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不锈钢筋的力学及工艺性能

作者:admin 来源: 日期:2018/7/17 22:21:27 人气:73

为将不锈钢筋应用于沿海桥梁,提高其耐久性,试制了3种不锈钢筋产品,对不锈钢筋及普通钢筋进行了拉伸、弯曲对比试验,试验表明不锈钢筋不仅有优异的耐腐蚀性能,其力学、工艺性能也满足混凝土结构使用的要求;开展了不锈钢筋焊接工艺试验,焊缝金相分析、晶间腐蚀、冲击、拉伸、弯曲等试验表明,不锈钢筋焊接接头未出现明显恶化,具有很好的可焊接性;设计了不锈钢筋螺纹连接丝头及连接套筒,接头拉压、疲劳性能等均能满足螺纹连接规程要求。

不锈钢筋,顾名思义,就是利用不锈钢制成的钢筋,可以彻底解决钢筋的锈蚀问题。不锈钢筋以其优良的耐腐蚀性能和良好的机械性能,有效地改善了结构耐久性,减少了维修费用,延长了结构的使用寿命,在国外桥梁港口及建筑工程中得到了迅速的发展和应用[15]。不锈钢筋应用比较少的一个重要的原因是成本因素,目前不锈钢筋的价格远高于普通钢筋,但随着不锈钢筋冶炼、轧制技术的发展、成熟,更多牌号高强不锈钢筋的开发应用,低镍含量的不锈钢筋在成本上具有高竞争力,不锈钢筋和普通钢筋之间的成本差将会缩小[6]。在混凝土构件关键部位用不锈钢筋替代碳素钢筋,可以在兼顾成本的前提下大大延长钢筋混凝土结构的使用寿命,其使用寿命可达100a以上[5]。目前,许多国家已经制订了有关标准[710],如英国标准BS6744:2001+A2:2009和美国材料试验协会标准ASTMA955/A955M10等,我国还没有制订专门针对不锈钢钢筋的标准,只是在20044月颁布的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES012004(2005年修订版))中,“有百年以上使用年限的特殊工程可选用不锈钢筋”的说明。为提高我国沿海桥梁结构耐久性,考虑不锈钢品种价格与耐腐蚀性能,选取022Cr22Ni5MO3N(2205)06Cr17Ni12MO2(316L)00Cr23Ni4N(2304)不锈钢坯试制出3种不锈钢筋[51112],对其进行了力学、工艺等试验,试验结果可作为制订不锈钢筋产品标准的参考。1不锈钢筋力学性能用022Cr22Ni5Mo3N(2205)06Cr17Ni12Mo2(316L)00Cr23Ni4N(2304)不锈钢坯试制成不同规格不锈钢筋(其中12以上为螺纹钢筋、其他为光圆钢筋)。初次试制的部分产品性能低于国外同类产品,且由于不锈钢热塑性差,轧制时不锈钢螺纹钢筋表面开裂,通过改善精炼工艺、控制轧制温度等技术攻关,成功试制出性能不低于国外同类产品的不锈钢筋。选取试制成功的022Cr22Ni5Mo3N(2205)06Cr17Ni12Mo2(316L)00Cr23Ni4N(2304)不同规格不锈钢筋,同时选HPB235HB335钢筋进行对比拉伸试验,拉伸试验方法与普通钢筋相同,试验结果统计见表1。各种钢筋的典型荷载-位移曲线见图1

由表1看出,与碳钢相比,这3种不锈钢筋强度高,屈强比大,延伸率大,应用于混凝土结构不仅可以提高耐久性,还可以显著地节约钢材,提高抗震性能。但不锈钢筋弹性模量较低,用于大跨混凝土结构会产生较大变形和开裂,用于混凝土受压构件则其强度不能充分发挥。由图1看出,普通钢筋的荷载-位移曲线分4个阶段:弹性阶段、屈服阶段(不均匀屈服塑性变形)、强化阶段(均匀塑性变形)、颈缩阶段(不均匀集中塑性变形);而不锈钢筋的荷载-位移曲线仅有3个阶段:弹性阶段、强化阶段(均匀塑性变形)、颈缩阶段(不均匀集中塑性变形)。与普通钢筋相比,不锈钢筋没有不均匀屈服塑性变形阶段,在荷载-位移曲线上表现为直接由弹性阶段进入均匀塑性变形阶段,说明不锈钢材质更均匀。由表1看出,同品种不同直径钢筋的强度、延伸率、弹性模量等平均值接近,标准差较小,说明材质受直径影响不大,可将同品种不同直径钢筋的力学性能放在一起统计分析。根据《工程结构可靠性设计统一标准》(GB501532008),对不锈钢筋强度试验数据的实测值用χ2法进行拟合度(分布类型)检验,在检验的显著性水平α=0.05时,其概率分布模型符合正态分布。则其强度标准值fk=μf1.64σf(1)根据试验实测数据计算出来的标准值见表2。考虑到不锈钢筋使用经验不足,各指标适当降低并取整数,作为产品出厂检验标准。

2不锈钢筋的弯曲

022Cr22Ni5Mo3N(2205)00Cr23Ni4N(2304)HB335钢筋在同一台试验机上进行弯曲试验,部分钢筋弯曲后的表现见图2。钢筋弯曲后,弯曲面上均不存在裂缝、裂纹和断裂,揭示钢筋晶体组织均匀,内应力、夹杂物、未熔合和微裂纹等缺陷在合理限值内,说明不锈钢筋与普通钢筋有相似的冷弯性能,满足不锈钢筋混凝土构件成型时弯曲加工要求。

3不锈钢筋焊接

022Cr22Ni5Mo3N(2205)不锈钢筋为例,焊接材料采用00Cr23Ni9Mo3N(2209)不锈钢,022Cr22Ni5Mo3N(2205)不锈钢筋规格有直径1432mm,采用手工直流电弧搭接焊及对接焊。对接焊试件焊缝的低倍金相组织见图3(a),图中左下部分为焊缝区,右上部分为母材区,以熔合线为界面区分。从图中看出,焊接接头的热影响区域较窄,金属晶粒没有明显粗化。图3(b)是焊接接头热影响区域放大的金相组织,母材为典型的奥氏体+铁素体双相组织形貌,图中颜色较深的部分为奥氏体,较浅部分为铁素体,奥氏体和铁素体的晶界处没有发现σ相析出。母材及焊缝的金相组织见图4,焊缝金相组织为铸态树枝晶组织,焊缝和热影响区域金相组织相比例测定见表3,焊缝铁素体比例虽有降低,但仍在50%附近,焊点处组织为焊态双相组织,不影响其受力及工艺性能。

对接焊试件进行拉伸试验,试件均在母材断裂,对接焊试件强度及断后伸长率与母材相当。对焊接试件进行V型缺口冲击试验,缺口位置分别位于焊缝及热影响区域距熔合线1mm处,冲击断口为塑性断裂,焊缝区韧性要低于热影响区域,这是因为焊缝的金相组织为铸态组织,比母材热影响区域的轧态双相组织性能要差。将不锈钢筋焊接试样接头区域加工光滑后进行弯曲试验,弯曲直径等于不锈钢筋直径,弯曲角度180°,试件均完好无裂纹,表明焊接接头有良好的工艺性能。将不锈钢筋对焊接头加工成5mm×20mm×80mm的晶间腐蚀试样,用不锈钢硫酸-硫酸铜试验方法进行晶间腐蚀试验,经180°弯曲后试样完好,无晶腐裂纹出现,说明其具有很强的耐点蚀及晶间腐蚀能力。通过焊接后的试验及分析,022Cr22Ni5Mo3N(2205)不锈钢筋焊接接头未出现明显恶化,说明其具有很好的可焊接性。

4不锈钢筋螺纹连接

022Cr22Ni5Mo3N(2205)不锈钢筋为例,不锈钢筋螺纹连接采用镦粗、滚压直螺纹连接,套筒的材料为同钢种不锈钢,根据《钢筋机械连接通用技术规程》(JCJl072003),不锈钢筋镦粗、滚压直螺纹丝头及连接套筒尺寸见表4。接头单向拉伸、接头高应力反复拉压、接头大变形反复拉压等试验均断裂在母材,满足规程型式检验的要求。不锈钢筋疲劳试验的最高应力为230MPa,应力幅为100MPa,大于200万次循环,满足规程疲劳检验的要求。

5结论

与普通碳素钢筋相比,试制的022Cr22Ni5Mo3N(2205)06Cr17Ni12Mo2(316L)00Cr23Ni4N(2304)3种不锈钢筋,强度高,屈强比大,延伸率大;弯曲后表面上均不存在裂缝、裂纹和断裂;焊接试件拉伸均在母材断裂,焊接接头弯曲后均完好无裂纹,焊接接头有很强的耐点蚀及晶间腐蚀能力。不锈钢筋镦粗、滚压直螺纹连接单向拉伸性能、接头高应力反复拉压性能、接头大变形反复拉压性能、疲劳性能等均能满足螺纹连接规程要求。因此不锈钢筋力学、工艺性能也满足混凝土构件成型及结构使用的要求。不锈钢筋应用于混凝土结构不仅可以提高耐久性,还可以显著节约钢材,提高抗震性能,可广泛应用于沿海桥梁工程等处于严重腐蚀环境的混凝土结构,降低维修、检查成本,减少由于维修造成的运营中断或限制通行,大大延长混凝土结构的使用寿命,具有巨大的经济效益和社会效益。