高强钢筋应用技术 节约型绿色建筑用高强高性能钢筋应用关键技术
《建筑业10 项新技术(2010)》第3 大项"钢筋及预应力技术",涵盖了8 小项,其中第1 项为"高强钢筋应用技术"。高强高性能钢筋为建筑、桥梁、隧道、煤矿与铁路等领域广泛应用,不仅大大提高了建筑安全储备能力,而且能够降低资源和能源消耗,利于综合减排。
节约型绿色建筑用高强高性能钢筋应用关键技术
文/ 中国钢研科技集团有限公司范玫光林双平
青海金阳光特种钢材股份有限公司赵军
高强高性能钢筋与节约型绿色建筑
中国建筑用钢是我国钢材消费的主要行业之一,年产量和消费量一般占钢材总产量和消费量的55% 左右(年产量接近6 亿t)。
我国正处在工业化时期,固定资产投资大,基础设施规模大,同时我国城镇化水平不断提高,对建筑用钢材的需求量较大。高产量同时也带来了高能耗和高污染,每生产1t 钢,需要消耗2t 铁矿石、0.6t 标准煤和5t 水,排放1.
7t 二氧化碳、1.9kg 二氧化硫和其他污染物,由此可见当前节约资源和环保的紧迫性。我国已连续12 年居世界钢铁第一生产大国,但并非钢铁强国,"高能耗、高污染"问题一直未能得到很好的解决。
"十二五"规划提出未来五年,要建设城镇保障性安居工程3600万套,使保障性住房的覆盖率达到20% 。其中新近出台的《北京市廉租房、经济适用房及两限房建设技术导则》明确规定,高层建筑应优先 采用轻质高强材料,减小结构自重和材料用量,设计方案中应提高高强钢材使用率,降低钢材消耗量。
如果建筑工程中使用较高强度钢筋的数量能达到使用钢筋总数量的10% 的话,就意味着较高强度钢筋的用量能达到2000 万t,从节约钢材和环保的角度看,每年就可以少生产400 ~ ~600 万t 钢筋,减少排放二氧化碳680 ~1020 万t。
因此, 节约型绿色建筑用高强高性能钢筋的开发与应用推广势在必行。
高强高性能钢筋的开发与生产,不仅可以极大减少钢筋消耗量,节省资源和能源,还可以减少环境污染,提高建筑安全储备能力,将低碳经济和节能减排推进一步。
可喜的是,高强高性能钢筋逐渐受到业内重视。在第十二届中国国际高新技术成果交易会国家发展和改革委员会主办的"加快培育和发展战略性新兴产业"主题展览上,中国钢研科技集团有限公司新冶轧钢部开发的高强高性能棒线材系列产品被指定作为战略性新兴产业的代表项目参展,吸引了众多领导者和各行业技术人员的目光。
转变产品研发模式加快产品升级换代
在结构调整的新形势下,为提高资源利用效率,要开发生产过程绿色环保、应用过程能发挥材料最佳功能、产品寿命周期长的高性能产品,就必须实现过去从单一要求材料的静载荷强度到现在要求综合性能方向的转变,不断进行关键技术的突破。
通过高性能钢的组织调控理论和工艺过程研究,形成具有自主知识产权的生产技术体系和完整配套的高性能钢材制备的工业体系。
通过多行业的紧密配合,真正做到"产、学、研、投"的运行模式,使得整个产业链更加高效运转。由住房和城乡建设部主持、中国钢研科技集团有限公司和中国建筑科学研究院共同承担的"十一五"国家科技支撑项目"高强钢筋与高强高性能混凝土应用关键技术研究",符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006 ~2020) 中重点领域"制造业"中"基础原材料""城镇化与城市发展"中"建筑节能与绿色建筑"两个优先主题任务要求。
项目系统开展高强钢筋与高强高性能混凝土应用关键技术研究,旨在取得高强钢筋与高强高性能混凝土应用关键技术突破,制订标准规范,大力推广高强钢筋与高强高性能混凝土应用技术,实质性推动节材、节能工作,实现建筑业的可持续发展。
项目的开展对高强钢筋的应用、建筑用钢的产品换代、钢铁行业的技术进步、材料资源综合利用、减少环境污染等方面均具有重要意义。位于青海西宁市的"国家科技支撑项目高强钢筋示范生产基地"就是本项目建立的科研产品转化的示范产品生产基地,基地已建成了年产钢拉杆、锚杆、抗震钢筋2.
5 万t 的两条生产线。产品经检测达到我国产品标准要求,部分产品达到国际先进标准水平,填补了我国高强度大规格钢棒的空白。
示范生产基地的落成不仅实现了研产销一体化运作模式,而且构建了产品研发平台,配备全面的研究设备并充分利用在线试验的便利条件,大大加快了科研成果转化的速度。以"新产品研发→中试→产品生产→推广应用"的模式不断开发高技术含量的钢材产品,努力将高效钢材应用于更广阔的领域,最终达到降低资源和能源消耗、综合减排、提高建筑物的抗震性能、提高土地和建筑物的空间利用率的目的。
高强高性能钢筋的应用关键技术 尽管付出了资源和环境的代价,中国仍然还没有成为钢铁强国。目前我们的钢铁生产水平还较低,多为初级产品,附加值低,很多高性能等级的产品依赖进口,制约了建筑、桥梁、隧道、煤矿等领域对高性能钢材的应用,钢铁行业的结构调整已经刻不容缓。
"高强高性能"不仅指材料的强度和延性,而且包括具体的实际工程应用中对钢铁产品的疲劳、松弛、冲击等具体性能指标的要求。
比如用作铁路隧道支护的锚杆钢筋,要求具有较高的冲击性能来抵御突发冲击地压;铁路大桥桥墩中的高强度箍筋,由于使用要求,必须具有良好的弯曲性能。
中国钢研科技集团和青海金阳光特种钢材股份有限公司研发出的高强高性能钢筋系列产品,正是基于对高强高性能的充分理解而与实际工程应用紧密结合。此外,青海金阳光特种钢材股份有限公司还被确定为"国家高强钢筋科技支撑项目示范产品生产基地"。
高强混凝土用热处理钢筋。目前我国开工建设和已建成的高速铁路中,桥梁都占据了相当大的比例,可谓"高铁半程是桥梁",箍筋性能的提高将使桥墩更加坚固。
中国现在普遍使用的箍筋强度级别较低,基本为235 、335MPa 的热轧钢筋,而在发达国家如日本,所采用的箍筋强度级别达到了785 和1275MPa 。
汶川地震和玉树地震之后,我国的建筑专家对提高箍筋强度级别有了更明确的认识。如果使箍筋强度提高至现有产品的2 倍以上,在建筑设计中可节省大量钢筋。以目前我国建筑用箍筋用量及生产效益计算,仅钢筋消耗一项即可节省40 亿元以上;以高强预应力构件用钢筋在建筑等行业中的用量及生产效益计算,每年仅从钢材上即可节省60 亿元。
若计入节省的混凝土、运输、施工等成本,经济效益更为可观。
使用高强箍筋可以将用钢量降低30 %以上,每年可减少4 万t 二氧化碳排放。同时,减少大量的能源消耗和交通运输的压力以及对环境的污染,大幅度提高结构的安全抗震性能。此外,高强混凝土用热处理钢筋还广泛用于预应力构件用钢筋、高强管桩用钢筋等。
把高强混凝土用热处理钢筋用作高强度箍筋具有重要意义:①提高结构的抗震性能。
国内外已有试验研究证明,高强度箍筋约束混凝土可以大幅提高混凝土的强度和极限应变,让基柱在箍筋的约束作用下变得强韧,能够抵抗中小地震的破坏,在大震中"坏而不倒"。②降低资源和能源消耗,使用高强度箍筋还可以使钢筋直径更细,并缩小基柱的尺寸,减少钢铁、混凝土的消耗,降低资源和能源的消耗(见图1)。
③控制裂缝发生,箍筋强度的提高有助于减少基柱中裂纹的发生。④综合减排,每年直接降低的钢铁用量即可减少大量二氧化碳及二氧化硫、粉尘和烟尘等污染物的排放,加之减小构件尺寸所节省的水泥及其他建材的运输、施工等环节,将达到巨大的减排量。
⑤提高土地和结构的空间利用率,使用普通箍筋时为了满足桥墩强度要求把箍筋设置得太密,甚至无法浇入混凝土,而高强度箍筋的规格较细,可以解决这一问题。同时,还可以避免"肥梁胖柱",提高土地和结构的空间利用率。
高强度锚杆。锚杆是锚固在煤、岩体内维持围岩稳定的杆状物,具有支护工艺简单、支护效果好、材料消耗和支护成本低、运输和施工方便等优点,广泛用于煤矿、隧道、高速公路、大坝、深基坑、码头等各类支护和加固工程(见图2)。
我国是世界上最大的井工矿煤炭生产国,近年来煤炭行业中采用锚杆支护技术已得到大面积推广,成为全 国煤矿巷道不可逆转的主要支护方式。由于每年使用锚杆或锚杆与喷射混凝土支护的巷道约5000km,国有 重点煤矿每年新掘锚杆支护巷道约3000km,居世界首位,因此每年对锚杆的需求数以亿计。
煤炭业2005 年消耗钢870 万t,预计到2011 年煤炭用钢需求达到1450 万t,其中,锚杆支护用钢将达到350 万t 以上。
目前我国煤炭行业使用的锚杆金属杆体直径一般为16 ~ 24mm,强度绝大多数为335MPa 级,少数达到500MPa 级,对高强度锚杆有较大需求,尤其是屈服强度达到1000MPa以上、同时保证一定塑性的产品。
首先,锚杆支护过程是妨碍煤炭开采进度的"瓶颈",在一个工作面采煤循环中所占的时间最长,而提高锚杆强度有利于降低锚杆支护密度,如果将锚杆支护的时间缩少一半,工作面煤炭产量几乎可以提高1 倍。
其次,目前 我国煤矿的煤层开采深度平均每年加深9m,采深大于700m 的矿井有50多处,而且我国煤炭资源总量的53% 埋深大于1000m,随着煤炭资源的不断开采、矿井的开采深度不断加深,深层开采带来了高的地应力、高的冲击地压和大的围岩流变,给煤巷的锚杆支护造成了严重的困难,需要更高强度的锚杆。
再次,煤矿行业的安全生产需要高强度的锚杆支护。近年来随着高速公路的迅猛发展,在公路边坡、大型滑坡治理中普遍采用预应力锚索加固技术,对预应力锚杆的工程用量较大。
高速公路的隧道工程也日益增多,而锚喷支护已经成为保持围岩稳定的最常用最有效的方法,同时,隧道加固均采用锚杆加固,锚杆的用量达数百万根。在坝体工程中,将坝体与基岩紧固起来的预应力长锚杆( 索),可在不中断工作条件下加固或加高坝体,因而经济效益十分突出。
此外,水利水电工程常常遇到高边坡失稳问题,边坡防护大量应用锚固技术。以三峡工程为,仅三峡船闸一项工程就需要消耗93000 套高强度锚杆和4376束预应力锚索。
在城市基坑工程中,预应力锚杆背拉桩墙的支护结构应用十分普遍。仅北京就有几百座深度在15m 以上的基坑采用桩( 墙) 锚支护,如中国银行总行地下室面积为16000m2,深为22 ~ 25m, 采用3 ~ 4 排极限抗拔力为1200kN 的预应力锚杆背拉地下连续墙 ( 即地下室外墙) 支护,保持了基坑的稳定,使坑边最大位移小于30mm。
目前我国普遍使用的锚杆均为热轧产品,与之相比,中国钢研科技集团公司开发的产品具有更高的综合力学性能。①高强度强度显著提高,可以抵抗更高的地应力,并有效减少支护范围内岩土的变形,控制岩土破坏范围;②高塑性具有良好的塑性变形行为,在岩土的卸压和应力重分布过程中不被破坏,继续起到支护作用;③高冲击吸收功高强度锚杆还具有较高的冲击性能,因此可以在岩土中抵抗突发的冲击地压。
综合以上特点,高强度锚杆能够提供比普通热轧锚杆更有效的岩土支护,而且可以通过减小锚杆直径节约钢材达30% 以上。高强度锚杆由于具有上述性能特点,用于隧道可以提供更可靠的围岩支护效果,这对埋深较大的隧道和大跨度隧道具有重要的安全意义,同时高强度锚杆可以减小支护密度,提高施工速度。
高强度钢拉杆。高强度钢拉杆是以碳素结构钢和合金结构钢为原材料,经机加工、热处理、表面处理等工序制作而成的建筑用钢结构件,并辅以调节套筒、锁母和接头等零部件组合而成。
钢拉杆作为建造巨型、大跨度建筑物及舰艇船坞的钢结构重要组件,主要用于建筑工程项目中受预应力的部位和大跨度建筑,在中国的需求量与日俱增(见图3)。目前国内钢拉杆产品采用传统热处理方式生产,强度级别偏低,高级别产品仍需国外进口,而且产量存在较大缺口。
中国钢研科技集团公司开发的"高强度钢拉杆"填补了这一空白,且售价明显低于进口产品,具有较强的市场竞争力。此外,系列产品虽然属深加工钢材,加热过程需要一定能耗,但其原料合金含量较少,与高强钢丝、钢绞线相比还减少了酸洗和冷拔工序,具有较高的性价比。在保证工程质量的同时,工程的综合施工成本得到降低。
图3 高强度钢拉杆的工程应用
在各类铁路桥梁中,悬索桥和斜拉桥占有一定比重,高强度钢拉杆可以作为悬索钢缆、斜拉索使用,不仅力学性能优良,而且由于外形简单,与钢绞线、钢丝束相比具有突出的抗腐蚀性,且锚具简单,施工方便。
高强度钢拉杆还适用于铁路车站,铁路车站是人流集散地点,客流量较大,对安全保障提出了更高的要求。目前我国很多车站都采用钢结构形式,轻巧别致。作为钢结构建筑中重要的钢材,钢拉杆综合力学性能的提高可使建筑更加坚固。
科技创新推动绿色建筑用高强高性能钢筋的可持续发展
21 世纪知识不再是力量,创造性思维能力才是力量。在"十二五"规划的新起点下,随着城镇化与城市的快速发展,节约型绿色建筑用高强高性能钢筋的开发与应用推广势在必行。
为了实现产品的升级换代与可持续发展,新一代高强高性能钢筋应当具备低成本、低消耗、低排放、长寿命、高性能、可循环、绿色化、与人类和环境友好,符合可持续发展的科学发展观的特征。
各高等院校、科研院所、生产企业与原材料制造厂家在高强高性能钢筋生产中应研发并推广以"大大降低对微合金元素的依赖,节省资源和能源;采用适宜的热处理工艺进行连续大生产,提高生产的可操作性;依据所需要的组织和性能要求,进行加热与冷却路径控制,从而得到多样化的相变组织和优异的材料性能。
"面对国际竞争和国内对节能减排的迫切需要,我们必须针对多领域应用要求开发出专用的高强高性能钢筋产品,以推广高效建材的生产、应用技术,加快行业间的合作与成果转化,推动冶金、建筑等行业节材、节能工作,促进行业技术进步,减少环境污染。
