本文结合国内外企业的生产实践和学者们的诸多研究，说明了开发耐腐蚀复合钢筋的必要性；重点介绍了五种不锈钢/碳钢复合钢筋的工艺实现过程；指出了各种工艺的优缺点和存在的问题；分析了各种工艺应用到工业生产中的可能性和前景。旨在抛砖引玉，为相关技术研究及产品开发提供可以借鉴的途径和方法。

   1引言

   钢筋结构的腐蚀问题是一个令业界困扰的难题，如何进行钢筋结构的腐蚀防护也成为人们关注的一个重点问题。为此，我国相关部门早在2004年5月就提出：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。这是我国对不锈钢钢筋应用的首次许可，也是有效提高结构使用年限的重大战略举措，但是使用全不锈钢钢筋会使工程建筑费用大大增加。为了增强钢筋的耐腐蚀性，同时降低成本，各种耐腐蚀复合钢筋的研发成为一项必要的工作，特别是不锈钢/碳钢复合钢筋，由于其高的防腐性能和性价比优势而受到广泛的关注。本文将重点介绍不锈钢/碳钢复合钢筋。

   早在1982年国外就提出了复合棒材的概念，开始有企业和学者对不锈钢复合钢筋进行研究和生产，直到20世纪末，国外才有企业突破了不锈钢/碳钢复合钢筋在技术和成本方面的瓶颈，其生产的各种产品开始推广并应用到海港建筑、滨海电站建筑、海岸堤坝建筑、海洋隧道、桥梁建筑和海上油气田陆地终端等领域，形成一系列比较成熟的产品，具有了很好的应用前景。与国外不同，我国至今鲜有企业对锈钢/碳钢复合钢筋进行生产，一方面是因为不锈钢复合钢筋一直存在着复合率、工序成本等方面的技术难题，限制了该项产品的推广和研发进度；另一方面，国内对于钢筋防腐蚀还是习惯性地采用比较传统的钢筋阻锈剂、阴极保护、环氧涂层钢筋、镀锌钢筋和全不锈钢钢筋等方法，而忽视了这些方法在应用中存在的局限性和弊端。

   2不锈钢/碳钢复合钢筋的性能研究

   不锈钢/碳钢复合钢筋是一种芯部为普通碳素钢、外部覆层为不锈钢，利用加工工艺使两部分金属达到冶金结合的一种性能优越的钢筋。图1为其外观示意图。不锈钢/碳钢

   复合钢筋因为外部覆层使用不锈钢材料，可以有效地抵抗外部环境的腐蚀，芯部则采用合适的碳素结构钢，能满足工程上的力学性能要求。与普通钢筋相比，不锈钢/碳钢复合钢筋的抗腐蚀能力得到了巨大的提升；与全不锈钢钢筋相比，不锈钢/碳钢复合钢筋又有绝对的性价比优势。

   不锈钢/碳钢复合钢筋的力学性能基本由芯部碳钢决定，其热传导系数和磁性等物理性能与普通钢筋相似，拉拔试验中也显示出了明显的固态加工特点，即和一些碳纤维合成材料类似，芯部断裂面呈现出木纹状断口，径缩产生的三维应力使不锈钢和碳钢结合区局部在芯部断裂之前已出现部分或全部断裂现象，同时其高径缩比显示了其韧性较好。

   在防腐蚀性能研究方面，20个世纪末，拉希达扎法等人经过长时间的研究和对比试验，分别将使用普通碳钢、镀锌、环氧树脂涂层以及不锈钢复合钢筋的混凝土试样暴露在热侵蚀环境中7年，同时将混凝土中水泥氯化物的含量分别设计成0.6%、1.2%、4.8%三个级别，得到如下实验结果：

   1）普通碳钢和镀锌钢筋在三个氯化物含量级别中都可以观察到严重的锈蚀破坏现象，镀锌钢筋只是起到了延迟腐蚀的作用；

   2）环氧树脂涂层钢筋在0.6%和1.2%两个级别中表现出色，但在4.8%级别中出现了严重腐蚀现象，混凝土呈现出破坏性裂缝；

   3）不锈钢/碳钢复合钢筋表现出色，具备较好的持久抗蚀效果，在三个级别的试验中均没有出现腐蚀痕迹。

   通过上述对比实验，得出以下结论：在钢筋混凝土结构中采用不锈钢/碳钢复合钢筋的抗腐蚀性能是最好的。不锈钢/碳钢复合钢筋具有优异的抗腐蚀性能，并且完全满足工程中的需要，其成本相对实心不锈钢钢筋要低廉很多，能够取代在工程中所使用的实心不锈钢钢筋等其他防腐蚀钢筋。在此基础上，国内外一些公司和学者对不锈钢/碳钢复合钢筋进行了研究开发和生产。下面将重点介绍不锈钢/碳钢复合钢筋的复合技术。

   3不锈钢/碳钢复合钢筋的复合技术

   3.1喷射沉积 轧制复合

   美国SMI-TEXAS公司开发出了采用喷射沉积工艺生产不锈钢/碳钢复合钢筋的方法。首先，将经过表面处理的碳钢棒材坯料加热到1100℃，同时，在还原炉中将不锈钢加热至熔化，然后用氮气把熔化的不锈钢液喷雾沉积到加热的碳钢棒材表面，经多道次热轧最终成形。用这种方法生产复合钢筋需要使用高温还原炉熔化不锈钢，并且需要用到专用的喷涂设备。这种方法制得的不锈钢/碳钢复合钢筋的质量和均匀性较好，结合强度高。存在的问题是能耗高，致使成本较高，而且相对来说效率较低，降低了其竞争力。

   3.2中间层液相扩散复合

   大连交通大学刘世程、陈汝淑等利用铜箔做中间层，通过瞬间液相扩散复合法将碳钢、不锈钢进行复合，研究结果证实碳钢与不锈钢可以实现良好的冶金结合。在瞬间液相扩散复合过程中，碳钢、液相黄铜、不锈钢界面上的原子间发生相互扩散，在促进不锈钢、碳钢间冶金结合的同时，引起界面附近一系列成分、组织、性能变化。实验中用此方法生产的不锈钢/碳钢复合钢筋能达到良好的抗剪强度，但这种方法能否应用于不锈钢/碳钢复合钢筋的大规模实际生产还有待进一步研究。

   3.3拉拔 旋转减径机轧制复合

   日本黑川宣幸、中筋和行等采用旋转减径机轧制出不锈钢复合钢筋。他们将经表面处理的碳钢钢筋穿入到内表面经处理的不锈钢管中，拉拔使之紧配合，经高频加热，进入旋转减径机轧制成型。这种方法轧制的覆层钢筋的不锈钢壁厚均匀，产品质量好，界面能达到冶金结合，结合强度高。这种方法需要在现有的钢筋生产线上增加一道拉拔的工序及配套的设备。存在的问题是这种轧机限制了轧制速度，使其并不适应现代高速连续轧制的发展要求。随着配套轧制技术的改进，轧制速度的提高，这种方法也将可能应用于大规模的工业化生产。

   3.4废铁屑、不锈钢的压缩结合 轧制复合

   20世纪末开始，美国STELAX公司就开始采用压缩 热轧复合的方法生产NUOVINOX不锈钢外部覆层钢筋，获得了良好的效果，同时期的英国阿巴尼斯钢铁公司也已经开始采用类似的方法生产不锈钢覆层钢筋。NUOVINOX不锈钢覆层钢筋成品如图2所示。NUOVINOX不锈钢外部覆层钢筋的碳钢内芯是由抗拉强度较高的废钢余料通过固态熔合技术，在全自动连续废钢处理设备上转换而成；不锈钢管是由不锈钢卷通过焊管机焊接而成。将处理后的碳钢与不锈钢钢管在600吨全自动产品压力机上压合，利用现有的热轧小型材生产工艺过程，通过加热-轧制-剪切等工序，将上述复合坯料轧制成不锈钢/碳钢复合钢筋，实现不锈钢和内部碳钢的冶金结合。其产品出厂前一般要进行外观及端部处理，表面进行酸洗除鳞，端部则一般采取不锈钢焊接、不锈钢端帽或塑料端帽等方式进行保护。

   NUOVINOX不锈钢外部覆层钢筋具有很好的耐腐蚀性能以及较高的抗拉强度，其屈服强度和延伸率基本符合美国目前执行的ASTM A615、ASTM A955及AASHTO标准，这些标准在进一步完善和修改后将得到进一步的推广和应用。而我国由于对复合钢筋的研究使用较晚，现在还没有出台一套正式的标准，希望随着复合钢筋应用领域的不断扩展，我国能尽早出台相关的标准以规范复合钢筋的生产。

   在生产成本方面，如果以同类型普通碳钢钢筋成本为基数1，通过对各钢种市场价格的计算对比，不锈钢/碳钢复合钢筋与全不锈钢钢筋的相对成本之比为2.7/5.5=0.49，即不锈钢/碳钢复合钢筋的成本大约相当于全不锈钢钢筋的1/2左右。可见同样性能及使用要求条件下，不锈钢/碳钢复合钢筋的成本竞争优势非常明显，并且其固态碳钢内芯的生产过程中大量使用了各类废钢余料，使该产品符合当前绿色工艺制造和循环经济理念。

   此种工艺生产中可能存在如下的问题：由于要经过多道次孔型轧制过程，会产生侧向拉应力，在拉应力的作用下容易导致碳钢和不锈钢界面结合强度降低，在使用中易出现腐蚀的缺陷；由于采用孔型轧制，如果孔型设计不合理易产生不锈钢壁厚不均匀，影响不锈钢外部覆层复合钢筋的使用性；同时这种方法用到的是碳钢铁屑，这类废钢主要产生于汽车、造船等行业的车削料或边角料，其市场存量、价格及成分稳定性等还需进一步分析；另外，此类产品在弯曲、焊接性能方面能否满足工程需要，还有待在实践中进一步研究和证实。其中侧向拉应力作用导致的结合强度降低、壁厚不均匀等缺陷在其他不锈钢/碳钢复合钢筋生产方法中也同样存在。

   3.5焊接 轧制复合

   北京科技大学冶金工程研究院的科研人员开展了耐腐蚀复合螺纹钢筋的研究，他们采用焊接 轧制的工艺方法进行复合钢筋轧制实验，并同时应用有限元软件对复合轧制进行模拟研究。实验首先拟采用焊接的方法使碳钢芯棒与不锈钢覆层形成简单的物理结合，再经过多道次的无孔型轧制和孔型轧制形成冶金结合，最终得到成品。

   焊接作为一步主要的工艺步骤运用到复合钢筋的生产中还是不曾有过的，主要原因是普通焊接速度慢、轧制过程中焊接区不稳定容易开裂等实际问题，这就对焊接速度和质量提出了很高的要求。随着快速、高质量的机器自动焊接等方法的出现，就可以解决焊接过程速度慢、质量难以控制的问题。至于具体哪种焊接方法和设备运用到现有的钢筋生产线上生产不锈钢/碳钢复合钢筋是最合理的，这是一个待研究解决的问题。将焊接法应用到不锈钢/碳钢复合钢筋的研究生产中，是研究不锈钢/碳钢复合钢筋复合技术的一种创新。采用这种复合方法并对工艺过程进行细致的探究，是对不锈钢/碳钢复合钢筋复合理论的一项有益的研究补充。开发出这种新型的工艺方法将会对不锈

   钢/碳钢复合钢筋的工业化生产起到重要的积极推动作用。只有成功地解决上述问题，才有可能将焊接 轧制法成功应用于不锈钢/碳钢复合钢筋的生产中。

   在追求资源最小消耗，效益最大获取的今天，耐腐蚀复合钢筋的生产所迫切需求的是找到一种能使生产效益最大化的方法。就现在来看，废铁屑、不锈钢的压缩结合 轧制复合生产复合钢筋的方法不仅在国外一些钢铁公司有了一定的研究和生产实践，工艺技术相对较成熟，而且在成本的控制上也有很大的优势，在现有的钢筋生产线上添加一套废钢处理设备、全自动压力机和配套设备即可实现，相对来说是一种比较合理较易实现的生产工艺；拉拔 轧制的方法，如能解决其生产速度慢的问题也将成为一种可以实际应用的方法；焊接 轧制的生产方法，随着焊接技术的发展，将会有较好的应用前景；喷射沉积 轧制复合法由于成本高、效率较低，并不适合大规模的工业化生产；中间液相扩散复合法目前能否进行大规模的工业生产还有待进一步研究。

   4结语

   1）不锈钢/碳钢复合钢筋由于其耐腐蚀性能和性价比方面的优势，具备了取代其他耐腐蚀产品的能力，特别是在对耐腐蚀性能要求较高的环境条件下，有很大的应用前景。

   2）介绍了不锈钢/碳钢复合钢筋的五种生产工艺，说明了各种工艺的优缺点和存在的问题，并指出在现阶段废铁屑、不锈钢的压缩结合 轧制的生产工艺是生产耐腐蚀复合钢筋一种较成熟的方法，拉拔 轧制复合和焊接 轧制复合两种方法也具有较好的应用前景。

   3）耐腐蚀复合钢筋的大规模工业生产，需要对各种工艺方法进行更加深入的研究，开发配套设备，并制定产品生产标准规范。

   （吴伟 程知松）