低合金化耐腐蚀钢筋现状及发展趋势

何琴琴

1.低合金耐腐蚀钢筋开发的必要性

在全球范围内，按照重要性排列，钢筋腐蚀、寒冷气候下的冻害以及侵蚀环境的物理化学作用是使混凝土发生破坏的根本原因，钢筋锈蚀被称为“混凝土耐久性危机”。氯离子的侵入是导致钢筋锈蚀的直接原因。

在我国沿海一带的海洋环境、海砂混凝土、道路化冰（雪）盐、盐湖盐碱地、工业环境等以及以氯盐为介质的腐蚀环境中，有大量的钢筋混凝土结构应用，其氯盐腐蚀比较严重。据统计，我国每年有大量的桥梁、海港码头、公路、铁路及沿海岸民用建筑等建筑物，由于遭受到氯离子的侵蚀和混凝土的碳化，而使钢筋混凝土结构过早失效，造成了巨大的经济损失。我国沿海地区的钢筋混凝土结构，在投入使用10～15年后就普遍发生严重的腐蚀破坏，有的仅5～10年。盐湖地区普通钢筋混凝土结构的服役寿命仅2～3年。

混凝土中侵蚀介质的传输速率及钢筋自身的耐腐蚀性，共同决定了钢筋的腐蚀进程。事实上，侵蚀介质作用和各种因素影响是引起钢筋锈蚀的“外因”，而钢筋自身耐蚀性不足则是“内因”。

由于钢筋腐蚀带来了巨大损失，因此各界广泛重视，纷纷开展各种建筑结构抗腐蚀性的研究。近年来，学者们提出了一些具体的防护措施和技术，包括：使用高性能混凝土、提高混凝土密实性、改善腐蚀环境及电化学保护法，还有使用缓蚀剂、阻锈剂、在混凝土表面涂层，电化学除盐、电化学再碱、使用涂/镀层等表面处理钢筋等措施，在一定程度上缓解了钢筋腐蚀的开始时间。但这些防护方法均是从钢筋 (普通低碳钢筋) 外围入手，并不触动钢筋基体自身，因而不能从根本上延缓钢筋腐蚀进程，且存在成本高、施工困难或防腐蚀效果不确定等缺点，治标不治本[1]。

目前，钢筋混凝土结构的主导钢筋仍然是碳钢。随着各种高寿命耐腐蚀、耐候钢筋使用范围的日趋扩大，工业化国家已将钢筋的耐腐蚀性作为主要研究课题，从钢筋锈蚀的“内因”入手，通过各种技术手段，改变钢筋基体的组成、结构，研制、使用普通低碳钢筋替代材料，从钢筋本身进行防腐，最大程度延长钢筋脱钝时间及降低钢筋腐蚀速率，实现钢筋全寿命周期连续耐蚀。这是一种更加积极的防腐蚀措施，可从根本上解决钢筋锈蚀问题，对于确保严酷环境下混凝土结构高耐久性具有重要意义[2]。

迄今为止，耐蚀性来源于钢筋自身，耐蚀钢筋有四种：不锈钢钢筋、不锈钢包覆钢筋、MMFX钢筋和低合金耐腐蚀钢筋，均有相关标准。

不锈钢钢筋具有较好的耐腐蚀性能，从全寿命成本的角度考虑，其维护费用大大降低。但合金元素添加量较多（Cr含加入量在12%以上，Cr、Ni、Mo总含量在20%左右），特别是Cr、Ni等贵重合金元素的加入大大增加了钢筋生产成本，限制了它在国内外的推广应用。

美国MMFX钢铁公司1998年成功开发了MMFX钢筋，其中含有约9%的Cr和少量的Mo、Ni元素，生产成本有所降低。由于MMFX是一项相对较新的技术，还没有长期试验的性能资料，并且相较于普通钢筋，其生产成本还是偏高。

之后又推出了不锈钢包覆钢筋，通过复合组坯、轧制变形，实现不锈钢和碳钢（低合金钢）治金复合，节约2/3不锈钢材料，成本进一步降低。但其工艺和技术并不成熟，国内外应用较少。

以上耐蚀钢筋的推出，引起了国内外许多研究人员的关注。研究者纷纷开展了耐蚀钢筋锈蚀过程行为特性的试验研究，力求开发出合金元素含量更低的耐蚀钢筋。低合金耐蚀钢筋适合当今环保节能大趋势，是目前研究的热点。

2.耐腐蚀钢筋的市场需求

2020年我国钢筋产量达到2.66亿吨，占钢材总产量的20%。目前在我国所有的钢材产品中热轧带肋钢筋消费量最大，每年约为2亿吨，占当年钢材表观消费量的1/5。热耐蚀钢筋需求量约在2千万吨左右，数量巨大，市场广阔。按照国家要求，高强钢筋的消费比例将由目前的40%左右逐步达到65%，耐腐蚀钢筋比例将达到15%[3]。

随着各种基础建设、民生、发展工程的全面展开，以及沿海地区的发展和海洋资源的大力开发，对耐大气腐蚀和耐海水腐蚀钢筋的需求剧增，市场上现有的普通碳素钢筋在耐腐蚀性能方面根本不能满足需求。“十四五”期间我国将重点发展海洋经济，耐腐蚀钢筋的研发与应用，将为沿海地区建构筑物及岛礁和深海工程提供有力保障。就目前迫切的市场需求和腐蚀所造成的严重经济损失来看，耐腐蚀钢筋在我国乃至全世界，都有着极大的市场潜力和应用前景。

3.国内外低合金耐腐蚀钢筋研究

近年来，提高钢筋自身耐腐蚀性的研究受到普遍重视，国内外相关研究十分活跃，特别是积极开展有关成分和工艺影响的研究，目前还在不断深入研究低合金耐蚀钢筋，但实际生产的厂家较少。我国耐蚀低合金钢筋的相关研究尚处于起步阶段，对于高强耐蚀的低合金钢筋的研究和应用还鲜有报道[4]。

3.1 国外研究现状

在开发不锈钢及不锈钢覆层钢筋的同时，世界许多国家纷纷致力于开发研究低成本、高性能的较低合金元素含量的耐蚀钢筋。Cr含量低于10%的合金耐蚀钢筋MMFX的出现，引起许多研究人员的关注。美国的高Cr产品经过多年的开发及推广，形成了美国标准ASTMA1035，主要用于海湾、沼泽地等对耐蚀性要求高的建筑及公路、桥梁等建设。国内外研究者纷纷开展了耐蚀钢筋锈蚀过程行为特性的试验探索研究，力求开发出更低合金元素含量的耐蚀钢筋[5]。2005年，美国David等开发了低合金钢ASTMA706钢筋，这种钢筋的主要成分为：w C 0.2 3%，wMn0.93%，wNi0.18%，wCr0.18%和wCu 0.41%。也有少数研究者采用Cu、Cr、Mo、Ni等耐腐蚀元素对钢筋进行微合金化，获得了良好的耐腐蚀性能，但未得到推广利用。

日本开发的耐蚀钢为Cu-Cr-Mo-Si系，对于飞溅区和全浸区海水均有良好的耐蚀性，腐蚀速率约为碳钢的1/3。法国的Cr-Al系低合金钢APS20A兼具良好的耐大气和耐海水腐蚀性能，在全浸区海水中的耐蚀性比碳钢提高一倍以上。

近期，智利钢铁集团CAP旗下的Huachipato钢厂，首次成功生产高强耐腐蚀螺纹钢。据称，该螺纹钢的耐腐蚀性能是普通标准螺纹钢的5倍多。

3.2 国内研究现状

我国耐腐蚀钢筋的开发起步较晚，直到20世纪末，才结合耐腐蚀钢筋重大研究项目的实际内容，在国外研究及耐候钢的研究成果的基础上，进行了研究与改进。通过建立实验室评价体系研究了碳钢钢筋的耐蚀性，认为添加Cu、Cr、Mo、Ni、A1、V等合金元素，可以在一定程度上提高钢筋的耐蚀性。低合金耐蚀钢筋的研究是以其经济型的钢筋种类为主，比如Cu、P、Ti系以及Cu、P、Cr、Ni系等，在不影响钢筋耐蚀性能的前提下调整合金成分及含量。主要的研究和生产单位有：北京钢铁研究总院、山东大学、北京科技大学、东南大学、安徽工业大学、马钢、盛隆治金、沙钢、包钢、三宝钢铁等。北京钢铁研究总院首先研制出了细晶粒Cu-P系和Cu-Cr-Ni系低合金耐蚀钢筋[6]。

2004年，山东大学王钧等研究了耐腐蚀钢筋的成分优化及耐蚀机理，并提出了在低合金钢基础上进行耐蚀钢筋的成分优化设计思路。研究表明，耐腐蚀钢筋的较优成分控制范围为：0.40%～0.70%Cr和0.30%～0.50%Ni组合的耐腐蚀钢筋性能较好。研究结果进一步表明，在氯盐腐蚀环境下，钢筋中Cr对耐腐蚀性的影响确实远大于Ni和V，而Mo对耐氯盐腐蚀性的影响不大。钢筋的表面状态对钢筋的腐蚀特征有重要影响[7]。研究认为，Mo与Ni同时加入可改善强度；V具有细晶强化的作用。由于国内耐腐蚀钢筋的研究处于起步阶段，在本次研究过程中，虽然通过成分设计与优化，并通过锈层分析对耐蚀机理进行探讨，但未能最终确定成分最优化的耐腐蚀钢筋[1]。

2006年，马钢开始研发低成本稀土元素高强度耐蚀钢筋并取得成功[8]，郭湛等人在普通20MnSi热轧带肋钢筋基础成分上添加适量的稀土，设计了2种含稀土的高强度耐腐蚀钢筋， 一种为钒氮微合金化钢筋，牌号20MnSiVNRe；另一种为铌微合金化钢筋，牌号20MnSiNbRe。结果表明，添加稀土元素的钢筋不仅符合国标中力学性能的相关要求，而且耐腐蚀性能得到了显著提高。

适应沿海地区诸如广东、福建、浙江等发达地区某些港口、隧道建设对耐腐蚀钢筋的需求，2010年开始，广西盛隆利用红土镍矿资源， 成功开发混凝土用耐腐蚀含镍铬钢筋。为推广该产品，2012年广西首个混凝土用耐腐蚀含镍铬钢筋地方标准DB45/T890-2012出台实施，2014年钢筋混凝土用耐蚀钢筋标准YB/T4361-2014实施。

北京科技大学腐蚀与防护中心程学群等人[9-10]针对海洋环境下高强耐蚀低合金钢筋的腐蚀行为和机理进行了研究，对比了HRB400钢筋和3种设计的含Cr量（1.5Cr、3Cr和 5Cr）不同的耐蚀钢筋在混凝土模拟液中的腐蚀行为，发现随着Cr元素含量的增加，钢筋的耐蚀性能逐渐增强，5Cr钢筋的临界氯离子浓度值约为HRB400钢筋的6.2倍。由此建立了一套实验室内评价高温、高湿、高盐雾环境下低合金钢筋腐蚀行为的实验方法。

王丹芊在新型耐蚀钢筋在混凝土环境中的钝化及氯盐侵蚀行为研究中，对普通钢筋、含10%Cr的耐蚀钢筋及含23%的Cr双相不锈钢筋在混凝土模拟孔溶液中的腐蚀行为进行了研究，发现耐蚀钢筋和不锈钢筋的临界氯离子值为普通钢筋的125倍。

东南大学的周扬等人[11]研制出含Cu、Ni、Cr多种合金元素的耐蚀钢筋，在氯离子侵蚀环境中，添加了单一合金元素Cr的耐蚀钢筋耐蚀性能略有提高，而添加了Cu，Ni，Cr多种合金元素的耐蚀钢筋耐蚀性能进一步提高。阻锈剂与耐蚀钢筋的协同作用，使得钢筋的腐蚀速率显著降低。

近几年，江苏省（沙钢）钢铁研究院通过合金成分及生产工艺优化设计，开发推出了一种高强度高耐腐蚀钢筋“Cr100M01”（约含Cr 10 wt.%及Mo 1wt.%，金相组成上包含铁素体和贝氏体，不含渗碳体），并己申报了多项发明专利。实验室腐蚀试验初步证明，其腐蚀临界C1-浓度达到普通碳素钢筋l0倍以上。该钢筋现已初步示范应用于江苏省灌河特大桥工程关键结构。其与国外MMFX耐蚀钢筋相比，Cr等合金元素含量相近，经济成本相当，但耐腐蚀性更加优越，对于保证海洋环境混凝土结构百年服役寿命设计的要求有很大潜力。沙钢随后相继开发了20MnSiCrV、00Cr10MoV、Cr10Mo1等一系列合金化耐腐蚀钢筋，耐腐蚀性能优良。如20MnSiCrV耐蚀钢筋[12]的耐氯离子腐蚀性能为普通钢筋的1.5倍，产品取得了一系列的应用。

包钢成功开发了400MPa级稀土耐大气腐蚀抗震钢筋及500MPa级稀土耐氯离子腐蚀钢筋。三宝集团率先获得耐腐蚀钢筋生产许可证，在耐蚀钢筋研发和生产方面走在了我国前列，并成功开发生产出Φ6mm～Φ50mm全系列、全规格的耐大气和耐海水腐蚀钢筋产品。

大体上说，目前国内外对合金耐蚀钢筋腐蚀过程相关问题的研究并不多见(主要集中于MMFX耐蚀钢筋)，合金耐蚀钢筋锈蚀研究仍处于试验探索阶段，工程应用实例报道很少，尚未形成系统的理论成果，使得低合金耐蚀钢筋钝化行为和腐蚀行为研究，缺乏详实的科学事实数据。在耐蚀机理、耐蚀性评估及其混凝土结构寿命预测等领域，也尚需进行深人细致的研究。

从目前的研究结果来看，开发耐蚀钢筋的评价方法单一，大部分都集中在酸性和中性环境中，碱性环境中的研究报道不多见。其研究结果只能作为一种相对耐蚀性的比较，并不能明确反映钢筋在混凝土中真实服役情况。北京科技大学李晓刚团队在合金化的基础上，通过向HRB400碳钢中添加耐蚀合金元素铬，开发了一系列耐蚀低合金钢、铬系低合金耐蚀钢，具有明显的价格优势，且可以明显延长钢筋混凝土结构在海洋环境的使用寿命。

温度也对钢筋腐蚀起着重要影响。温度升高不仅会降低钢筋开始腐蚀的临界氯离子浓度，也提高了混凝土中氯离子的扩散系数，极大加快了钢筋混凝土结构的失效进程。在温度较高的恶劣环境中，使用低合金耐蚀钢筋对延长混凝土中钢筋腐蚀起始寿命的作用非常有限，应该采用更加严格的防腐蚀措施[13]。

另外，广西盛隆治金有限公司、钢铁研究总院等制定的混凝土用耐腐蚀含镍Cr钢筋的相关行业标准中，评价钢筋耐蚀性的方法为，采用酸性（模拟工业环境）或中性（模拟氯离子环境）溶液，将钢筋周浸腐蚀一段时间后比较其耐蚀性差异，该方法中溶液的选择和混凝土的强碱性环境有很大的出入，不能说明该钢筋在混凝土环境中也同样耐蚀[9]。

低合金耐蚀钢筋是否可保证混凝土结构百年服役寿命，目前仍缺乏严格论证的可行性分析，但已开展的试验探索研究已展示了其优越性。改变钢筋基体成分，开发钢筋替代材料，从根本上解决钢筋锈蚀问题，已成为今后混凝土结构耐久性提升技术的发展趋势[4]。