钢筋极易被腐蚀,从而产生昂贵的维护费用,导致结构性能退化,严重缩短了结构的服务寿命。钢筋锈蚀问题已给世界各国造成了巨大损失。尽管目前解决钢筋锈蚀问题的方法有很多,如加大混凝土保护层厚度、阴极保护、使用海工混凝土等,但是这些方法都只能延缓钢筋的锈蚀,并不能彻底解决锈蚀问题。不锈钢钢筋较一般钢筋的不同在于含有较多的镍和铬,从根本上解决了钢筋的锈蚀问题,并能提供更优异的力学性能。在国际上,已经成为许多超级工程降低建筑全寿命周期成本的终极选项。
不锈钢钢筋打击腐蚀的利器
目前,不锈钢钢筋已非常成熟地应用在了诸多国内外的超级工程中,在中国的港澳地区较为常见。比如港珠澳大桥、昂船洲大桥、将军澳大桥、澳门的澳凼四桥等。不锈钢钢筋之所以有这么无可替代的地位,首先是因为其自身拥有强大的耐蚀性能,可以确保满足服务寿命年以上,减少维修和养护费用,降低全寿命周期成本。其次,迭代版本的不锈钢钢筋拥有非常卓越的力学性能,同时经受万次以上的疲劳实验,屈服强度可高于MPa。并且不锈钢钢筋还具有防火、可回收等优点,非常符合“碳中和”发展理念。
国际上,不锈钢钢筋于年首次被纳入英国标准协会BS标准,年被纳入美国材料与试验协会ASTMA标准。德国通过的DEUTSCHESINSTITUTFURBAUTECHNIK(DIBt)和英国通过的UKCARES这两个不锈钢钢筋标准都已获得了欧洲技术认证(ETAs)。年混凝土学会出版了第51号技术报告《不锈钢钢筋使用指南》,报告指出电化学耦合问题已经解决。年英国高速公路局已经将此写入BA84/02《不锈钢钢筋在高速公路构件中的应用》,允许减薄混凝土保护层,电化学耦合问题也被取消。年版的欧洲规范2(Eurocode2)《混凝土结构的设计》也对使用不锈钢钢筋减薄混凝土包覆层做出了明确规定。
我国于年5月颁布的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中指出,百年以上使用年限的特殊工程可选用不锈钢钢筋,是提高我国重大工程结构耐久性的重要组成部分和战略举措,这是对不锈钢钢筋应用的首次许可。欧美等国也提出合理应用不锈钢的设计建议:对处于高腐蚀环境下的重要结构可部分或全部使用不锈钢钢筋混凝土。并编写颁布了与之相关的标准规范,目前应用比较广泛的有国家标准GB/T-《混凝土用不锈钢钢筋》,美国材料实验协会标准ASTMA/AM-《StandardSpecificationforDeformedandPlainStainless-SteelBarsForConcreteReinforcement》和英国标准BS-《Stainlesssteelbars-Reinforcementofconcrete-Requirementsandtestmethods》。我国最新版本的《公路桥涵施工技术规范》JTG/T-在海上桥梁章节中,新增加了不锈钢钢筋的技术内容。
英国公路局关于可以使用不锈钢的几种情况:
脱颖而出的双相不锈钢钢筋
不锈钢按组织状态分为马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、双相不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。其中,目前最合适混凝土结构使用的钢种是双相不锈钢。双相不锈钢是一种铁素体相和奥氏体相共存的钢种,兼具卓越的力学性能和耐氯化物应力腐蚀性。近十年,双相不锈钢冶炼技术的成熟,成本不断降低的同时,性能逐渐提高,改变了不锈钢钢筋的应用发展方向。
双相不锈钢常见有、等,其中是当前最为广泛应用的混凝土结构用不锈钢钢筋。首先,含有23%铬金属,4%镍金属,会在钢筋表面形成一层自我修复富铬氧化膜,确保强大的耐蚀性能。同时,经过工艺调整的屈服强度达到了MPa,在延伸率、弹性模量等其他方面也表现优异。最关键的是,的价格低于和等,减少镍钼资源依赖的同时,可以表现出更优秀的全寿命周期成本。所以,双相不锈钢已成为目前使用的趋势。
双相不锈钢与其他钢种防腐优缺点对比
降低成本的根本是提高耐久性
国际上最早应用不锈钢钢筋混凝土的工程,是-年建设的墨西哥普罗格雷索码头,该桥处于热带海洋环境,具有严重腐蚀性。在码头海上结构的桥墩部位使用了t30mm的AISI不锈钢钢筋。迄今为止,使用不锈钢筋的部位没有经过一次维修,且没有发现明显的劣化迹象。而后,世界各国开始在众多工程中使用不锈钢钢筋。
美国联邦公路局(FHWA)曾经对伊利诺伊州的3座桥梁工程,分别采用普通钢筋、环氧涂层钢筋和不锈钢钢筋情况下的造价进行了比较。应用不锈钢钢筋可使造价提高6%~16%,但对于全寿命经济分析而言,基本省去了维护费用。同时,通过试验表明,不锈钢钢筋的应用,使结构裂缝产生的时间,比使用普通钢材可推迟6.5~13倍,从而有效地提高了使用寿命,降低了结构在整个服役期内的造价。年竣工,位于美国俄勒冈州,代替旧桥——HaynesInletSlough桥梁,处于海洋环境中,其关键结构构件使用了t双相不锈钢钢筋型,设计寿命年,是旧桥寿命的2.5倍。总造价万美元,其中不锈钢占总造价的13%,且在整个服务期内不需维修。与普通钢筋混凝土桥梁相比,可延长使用寿命50年。从经济成本角度计算,相当于再造一座新桥。随着综合造价的不断提高,在严苛环境下的应用部位,采用不锈钢钢筋所提升的成本占比,往往小于5%。
国内案例中,港珠澳大桥在年首次使用了不锈钢钢筋。港珠澳大桥是连接珠海、香港、澳门三地的超大型跨海桥梁,全长55公里,项目总投资超过0亿元,航道跨距m,设计使用寿命年,可抗8级地震、16级台风。自年12月开始,港珠澳大桥应用不锈钢钢筋过万吨,是全球不锈钢钢筋用量最大的项目。大桥采用了双相不锈钢钢筋,主要应用在大桥的承台、塔座、墩身、桥台、支座垫石等多个部位,桥面等多数部位使用了环氧树脂涂层钢筋。
目前,不锈钢钢筋在行业内已得到广泛应用,它的性能和应用也已得到许多业主和设计师的认可。在对价格的顾虑方面,双相不锈钢钢筋牌号要比传统所认知的不锈钢牌号要低许多,成本更为接近不锈钢,而其性能获得了更棒的综合高分。虽然价格是普碳钢筋价格的4-5倍,但仅在部分区域使用,保障服务寿命可达年以上。使用不锈钢钢筋可以节省高昂的维修费,甚至再建费用,降低其他防腐附加措施成本,以及减少维修时对交通的影响。如想控制成本,可在关键结构构件上使用不锈钢钢筋,项目总造价仅提高2%左右,却可以从根本上保证大幅降低全寿命周期成本。