鋼筋是建筑工程的基礎(chǔ)材料，多年來(lái)是單一品種產(chǎn)量最大的鋼材產(chǎn)品，年產(chǎn)量多年超過(guò)2億噸。鋼筋的質(zhì)量水平直接決定了鋼筋混凝土建筑的質(zhì)量和壽命，鋼筋銹蝕堪稱“混凝土結(jié)構(gòu)耐久性危機(jī)”，已成為土木工程的一大危害。2023年初，中廣核向中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)提出，希望鋼鐵行業(yè)幫助解決大亞灣核電站等基礎(chǔ)設(shè)施鋼筋混凝土氯離子腐蝕嚴(yán)重影響工程壽命和設(shè)施安全的課題。鋼協(xié)科技創(chuàng)新工作委員會(huì)將此課題納入行業(yè)共性技術(shù)研發(fā)，經(jīng)過(guò)近2年全行業(yè)的協(xié)同研發(fā)，取得了突破。本文就該課題相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。
課題的背景
目前我國(guó)大量使用的HRB400（E）鋼筋主要利用Nb、V、Ti微合金化提高強(qiáng)塑性，具有良好的綜合性能。然而，在近海、化學(xué)工業(yè)及酸雨地區(qū)等，鋼筋混凝土腐蝕較快，需要采取附加防腐措施，如混凝土外加劑、鋼筋阻銹劑等，大大增加了施工和維護(hù)成本。因此，亟需解決鋼材腐蝕的“內(nèi)因”問(wèn)題，從根本上提高混凝土耐久性。
長(zhǎng)久以來(lái)，表面涂覆和合金化是提高鋼材耐蝕性的兩種主要方法。涂/鍍層鋼筋技術(shù)包括在鋼筋表面涂覆環(huán)氧樹(shù)脂和熱浸鍍鋅。眾所周知，鋼材表面涂覆會(huì)使用大量的有害材料，如鹽酸、硫酸等，在涂覆過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢水對(duì)人體及周遭環(huán)境會(huì)造成嚴(yán)重污染；鋼材涂覆的成本也比較高，相比裸鋼成本要增加1000元/噸以上，且涂覆層在經(jīng)過(guò)磕碰后極易發(fā)生剝落。合金化耐蝕鋼筋主要利用Cr、Ni等元素提高鋼材耐腐蝕性能，包括“Corten”“Mariner”鋼筋、MMFX高Cr耐蝕鋼筋、304/316奧氏體不銹鋼筋、2201/2205雙相不銹鋼筋等。然而，合金的添加使鋼筋成本大幅增加，超過(guò)涂覆鋼生產(chǎn)成本，高價(jià)格阻礙了規(guī)?；茝V應(yīng)用。
經(jīng)多年研究發(fā)現(xiàn)，在鋼筋中添加高豐度輕稀土可以提高鋼筋耐蝕、純凈度、耐候等性能。我國(guó)是稀土資源大國(guó)，習(xí)近平總書(shū)記多次對(duì)稀土資源利用做出指示，要求發(fā)揮好稀土戰(zhàn)略資源優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)戰(zhàn)略資源高質(zhì)化利用?！秶?guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)稀土行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》（國(guó)發(fā)［2011］12號(hào)）明確指出：要加快稀土關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。工信部發(fā)布的《稀土行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》指出：以《中國(guó)制造2025》國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展實(shí)施為契機(jī)，重點(diǎn)圍繞與稀土產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高的《中國(guó)制造2025》十大重點(diǎn)領(lǐng)域，大力發(fā)展稀土高端應(yīng)用，加快稀土行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。但近年來(lái)我國(guó)稀土利用主要集中在功能材料特別是釹鐵硼磁體生產(chǎn)，共生的大量高豐度輕稀土，主要以鑭（La）、鈰（Ce）、釔（Y）為主未得到充分利用，特別是北方輕稀土利用率僅為10%，甚至形成了堆積。在輕稀土資源充足的前提下，研發(fā)應(yīng)用稀土螺紋鋼為提升鋼材性能，提高輕稀土資源利用率提供了新的技術(shù)路徑。
為加快鋼鐵行業(yè)原始創(chuàng)新，組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游形成合力，持續(xù)提升創(chuàng)新效能，中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)持續(xù)跟蹤產(chǎn)業(yè)鏈上下游創(chuàng)新發(fā)展需求，針對(duì)行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，建立工作機(jī)制，推動(dòng)行業(yè)開(kāi)展共性技術(shù)協(xié)同研發(fā)。其中稀土耐蝕螺紋鋼是共性技術(shù)協(xié)同研發(fā)項(xiàng)目之一，鋼協(xié)科創(chuàng)委成立了“耐腐蝕螺紋鋼共性技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)”（以下簡(jiǎn)稱創(chuàng)新平臺(tái)），組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游開(kāi)展稀土耐蝕螺紋鋼協(xié)同研發(fā)。
通過(guò)兩年的協(xié)同研發(fā)，稀土耐蝕鋼筋經(jīng)鋼研納克、中冶檢測(cè)、中科院等權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，結(jié)果顯示產(chǎn)品耐腐蝕性能優(yōu)異。
稀土對(duì)鋼筋性能的影響
1．稀土元素提高鋼材的耐腐蝕性能30%以上
添加適量的稀土元素可以凈化鋼基體，提高其自腐蝕電位，降低電化學(xué)腐蝕電流密度，促進(jìn)Si、Cu、Ｐ在內(nèi)銹層的富集，促進(jìn)致密保護(hù)銹層的生成，從而有效提高這些鋼的耐化學(xué)和應(yīng)力腐蝕性能。普通碳鋼銹層呈紅褐色，銹層疏松，表層容易脫落，銹層主要是由α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4及少量的β-FeOOH構(gòu)成。而稀土鋼銹層顏色明顯較深，銹顆粒細(xì)小，銹層的結(jié)合能力與致密性優(yōu)于碳鋼。此外，普通碳鋼銹層較厚且連續(xù)性較差，銹層中存在大量孔洞和貫通性裂紋，這些裂紋在腐蝕過(guò)程中由于毛細(xì)效應(yīng)容易吸收腐蝕液直達(dá)鋼基體，這使銹層長(zhǎng)時(shí)間處于“濕潤(rùn)”狀態(tài)，加劇鋼基體溶解，因而削弱了銹層保護(hù)能力。而稀土鋼銹層中雖然在局部存在缺陷，但貫穿性裂紋較少，且銹層連續(xù)致密，保護(hù)作用優(yōu)于對(duì)普通碳鋼。在海洋大氣環(huán)境下，稀土鋼形成的銹層缺陷較少，稀土能促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物中的活性組元向穩(wěn)定的α-FeOOH轉(zhuǎn)化，并能細(xì)化銹顆粒，提高鐵銹中非晶相比例，從而增強(qiáng)銹層的保護(hù)性。數(shù)據(jù)顯示稀土鋼可以提高耐蝕性30%以上。
2．稀土元素提高綜合力學(xué)性能
加入稀土元素后能夠通過(guò)界面偏聚、變性非金屬夾雜物、改善凝固組織、細(xì)化熱軋態(tài)組織等作用，從而改善組織的均勻性，提升鋼的強(qiáng)度和韌性，有效改變鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，提升鋼在實(shí)際服役條件下的穩(wěn)定性。
3．稀土元素改善鋼材組織結(jié)構(gòu)
在鋼中添加稀土元素可以改性鋼中的夾雜物。研究表明，未添加稀土元素的船板鋼中存在著一些長(zhǎng)條狀和尖角狀的夾雜物，這些夾雜物由于與基體的熱膨脹系數(shù)差別很大，存在復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)，因此當(dāng)承受沖擊載荷時(shí)容易引起應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生微裂紋，影響鋼的總體力學(xué)性能。而添加稀土元素之后，尖角狀的夾雜物消失，取而代之的是球狀小顆粒的夾雜物。在鋼中添加稀土元素，有一個(gè)明顯的特點(diǎn)，就是可以同時(shí)起到改善硫化物夾雜形態(tài)或消除硫化物夾雜、消除網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)共晶碳化物并使其均勻分布在組織中、改善包括Cr、Ｖ和Mo在內(nèi)的合金元素偏析現(xiàn)象、細(xì)化晶粒尺寸等多種作用，可全面提升鋼的力學(xué)性能。
4．稀土元素改善鋼材焊接性能
在焊接熱影響區(qū)中，過(guò)熱粗晶區(qū)是鋼材性能最薄弱、沖擊功最低的部分，制約了焊接后鋼的整體力學(xué)性能，從而影響了船舶的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)時(shí)間。鋼中的稀土元素會(huì)在晶界處與位錯(cuò)處偏聚，對(duì)晶界產(chǎn)生拖曳與釘扎作用，產(chǎn)生晶界強(qiáng)化與位錯(cuò)強(qiáng)化。在焊接過(guò)程中，釘扎作用會(huì)使熱影響區(qū)的粗晶熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大傾向減弱，從而獲得較好的綜合力學(xué)性能。對(duì)粗晶熱影響區(qū)晶粒尺寸的相對(duì)穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用，有利于提高鋼材的焊接性能。
稀土鋼筋研發(fā)歷程及主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的過(guò)早破壞已經(jīng)成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的一大災(zāi)害，尤其是高溫潮濕、污染嚴(yán)重的海洋環(huán)境，極容易導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋腐蝕。實(shí)驗(yàn)表明，兼有Cl-沉積和SO2污染的海洋大氣容易導(dǎo)致金屬發(fā)生嚴(yán)重腐蝕破壞。稀土是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)資源，實(shí)地大氣暴曬（見(jiàn)圖1）、實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕以及電化學(xué)等大量研究從變性?shī)A雜和改變銹層結(jié)構(gòu)的角度證明了稀土可以有效提高碳鋼及低合金鋼的耐工業(yè)大氣腐蝕性和耐海洋腐蝕性能，且隨稀土含量的增加，稀土鋼的耐蝕性增強(qiáng)。在普通鋼筋中加入適量的稀土元素，增加的成本不超過(guò)100元/噸，但對(duì)鋼筋產(chǎn)品性能改善和質(zhì)量的提高具有重要作用，使耐蝕性能達(dá)到鋼筋混凝土用耐腐蝕鋼筋性能標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖1 稀土耐蝕鋼筋混凝土試樣的大氣暴露實(shí)驗(yàn)
上海大學(xué)與盛隆冶金、聯(lián)鑫鋼鐵等鋼鐵企業(yè)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)自2019年起，圍繞稀土賦存狀態(tài)、稀土收得率、稀土加入方法、稀土耐蝕機(jī)理等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了稀土合金在普碳鋼中的作用機(jī)理。2020年8月，由中國(guó)稀土學(xué)會(huì)組織的對(duì)于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)《基于稀土合金化提高鋼材耐腐蝕性能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化》的科技成果評(píng)價(jià)會(huì)在蘇州召開(kāi)，經(jīng)過(guò)專家討論和質(zhì)詢，認(rèn)為稀土耐蝕鋼理論和技術(shù)總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。在此基礎(chǔ)上，耐腐蝕螺紋鋼共性技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)各成員單位協(xié)同開(kāi)展了稀土鋼筋的開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步深入研究鋼筋稀土合金化技術(shù)，形成了中國(guó)特色的新型稀土耐蝕螺紋鋼產(chǎn)品及生產(chǎn)技術(shù)。2024年11月，中鋼協(xié)組織召開(kāi)成果評(píng)價(jià)會(huì)，由毛新平院士等專家成專家組，對(duì)《鋼筋混凝土用熱軋稀土鋼筋開(kāi)發(fā)》項(xiàng)目進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為項(xiàng)目達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
通過(guò)不懈的努力，團(tuán)隊(duì)在稀土鋼筋的研發(fā)與生產(chǎn)中取得了多方面的創(chuàng)新性成果。
1.利用稀土元素實(shí)現(xiàn)夾雜物變性
首次將我國(guó)豐富的鑭鈰稀土資源應(yīng)用于普通鋼筋生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)鑭鈰稀土元素變性鋼中夾雜物的類型、尺寸和分布，將鋼中腐蝕速率大的夾雜（MnS）變性為腐蝕速率小的稀土復(fù)合夾雜物，降低鋼基體內(nèi)部微區(qū)域電化學(xué)腐蝕；利用稀土界面偏聚及促進(jìn)α-FeOOH穩(wěn)定腐蝕產(chǎn)物的生成，起到了減緩點(diǎn)蝕、表面局部腐蝕和致密穩(wěn)定銹層的三個(gè)作用，使鋼筋具有良好的耐腐蝕性能。
2.利用稀土絲的包裹保護(hù)技術(shù)
利用稀土絲的包裹保護(hù)技術(shù)，避免了較低熔點(diǎn)的活性鑭鈰元素進(jìn)入渣層，采用在連鑄結(jié)晶器中喂絲工藝，將鑭鈰稀土合金加入鋼中，有效避免連鑄水口的積絮結(jié)瘤，實(shí)現(xiàn)連鑄順行生產(chǎn)，稀土收得率達(dá)到70%-85%。
3.穩(wěn)定控制稀土元素含量和分布
通過(guò)控制連鑄和喂絲工藝，鑭鈰稀土穩(wěn)定控制含量為140-200ppm，鑭鈰稀土分布控制范圍縮小到±30ppm，提高了稀土元素分布均勻性。鋼研納克、中冶檢測(cè)、中科院金屬所等多家機(jī)構(gòu)開(kāi)展的腐蝕周浸加速試驗(yàn)結(jié)果均表明，根據(jù)失重法檢測(cè)對(duì)比，含稀土熱軋鋼筋較普通熱軋鋼筋耐腐蝕能力提高30%-50%。
項(xiàng)目授權(quán)發(fā)明專利2件，制定國(guó)標(biāo)和團(tuán)標(biāo)各1項(xiàng)，發(fā)表論文8篇，形成了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的稀土耐蝕鋼筋產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)整體技術(shù)。
應(yīng)用情況與效果
從產(chǎn)業(yè)化方面看，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)運(yùn)用鑭、鈰稀土多形合金化技術(shù)開(kāi)發(fā)的HRB400ERE稀土鋼筋于2020年6月首次在鹽城聯(lián)鑫鋼廠連續(xù)生產(chǎn)22000噸，同期在廣西盛隆冶金、江蘇永鋼開(kāi)發(fā)了HRB500ERE稀土鋼筋，隨后分別在陜鋼漢鋼公司、中天鋼鐵、江西臺(tái)鑫鋼鐵、萬(wàn)泰特鋼等企業(yè)批量化生產(chǎn)，目前累計(jì)生產(chǎn)近5萬(wàn)噸，并已部分向中廣核供貨。從標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)方面看，稀土耐蝕普碳鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟，首個(gè)稀土耐蝕普碳鋼的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《稀土耐候結(jié)構(gòu)鋼》（T/CSM 2020-12）在2020年6月正式發(fā)布實(shí)施。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)組織起草的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋混凝土用熱軋稀土鋼筋》（T/CSM 2020-12、GB/T 43665-2024）分別于2022年6月和2024年10月1日正式發(fā)布實(shí)施。
從經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益看，稀土耐蝕普碳鋼可免除涂裝，減少維護(hù)，降低成本，保護(hù)環(huán)境；噸鋼稀土合金化成本不超過(guò)100元，為合理使用我國(guó)稀土資源提供了一個(gè)有效途徑。
稀土耐蝕普碳鋼是具有我國(guó)資源特色的綠色可持續(xù)發(fā)展的一類新型鋼鐵材料，目前已成功應(yīng)用于多項(xiàng)工程建設(shè)，取得了良好的效果。
工程應(yīng)用案例1：稀土耐蝕螺紋鋼HRB400ERE應(yīng)用于河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司精品制粉廠建設(shè)項(xiàng)目，稀土耐蝕螺紋鋼加工成箍筋與板筋進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)建設(shè)。
工程應(yīng)用案例2：稀土耐蝕鋼筋應(yīng)用于上善院基建工程，包括一號(hào)廠房的“大師工作室”地基建設(shè)、三號(hào)廠房工作室地基建設(shè)、門崗地基建設(shè)、員工食堂、職工活動(dòng)中心等，建筑面積約5000m2。
工程應(yīng)用案例3：稀土耐蝕鋼筋應(yīng)用于鹽城市豐港物流碼頭項(xiàng)目工程（見(jiàn)圖2）。該工程擬建設(shè)4個(gè)1000噸級(jí)散貨泊位和3個(gè)1000噸級(jí)件雜貨泊位，水工結(jié)構(gòu)按靠泊1000噸級(jí)船舶設(shè)計(jì)，碼頭工程有7座，總長(zhǎng)約800m。
圖2 稀土耐蝕鋼筋應(yīng)用于鹽城市豐港物流碼頭工程
總結(jié)與展望
稀土耐蝕鋼筋是具有中國(guó)特色的創(chuàng)新性鋼材產(chǎn)品，利用中國(guó)特有的鑭、鈰稀土資源，賦予量大面廣的鋼筋以耐大氣腐蝕性能，有效促進(jìn)中國(guó)鋼鐵工業(yè)與稀土工業(yè)的共同高質(zhì)量發(fā)展。
稀土耐蝕鋼筋的研發(fā)和推廣應(yīng)用對(duì)于鋼鐵產(chǎn)業(yè)綠色化、可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義，將積極推動(dòng)鋼鐵材料和建筑行業(yè)向低成本、綠色化生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)型躍升。
