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建筑工程钢筋工材料

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建筑工程钢筋工材料

钢筋是建筑工程中最重要的金属材料之一,作为结构材料用于钢筋混凝土钢结构,包括型钢、钢筋和钢丝。钢材具有强度高、塑性和韧性好、可加工性强、质量均匀性能可靠等优点;具有钢筋易锈蚀、维护费用高、耐火性差等缺点,使用时应予注意。

(一)钢筋的化学成分及其对钢筋性能的影响

钢是以铁为主要元素,含碳量在2.11%以下,并含少量其他元素的材料。含碳量为2.l1%~36.69%,并含杂质较多的铁碳合金称为生铁。钢材是生铁经过冶炼、铸锭、轧制和热处理等工艺过程生产而成的钢中除铁、碳两种基本化学元素外,尚有硅、锰、硫、氧、氮以及一些合金元素。

这些元素含量很少,但对钢筋性能的影响很大

1.碳(C)

碳是决定钢材性质的重要元素,它对钢材力学性能的影响很大。试验表明:当钢中含碳量在0.8%以下时,随含碳量增加,钢的强度和硬度提高,塑性和韧性下降。但含碳量大于Ⅰ.0%时,钢材变脆,强度反而下降。含碳量增加,还会使焊接性能、耐锈蚀性能下降,并增加钢的冷脆性和时效敏感性。含碳量大于0.3%时,焊接明显下降般工程中用碳秦钢为低碳钢,即含碳量小于0.25%,工程用低合金钢小于0.52%。

2.硫(S)

硫是钢材中最主要的有害元素之一,硫含量是区分钢材品质的重要指标之一。硫会降低钢材的各种机械性能。钢材在焊接时,由于硫化物的熔点低,易形成热裂纹,这种高温下产生热裂纹的特性称为热脆性。热脆性严重损害钢的焊接性和热加工性。钢中的硫,还会降低钢材所有的物理力学性能,如冲击韧性、耐疲劳性、抗腐蚀性等。建筑钢材中硫含量应小于0.045%。

3.磷(P)

磷是钢材的主要有害元素之一,含量一般不得超过0.045%,也是区分钢材品质的重要指标之一。磷含量增加,钢材的强度、硬度提高,塑性和韧性显著下降。特别是低温下的冲击韧性降低更为显著。磷是钢的冷脆性增加、焊接性下降的重要原因。它可使钢的强度、耐磨性、耐蚀性提高,与铜等合金元素共存时效果更为明显。建筑用钢一般要求含磷量小于0.045%。

4.硅、锰(Si,Mn)

硅和锰都是为脱氧除硫而加入的有益元菾。硅能提高钢的机械强度,通常碳素钢中硅含量小于0.3%,低合金钢含硅小于1.8%。锰能消减硫所引起的热脆性,使钢材的热加工性质改善,同时能提高钢材的强度和硬度。当含锰量小于1.0%时,对钢的塑性和韧性影响不大。

5.氧、氮(O,N)

氧和氮都是在炼钢过程中进入钢液的。氧是钢中的有害元素,降低钢的机械性能,氧引起热脆性増加,特別是韧性。在钢中氧含量不得超过0.05%。氮使钢材强度提高,塑性特別是韧性显著下降,还能引起冷脆性和时效敏感性増强,降低可塑性。钢中氮的含量不得超过0.008%。

6.钛(Ti)

钛是强脱氧剂,能细化晶粒,显著提髙钢的强度,并改善韧性,减小时效敏感性改善焊接性,但塑性稍有降低,是常用的合金元秦。

7.钒(V)

钒是弱脱氧剂,也易形成碳化物和氮化物。能细化晶粒,有效提高强度,减少钢材的时效敏感性。钒与碳、氮、氧等有害元素亲和力很强,会增加焊接时的淬硬倾向。

二)钢筋的分类

钢筋的种类很多,非合金钢、低合金钢和合金钢。按主要质量钢材分为普通钢、优质钢和高级优质钢等。按冶炼时的脱氧程度钢材分为特殊镇静钢(TZ)、镇静钢(Z)、半镇静钢(b)和沸腾钢(F)。按用途钢材分为结构钢、工具钢和特殊钢。其中,结构钢是用于各类工程结构的钢。在建筑工程中,常用的钢材主要是普通低碳结构钢和普通低合金结构钢。

钢筋广泛应用于建筑工程中,其名称种类很多,通常有以下几种分类方法:

1.按钢筋的化学成分分类

(1)低碳素钢钢筋

建筑工程中常用的钢筋是由碳素钢轧制而成的,含碳量小于0.25%。如建筑工程中常用的光圆钢筋、螺纹钢筋等。

(2)普通低合金钢筋

这类钢筋是采用低合金钢轧制而成的,也是建筑工程中的常用钢筋。

2.按钢筋在构件中的作用分类

(1)受力钢筋

受力钢筋是在外部荷载作用下,通过计算得出的构件所需配置的钢筋,包括受拉钢筋、受压钢筋、弯起钢筋等。

(2)构造钢筋

因构件的构造要求和施工安装需要设置的钢筋,架力筋,分布筋,箍筋等都属于构造钢筋。

3.按生产工艺分类

(1)热轧钢筋

热轧钢筋是钢筋混凝土中使用的普通钢筋的主要品种。从外形可分为光圆钢筋和带肋钢筋,与光圆钢筋相比,带肋钢筋与混凝土之间的握裹力大,共同工作的性能较好。我国国家标准GB13013-1991《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》、GB1499-98《钢筋混凝上用热轧钢筋》和GB13014-91《钢筋混凝土用余热处理钢筋》规定了钢筋混凝土用钢筋的技术要求。钢筋混凝土常用钢筋的力学性能和冷弯试验的要求如表2-30所列.

表2-30钢筋混凝土用热轧钢筋的力学性能与冷弯性能

表2-30钢筋混凝土用热轧钢筋的力学性能与冷弯性能

四种钢筋中,除HPB235为碳泰结构钢外,其余均为低合金高强度结构钢。其中HRB400和HRB335是钢筋混凝士用的主要钢筋,HRB400又称新Ⅲ级钢,是我国规范提倡的钢筋混凝土结构用的主力钢筋。而HPB235和RRB400也可应用于钢筋混凝土。

(2)冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋是以普通低碳钢或低合金钢热轧盘条为母材,经多道冷轧(拔)减径后,在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。GB13788-92《冷轧带肋钢筋》规定,冷轧带肋钢筋分为三级,其代号由LL和钢筋的抗拉强度等级数表示。有LL550,LL650和LL800共三个级别。第一个L表示“冷”字的汉语拼音字头,第二个L为“肋”字的汉语拼音字头。冷轧带肋钢筋的直径为5mm,6mm,Tmm,8mm,mm,l0mm。

冷轧带肋钢筋可用于没有振动荷载和重复荷载的建筑和一般构筑物的钢筋混凝土结构。LL550级宜用于钢筋混凝土结构的受力主筋、架立筋、箍筋和构造钢筋。LL650和LL800级钢筋宜用于预应力结构构件中的受力主筋,使用上述钢筋的钢筋混凝土构件不宜在温度低于-30℃时使用。

(3)冷轧扭钢筋

冷轧扭钢筋是采用低碳热轧盘圆(Q235)钢材经冷轧扁和冷扭转而成的具有连续螺旋状的钢筋。该钢筋刚度大,不易变形,与混凝士的握裹力大,无需再加工(预应力或弯钩),可直接用于混凝土工程,节约钢材30%。使用冷轧扭钢筋可减小板的设计厚度减轻自重,施工时可按需要将成品钢筋直接供应现场铺设,免除现场加工钢筋,改变了传统加工钢筋占用场地,不利于机械化生产的弊端。冷轧扭钢筋主要适用于板和小梁等构件。

(4)预应力混凝土用热处理钢筋

预应力混凝土用热处理钢筋是用热轧带肋钢筋经淬火和回火调质热处理而成。热处理钢筋成盘(称为盘圆或盘条)供应。预应力混凝土用热处理钢筋的强度高,综合性能好,且开盘后可自然伸直,不需调直。使用时应按所需长度切割,不能用电焊或氧气切割,也不能焊接。主要用于预应力轨枕、预应力梁等。

(三)钢材的力学性能

钢筋的技术性能主要包括力学性能和工艺性能两个方面,力学性能包括抗拉性能冲击韧性、耐疲劳和硬度等;工艺性能主要包括冷弯和焊接,是检验钢筋的重要依据

1.力学性能

(1)抗拉性能

抗拉性能是指其抵抗拉力作用所表现出来的一系列变化,钢筋的抗拉性能可用其受拉时的应力一应变图来阐明(如图2-1)土中钢筋的变化明显分为以下四个阶段:弹性阶段(O→A)、屈服阶段(A→B)、强化阶段(B→C)和颈缩阶段(C→D)。

①弹性阶段

在图中OA段,应力较低,应力与应变成正比例关系,卸去外力,试件恢复原状,无残余变形,这一阶段称为弹性阶段。弹性阶段的最高点(A点)所对应的应力称为弹性极限,用σp表示。在弹性阶段,应力和应变的比值为常数,称为弹性模量,用E表示,即E三σ′ε。弹性模量反映钢材的刚度,是计算结构受力变形的重要指标。建筑工程中常用钢材的弹性模量为(2.0~2.1)×105Mpa。

图2-1低碳钢受拉时的应力一应变曲线

图2-1低碳钢受拉时的应力一应变曲线

②屈服阶段

当荷载增大,试件应力超过σ,时,应力与应变不再成比例,开始产生塑性变形这一-阶段称为屈服阶段。在屈服阶段中,外力不增大,而变形继续增加。这时相应的应力称为屈服极限(δ)或屈服强度。钢材受力达到屈服强度后,变形迅速增长,尽管尚未断裂,已不能满足使用要求,故设计中以屈服强度取值的依据。

③强化阶段

当荷载超过屈服点以后,由于试件内部组织结构发生变化,抵抗变形能力又重新提高,故称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度(O)。它是钢材所能承受的最大拉应力。常用低碳钢的抗拉强度为375~500Mpa。

④颈缩阶段

在钢材强化达到C点后,试件薄弱处的断面将显著减小,塑性变形急剧增加,产生颈缩”现象而断裂。将拉断后的试件上、下断裂处对接在一起,测得其断后标距L1,标距的伸长值与原始标志L0的百分比称为伸长率δ。即

2.冲击韧性

冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。钢材抵抗的冲击荷载越大表示钢材抗冲击的能力越强钢材的冲击韧性受钢的化学成份、组织状态、冶炼和轧制质量等的影响。钢材的冲击韧性随温度降低而下降,其规律是开始下降缓慢,当达到某一温度范围时,突然大幅度下降,而呈脆性,这种现象称为冷脆性。

随着时间的延长,钢材的强度逐渐提高,塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效变化过程可达数十年,钢材经受冷加工或使用中受到振动及反复荷载的影响,可加速时效发展。因时效而导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性愈大的钢材,其冲击韧性随时间延长而下降的程度愈显著。为了保证安全,对于承受动荷载的重要结构,应选用时效敏感性小的钢材。对在负温下工作的结构,应按照有关规范要求,进行钢材的冲击韧性检验

3.耐疲劳性

钢材在交变荷载反复作用下,在应力远低于抗拉强度的情况下发生突然破坏,这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限表示,它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下,于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。钢材的疲劳破坏是拉应力引起的。首先在局部开始形成微细裂纹,其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹逐渐扩展直至疲劳断裂。试验表明,钢材承受的交变应力α越大,则断裂时的交变循环次数N越少,相反交变应力α越小,则交变循环次数越多,当交变应力低于某一值时,交变循环达无限次

也不会产生疲劳破坏。对钢材而言,一般将承受交变荷载达107周次时不破坏的最大应力定义为疲劳强度。

4.硬度

钢材硬度是指钢材抵抗硬物压入产生局部变形的能力。常用的测定法有布氏法和洛氏法。布氏法是用一定直径的淬火钢球或碳化钨硬质合金球,在规定荷载F的作用下压入试件表面,并保持一定时间,然后卸去荷载,以压痕表面除荷载FP即得布氏硬度HB。布氏硬度试验方法压痕较大,试验数据准确、稳定,可用于测定软硬不同、厚薄不一的材料的硬度,所以应用十分广泛。洛氏法是在洛氏硬度机上根据测量的压痕深度来计算硬度值。洛氏法操作简单迅速、压痕小,可测较薄材料的硬度,但试验的精确性稍低。

5.冷弯性能

冷弯性能反应钢材在常温下承受弯曲变形的能力,是钢材的重要工艺性能指标。钢材的冷弯性能,常用弯曲的角度α,弯心直径d与试件直径(或厚度)a的比值(d/a)来表示。弯曲角度愈大,d/a愈小,试件的弯曲程度愈高。在钢材的技术标准中,对不同钢材的冷弯指标均有具体规定。钢筋冷弯时的弯曲角度越大,弯心直径越小说明钢筋的冷弯性能越好钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映。伸长率反映的是钢材在均匀变形条件下的塑性变形能力,冷弯性能则是钢材在局部变形条件下的塑性变形能力。冷弯性能可揭示钢材内部结构是否均匀、是否存在内应力和夹杂物等缺陷。

(四)钢材的腐蚀及防止

钢材长期暴露于空气或潮湿环境中将产生锈蚀,尤其是空气中含有侵蚀性成分时腐蚀更为严重。腐蚀不仅使钢结构有效断面减小,浪费大量钢材,而且会形成大小不等的锈坑、锈斑,造成应力集中,在受到冲击荷载、反复交变荷载作用时,可能出现脆性断裂。因此要对钢筋进行保护钢材锈蚀的主要影响因是环境湿度、侵蚀性介质种类和数量、钢材的材质及表面状况等因素。

1.钢材腐蚀的类型

钢材腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类

(1)化学腐蚀

钢材的化学腐蚀是由于大气中的氧和工业废气中的硫酸气体、碳酸气体等与钢材表面作用引起的。化学腐蚀多发生在干燥的空气中,可直接形成锈蚀产物(如疏松的氧化铁等),并无电流产生。化学腐蚀一般进展比较缓慢,先是光泽减退进而颜色发暗,腐蚀逐步加深。但在潮湿环境和温度较高时,腐蚀速度加快。

(2)电化学腐蚀

电化学腐蚀是由于金属表面形成原电池而产生的腐蚀。钢材是铁碳合金,其中,除铁和碳元柰外,还含有很多的杂质元素;就合金组织而言,包括铁素体、渗碳体、珠光体等,这些不同的元素或组织的电极电位不同,如铁的电极电位为-0.44,锰的电极电位为一1.10,铁泰体的电极电位低于渗碳体的电极电位。电极电位越低,越容易失去电子。当钢材处于潮湿空气中时,由于吸附作用,钢材表面将覆盖一层薄的水膜,当水中溶入SO、Cl、灰尘等即成为电解质溶液,这样就在钢材表面形成了无数微小的原电池。如铁素体和渗碳体在电解质溶液中变成了原电池的两极:铁素体活泼,易失去电子,成为阳极;渗碳体成为阴极。铁素体失去的电子通过电解质溶液流向阴极,在阴极附近与溶液中的H+离子结合成为氢气而逸出,O,与电子结合形成的(OH)离子与Fe2+离子结合形成氢氧化铁而锈蚀。

电化学腐蚀是最主要的钢材腐蚀形式。钢材表面污染、粗糙、凹凸不平、应力分布不均、元素或合金组织之间的电极电位差别较大以及提高温度或湿度等均会加速电化学腐蚀。

2.防止腐蚀的措施

钢筋的腐蚀会使结构的承载力下降,因此要防止钢材的腐蚀。从钢材腐蚀原因的分析可以采取以下三方面的措施。

(1)涂敷保护膜

在钢筋的表面涂刷各种防锈涂料(红丹±灰铅油、环氧富锌、醇酸磁漆、氯磺化聚乙烯防腐涂料等)、搪瓷、塑料,喷镀锌、镉、铬、铝等防护层,使金属与周围介质隔离,既不能产生氧化锈蚀反应,也不能形成腐蚀原电池,从而达到防止钢材腐蚀的目的。

(2)电化学防腐

电化学防腐包括阳极保护和阴极保护,适用于不容易或不能涂敷保护膜层的钢结构,如蒸汽锅炉、地下管道、港口工程结构等阳极保护是在钢结构附近安放一些废钢铁或其他难熔金属,如高硅铁、铝、银合金等,外加直流电源(可用太阳能电池),将负极接在被保护的钢结构上,正极接在难熔的金属上。通电后难熔金属成为阳极而被腐蚀,钢结构成为阴极得到保护。阳极保护也称外加电流保护法。

阴极保护是在被保护的钢结构上接一块较钢铁更为活泼(电极电位更低)的金属,例如锌、镁等,使锌、镁成为腐蚀电池的阳极被腐蚀,钢结构成为阴极得到保护。

(3)制成合金钢

在钢中加入能提高防腐能力的合金元素,例如铬、镍、钛、铜等。在低碳钢或合金钢中加入适量铜,可明显提高其防腐蚀能力,在铁合金中加入17%~20%的铬、7%o10%的镍,可制成高镍铬不锈钢在实际工程中,通常是通过严格控制混凝土的保护层厚度,保证在设计年限内碳化深度不到达钢筋表面,防止钢筋锈蚀。为此,应控制混凝土的最大水灰比和最小水泥用量,保证混凝上具有较好的密实度,减缓碳化进程。在混凝土中掺用高效减水剂和阻锈剂等,可以降低用水量,提高密实度,从而有效地阻止钢筋锈蚀。

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