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地铁混凝土结构中不锈钢钢筋应用的案例分析

2021-02-08 322 上传者：管理员

摘要：从混凝土结构耐久性设计要求和腐蚀环境2个方面阐述了不锈钢钢筋应用的必要性，分析了不同类别的不锈钢钢筋的耐腐蚀性能和力学性能，得出了不同腐蚀条件下的推荐应用类型。结合应用案例，介绍了混凝土结构中部分采用不锈钢钢筋的方式，并对比了不同配筋方案的工程造价，认为应在满足耐腐蚀性和力学性能的前提下，对地铁混凝土结构中使用不锈钢钢筋的经济性予以充分考虑，从而获得更好的安全效益和经济效益。

关键词：
不锈钢钢筋
地铁工程
工程结构
建筑材料
混凝土材料
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近年来，随着我国社会经济的快速发展和城市化进程的不断加快，国家中心城市、区域中心城市的人口数量急剧增加，城市轨道交通也因此发展迅猛。从1990—2019年短短30年间，我国开通城市轨道交通的城市从最初的3个发展到40个，总运营线路达到6730.27km，已步入城市轨道交通大国的行列，且目前仍有6000km的城轨在建，其中地铁制式超过80%。

由于地下设施的维护和修复较为困难，因此地下混凝土结构需要有更长的使用年限，且能承受更严酷的环境作用。地铁工程线路长，混凝土结构往往处于地下水丰富、透水性强的地层当中，有时还要穿越海峡、河流或湖泊等，不仅会受到氯离子等介质的侵蚀，而且还可能因碳化和干湿环境的交替作用进一步加剧侵蚀发展。高纬度地区的地铁工程还因处于冻融环境或除冰盐等氯化物环境，而使混凝土结构的耐久性受到严重影响。

提高混凝土结构耐久性的措施，从钢筋角度来讲，传统的方式包括采用环氧涂层钢筋、使用钢筋阻锈剂、增加混凝土保护层厚度等。当混凝土结构的耐腐蚀性能要求较高，且需综合考虑简化混凝土配比、提高耐用性能、降低维护成本等因素时，可采用耐腐蚀钢筋作为提高耐久性的附加措施。根据耐腐蚀性能的高低，耐腐蚀钢筋又可分为耐蚀钢筋和不锈钢钢筋2类。其中，耐蚀钢筋一般适用于由除冰盐造成的路基腐蚀等腐蚀强度较低的环境，而不锈钢钢筋则适用于更强的腐蚀环境，耐腐蚀性也更好。

1、不锈钢钢筋应用的必要性

中国土木工程学会在2004年发布且于2005年修订的CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中，全面而系统地阐述了混凝土结构耐久性设计与施工的基本法则和方法，并在防腐蚀附加措施中特别指出“在腐蚀环境中可采用耐腐蚀钢种为材质的钢筋。在特别严重的腐蚀环境下，要求确保百年以上使用年限的特殊重要工程，可选用不锈钢钢筋。”该标准将影响钢筋和混凝土材料的环境按不同腐蚀作用机理分为I、II、III、IV、V共5大类，再按其对配筋混凝土结构侵蚀的严重程度以A、B、C、D、E、F定性环境作用等级。在这些分类当中，氯化物环境的III和IV类，主要引起钢筋的严重腐蚀；II和V类，除个别情况外主要通过对混凝土的冻融和腐蚀间接促进钢筋锈蚀。该标准还明确了对于重大工程中环境作用等级为E或F的构件部位，应采取防腐蚀附加措施。

GB50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015版）在其耐久性设计章节中，将混凝土结构的环境类别分为5类，其中第3类为海岸环境和受除冰盐等影响的环境。对于该类环境下的混凝土结构构件，除了明确要求采用阻锈剂、环氧树脂涂层钢筋或其他具有耐腐蚀性能的钢筋外，还要求采取阴极保护等措施，尤其是设计使用年限100年的混凝土结构更应采取专门的抗腐蚀措施。

黄文新[1]对广州地铁混凝土结构耐久性进行了研究，结果表明尽管大部分地段为弱腐蚀性，但仍有少部分地段呈现中等腐蚀性，主要是氯离子超标。陈志伟等[2]对东莞地区地下水对混凝土和钢筋的腐蚀性进行了研究，结果表明所有参加统计的水对钢筋都有弱腐蚀性，而含淤泥的水35.3%～76.0%有中等腐蚀性。黄文新[1]通过对地铁混凝土结构抗地下水中Cl-、SO42-腐蚀进行研究，整理得到钢筋腐蚀寿命预测（拟合）方程式C=atb。其中，C为界限氯离子质量浓度；a为乘数；t为达到极限氯离子质量浓度的时间；b为幂指数。对实际处于干湿交替环境中的地铁工程混凝土来说，当地下水中的氯离子质量浓度为350.58mg/L（腐蚀等级为弱）时，将a=0.01356、b=0.20962代入方程式，可得C=0.01356t0.20962，达到临界值需要37.8年，其混凝土抗氯离子侵蚀的耐久性远低于设计要求的100年。由陈龙等[3]进行的不锈钢与碳钢临界氯离子质量浓度对比试验可知，相同条件下的304L奥氏体不锈钢与Q235碳钢在模拟混凝土孔隙液中的临界氯离子浓度分别为1.2mol/L和0.06mol/L，两者相差20倍。

这些研究表明，对于部分中等腐蚀区域的地铁混凝土结构耐久性问题，有必要采取措施予以应对。在地下水腐蚀以及干湿交替环境中，要实现地铁混凝土设计使用100年的要求，不锈钢钢筋在耐腐蚀性能方面具有明显的优势。

2、混凝土用不锈钢钢筋的分类与性能对比

为了满足CCES01—2004和GB50010—2010等标准中关于工程结构耐久性的实际需要，2014年5月由工业和信息化部发布了黑色冶金行业的YB/T4362—2014《钢筋混凝土用不锈钢钢筋》标准。在此基础上，我国相关部门又于2017年制定并发布了经过完善和细化的GB/T33959—2017《钢筋混凝土用不锈钢钢筋》，将钢筋混凝土用不锈钢钢筋分为热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋2类形态，HRB300S、HRB400S和HRB500S等3个等级，包含奥氏体型、奥氏体—铁素体型和铁素体型3种金相组织类别的9种不锈钢材料，见表1。

从表1可知，相比YB/T4362—2014,GB/T33959—2017中增加了2种近年来国内开发日渐成熟的双相不锈钢S22553和S25073。总的来说，国内不锈钢钢筋标准在制定过程中，充分考虑了我国钢筋生产和使用的经验和实际，能够满足国内施工设计规范的应用要求。

由于不锈钢钢筋在混凝土中主要面临氯离子导致的局部腐蚀，而其耐蚀性主要与化学成分和金相组织有关，因此可通过耐点蚀当量（PittingResistanceEquivalent，以下简称PRE）对其耐蚀性能进行评价。PRE是学者们推导出的不锈钢成分与综合耐蚀性之间相关性的公式。作为不锈钢综合耐蚀性的定量标示方法，该公式可用来按不锈钢的牌号成分对综合耐蚀性进行比较，以实现对不锈钢的开发和应用[4]。其中，应用最为广泛的PRE公式是PRE=Cr+3.3×Mo+16×N。该公式已被国内外诸多国家在标准规范中进行采用，我国也将其收录于GB/T33959—2017的附录A中。根据GB/T33959—2017中规定的不锈钢牌号成分，可根据该PRE公式计算标准中相关不锈钢钢筋材料的耐点蚀当量，见表1。从表1可以看出，纳入到国标中的双相不锈钢钢筋的耐点蚀当量普遍高于奥氏体不锈钢，这反映了新兴的双相不锈钢在耐腐蚀性能方面比传统奥氏体不锈钢优越。

将表1的PRE值与太钢生产的不锈钢钢筋屈服强度实测数值相结合[5]，对奥氏体不锈钢S30453(304LN型）、S31653(316LN型）和双相不锈钢S22253(2205型）、S23043(2304型）制成的钢筋进行性能比较，其屈服强度与PRE对比见图1。

由图1可知，双相不锈钢S23043(2304型）在PRE略低于奥氏体不锈钢S31653(316LN型）的情况下，屈服强度超过其150MPa以上；在适用于奥氏体不锈钢S31653(316LN型）的工况下，采用同等规格的双相不锈钢S23043(2304型）可提供更高的强度；双相不锈钢S22253(2205型）的屈服强度和PRE值远超其他3种材质，适用于更强的耐腐蚀环境及强度要求。

根据GB/T33959—2017《钢筋混凝土用不锈钢钢筋》的规定，对于结构有较长的设计寿命或难以维修的部件，可采用PRE小于30的材质；对于暴露在氯化物污染物的非预应力结构、氯离子在混凝土结构中产生沉积、桥梁加固连接关节部位等，推荐采用PRE介于30～40之间的材质。实际应用中，在提高PRE档位使用不锈钢钢筋，以及使用PRE超过40的材质时，应评价其经济性。对比国外应用不锈钢钢筋的案例来看，在沿海公路和桥梁建设中，20世纪90年代多采用奥氏体不锈钢，而2000年之后则多采用2205型的双相不锈钢。

3、应用案例

在选择不锈钢钢筋材质种类时，除了主要考虑力学性能和耐腐蚀性能之外，经济性也是一个重要因素。由于不锈钢钢筋的价格大约为普通碳钢钢筋价格的6倍，因此从成本角度考虑，在混凝土结构中使用不锈钢钢筋替代碳钢钢筋会导致工程造价大幅提高，经济性下降。为了既能保证较好的耐腐蚀性能，又能控制工程造价，在工程实践中可以采用不锈钢钢筋和碳钢钢筋结合使用的设计方法。

在地铁车站的建造过程中，可对不同结构部位采用不同的钢筋材质，即仅在迎水面的顶梁受拉纵筋中使用不锈钢钢筋。从梁正截面承载力的角度来讲，可以按普通钢筋混凝土梁来计算不锈钢钢筋混凝土梁，例如以等截面积的HRB400S不锈钢钢筋代替HRB400碳素钢筋即可[6]。笔者以某标准跨长的配筋方案为例，假设采用HRB400碳素钢筋的用量为A，单价为B，同等强度的HRB400S不锈钢钢筋单价为6B进行测算，不同配筋方案的价格对比见表2。

由表2可知，方案2最具优势。该方案仅对迎水面采用不锈钢钢筋，其用量是全部钢筋的10%，相较于100%使用碳钢钢筋，造价仅提高了1.5倍，但却实现了结构耐久性的大幅提升。

这种局部应用不锈钢钢筋的案例在其他行业中也不断涌现。例如，港珠澳大桥在建造过程中，仅对浪溅区外层钢筋使用双相不锈钢S32304（美标统一编号，相当于国标统一数字代号S23043），其余部位根据腐蚀环境的不同，采用了环氧涂层钢筋，兼顾了耐久性和经济性。

4、结语

地铁混凝土结构长期处于潮湿或干湿交替的环境中，不仅要经受各种腐蚀性介质的侵蚀，还要受荷载、振动、杂散电流等的影响，其耐久性关系到地铁线路的正常安全运行和使用年限。笔者通过分析研究，认为采用不锈钢钢筋来提高混凝土结构的耐腐蚀性能具有理论意义和实践价值。

我国发展地下轨道交通的时间较短，且环境对地铁混凝土结构造成的影响有时间上的滞后性，因此有必要对地铁混凝土结构的腐蚀问题予以重视，在设计、建造阶段即积极采取相关的应对措施。在实践中，应以具体的腐蚀环境等级和严重程度为基础，在满足混凝土耐久性设计要求的前提下，对混凝土保护层厚度、各类防腐蚀措施、全寿命周期维护费用等因素进行全面测算，使之既能满足性能要求，又具有较好的经济性。

参考文献：

[1]黄文新.广州地铁混凝土结构在环境多因素作用下抗侵蚀耐久性的研究[D].广州:华南理工大学,2010.

[2]陈志伟,谢邦优.东莞地区地下水对混凝土和钢筋的腐蚀性探讨[J].土工基础,2005,19(4):61-63.

[3]陈龙,瞿彧,汤雁冰,等.不锈钢钢筋的临界氯离子浓度[J].腐蚀与防护,2014,35(5):446-449.

[4]黄嘉琥,付逸芳.耐点蚀当量(PRE)与压力容器用超级不锈钢[J].压力容器,2013,30(4):41-50.

[5]徐鸿麟(译),刘鹏(校).不锈钢钢筋:延长服役寿命的选择[J].太钢译文,2007(1):45-51.

[6]赵晶.不锈钢钢筋混凝土在地铁设计中的应用[J].都市快轨交通,2016,29(3):69-74.

黄超.不锈钢钢筋在地铁混凝土结构中的应用分析[J].市政技术,2021,39(02):106-109.