通常用于海洋、岛礁、跨海大桥等腐蚀较严重地区的混凝土结构中,以及使用年限较长的重要公共建筑中。相对于普通的碳素钢,不锈钢的化学成分主要增加了铬(Cr,含量≥10.5%)、镍(Ni)、锰(Mn)和钼(Mo)等合金元素,同时严格控制碳含量(≤1.2%),使二者的材料特性存在很大不同。常用的不锈钢钢筋用钢,可分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、双相钢和沉淀硬化型钢。与普通低碳钢筋相比,不锈钢钢筋不仅具有异常卓越的耐腐蚀性,还具有高强度、高塑性、优良的高温耐火性、低温韧性,以及良好的耐疲劳性。
不锈钢钢筋的耐蚀原理在于通过大量的铬、镍耐蚀合金元素促使钢筋在氧化环境中表面形成以三氧化二铬为主要成分的钝化膜,以此在氯盐和碳化作用下的混凝土环境中获得优异的钝化性能和抗氯离子侵蚀能力。鉴于上述优点,不锈钢钢筋混凝土已经在严酷环境下的混凝土结构中取得了部分应用。最典型的工程实例是建于20世纪40年代的墨西哥普罗格雷索码头[注]大桥,使用AISI304级不锈钢钢筋,至21世纪20年代尚未显示出锈蚀现象。中国的港珠澳大桥在部分关键结构也使用了双相不锈钢钢筋,以提升结构耐久性和服役寿命。
中国还没有制定专门针对不锈钢钢筋的标准,仅在2004年4月颁布的CCES01:2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中规定:在特别严重的腐蚀环境下,要求确保百年以上年限的特殊重要工程,可选用不锈钢钢筋。
英国标准BS6744:2001+A2:2009给出了等级为200、500和650不锈钢圆钢筋,以及等级为500和600带肋不锈钢钢筋的直径,所有等级不锈钢钢筋直径在3~50毫米(表1)。相应的拉伸性能见表2。
等级 | 公称直径/mm |
200 | 3,4,5,6,7,8,10,12,14,16,20,25,30,35,40,50 |
500 | 3,4,5,6,7,8,10,12,14,16,20,25,32,40,50 |
650 | 3,4,5,6,7,8,10,12,14,16,20,25,32,40,50 |
等级 | 0.2%保证强度/MPa | 应力比(最小) | 断裂延伸率/% | 最大力值的总延伸率/% |
200 | 200 | 1.10 | 22 | 5 |
500 | 500 | 1.10 | 14 | 5 |
650 | 650 | 1.10 | 14 | 5 |
由于不锈钢钢筋中含有大量贵重的铬、镍、钼等合金元素,使其生产成本明显高于普通碳素钢筋,使用不锈钢钢筋的工程一次性投入成本约为相同级别普通碳素钢筋的4~6倍,较大程度上限制了不锈钢钢筋在混凝土结构中的应用。除高昂的价格外,以下几方面的不利因素也在一定程度上限制了不锈钢钢筋的应用:①不锈钢钢筋在氯离子侵蚀环境下,具有较为明显的点蚀倾向。②不锈钢钢筋的连接方式不易采用焊接,一般采用套筒连接。③不锈钢钢筋与混凝土的黏结强度偏低,需更长的锚固长度。④与碳素钢筋偶接时,易产生宏电池腐蚀。