CN110181231A - 一种耐腐蚀钛-钢复合钢筋及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐腐蚀钛‑钢复合钢筋。所述耐腐蚀钛‑钢复合钢筋包括碳钢芯部及包裹于所述碳钢芯部表面的钛覆层，所述碳钢芯部与所述钛覆层冶金结合。本发明提供的耐腐蚀钛‑钢复合钢筋，防腐性能优，尤其是防海洋环境氯离子腐蚀远超不锈钢筋；且力学性能与普通碳钢接近；钢筋采用复合结构，可节约贵重金属资源，降低成本。本发明还提供一种耐腐蚀钛‑钢复合钢筋的制备方法。

Description

一种耐腐蚀钛-钢复合钢筋及其制备方法

技术领域

本发明涉及双金属复合材料技术领域，特别涉及一种耐腐蚀钛-钢复合钢筋及其制备方法。

背景技术

随着我国海洋经济发展及边远海岛的建设需求，在离岸岛礁建设钢筋凝土工程的需求量增大。我国对海洋的开发已进入黄金时期，但严酷的海洋环境使得公认具有强耐久性的混凝土结构也常因耐久性不足而导致过早破坏，严重制约着我国海洋经济的发展。

钢筋是钢筋混凝土的重要原材料，目前钢筋采用碳钢材料生产，钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性失效的主要原因之一。在海洋环境中，氯离子侵蚀是致使钢筋锈蚀的最主要因素。海水海砂中的氯离子与钢筋发生化学反应，引起钢筋顺筋锈蚀膨胀并导致混凝土出现裂缝，降低混凝土结构的耐久性及设计使用寿命。

为了提高沿海地区建筑工程、海岛海防工程的耐腐蚀性能，需采取措施克服碳钢钢筋在海水和需要经常使用融雪盐的环境中氯离子透过混凝土接触钢筋，防止钢筋的腐蚀。现有技术中采用的技术措施主要有：采用涂层钢筋或特种钢筋如不锈钢筋等。

环氧涂层钢筋施工复杂，防腐效果很大程度取决于施工质量控制，限制了其大规模应用。不锈钢钢筋较普通钢筋的耐腐蚀性能提高很多，但不锈钢钢筋屈服强度低且价格昂贵，实际使用中须增加配筋率保证强度，这种方法成本较高。

鉴于此，有必要提供一种新的钢筋结构解决上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种耐腐蚀钛-钢复合钢筋，防腐性能优，且力学性能与普通碳钢接近；钢筋采用复合结构，可节约贵重金属资源，降低成本。

为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种耐腐蚀钛-钢复合钢筋，包括碳钢芯部及包裹于所述碳钢芯部表面的钛覆层，所述碳钢芯部与所述钛覆层冶金结合。

进一步地，所述碳钢芯部的材料选用低碳钢或低合金钢。

进一步地，所述钛覆层的厚度为0.2-1mm。

进一步地，所述钛覆层的材料选用纯钛或钛合金。

进一步地，所述耐腐蚀钛-钢复合钢筋通过将钛管套设于碳钢棒料外，再通过热轧工艺制备形成。

进一步地，所述碳钢棒料的截面形状呈方形或圆形，所述钛管的截面形状对应呈方形或圆形；且所述碳钢棒料截面边长或外径为120-180mm，长度为 3-12m。

本发明还提供一种耐腐蚀钛-钢复合钢筋的制备方法。

一种耐腐蚀钛-钢复合钢筋的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1，提供碳钢棒料，并对其进行表面处理；

步骤S2，提供钛管，并对其内表面进行表面处理；

步骤S3，将碳钢棒料组装到钛管内孔中形成复合钢坯，将复合钢坯进行抽真空处理，并在真空环境下将复合钢坯两端采用钛板焊接密封，使碳钢棒料与钛管之间的缝隙形成密闭的真空环境；

步骤S4，将复合钢坯在弱氧化性气氛下或惰性气体保护下加热至 980-1100℃，加热时间为3-5h；

步骤S5，热轧，获得耐腐蚀钛-钢复合钢筋。

进一步地，步骤S3中，将复合钢坯进行抽真空处理，真空度不低于0.001Pa；

所述复合钢坯中，钛管与碳钢棒料的间隙为0.1-2mm。

进一步地，步骤S4中，弱氧化性气氛的氧气体积含量≤5％。

进一步地，所述耐腐蚀钛-钢复合钢筋包括以碳钢棒料形成的碳钢芯部、以钛管形成的钛覆层，所述钛覆层的厚度为0.2-1mm。

与现有技术相比，本发明提供的耐腐蚀钛-钢复合钢筋及其制备方法，有益效果在于：

本发明提供的耐腐蚀钛-钢复合钢筋及其制备方法，通过在普通钢筋的表面包覆钛覆层，使覆层钢筋具有较优的防腐性能，从而保证钢筋混凝土具有优良的抵抗海洋氯化物侵蚀的性能；且复合钢筋的主材为碳钢，从而使复合钢筋具有与普通钢筋相同的力学性能，可保证钢筋混凝土具有较高的抗压强度、抗拉强度和屈服强度，而不需要额外增加配筋量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的耐腐蚀钛-钢复合钢筋的一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明提供的耐腐蚀钛-钢复合钢筋的另一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明中复合钢坯的结构示意图；

图4是图3所示复合钢坯的一种结构示意图；

图5是图3所示复合钢坯的另一种结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请结合参阅图1和图2，其中图1是本发明提供的耐腐蚀钛-钢复合钢筋的一种实施方式的结构示意图；图2是本发明提供的耐腐蚀钛-钢复合钢筋的另一种实施方式的结构示意图。本发明的耐腐蚀钛-钢复合钢筋100包括碳钢芯部11 及包裹于碳钢芯部11表面的钛覆层12，其中碳钢芯部11与钛覆层12冶金结合。耐腐蚀钛-钢复合钢筋100可以为带肋钢筋(如图1所示)，也可以为光圆钢筋(如图2所示)。

本发明中，碳钢芯部11选用碳钢棒料经表面处理得到，所用碳钢棒料可以为螺纹钢筋或光圆钢筋。碳钢芯部11所用的碳钢棒料材料为低碳钢或低合金钢，如轧制螺纹钢用的HRB400、HRB400E、HRB500、HRB500E等牌号，轧制圆钢用的 HPB300等牌号。

碳钢棒料的长度为3-12m，截面形状为圆形或方形，对应的外径或边长为 120-180mm，具体根据设计要求确定。

本发明中，钛覆层12采用钛材制备形成；优选的，钛覆层12由无缝钛管制备形成；具体为，将钛管套设于碳钢棒料外，再通过热轧工艺形成。热轧工艺后，钛覆层12与碳钢芯部11冶金结合，且形成的钛覆层12厚度为0.2-1mm。无缝钛管的材质可以选用纯钛管或钛合金管，其中纯钛管的牌号如TA1、TA2、 TA3等，钛合金的牌号如TC4、TA7等。

钛覆层12所用钛管的截面形状与碳棒棒料的截面形状一致，与上述所列举的碳钢棒料的截面形状相对应，钛管的截面形状为圆形或方形，其长度与碳钢棒料的长度一致，为3-12m，具体根据设计要求确定。在生产制备过程中，需要将无缝钛管直接套在碳钢芯部表面，两者之间具有一定的间隙，具体的，间隙为0.1-2mm。

本发明还提供一种耐腐蚀钛-钢复合钢筋的制备方法，制备方法包括如下步骤：

步骤S1，提供碳钢棒料21，并对其进行表面处理；

具体的，采用喷丸、酸洗或机械加工中的一种方式将碳钢棒料21表面的氧化皮去除。

步骤S2，提供钛管22，并对其内表面进行表面处理；

具体的，钛管选用无缝钛管，并采用喷丸或酸洗工艺对钛管内表面进行去除氧化皮处理工艺。

步骤S3，将碳钢棒料组装到钛管内孔中形成复合钢坯200，将复合钢坯200 进行抽真空处理，并在真空环境下将复合钢坯两端采用钛板23焊接密封，使碳钢棒料与钛管之间的缝隙形成密闭的真空环境；

具体的，复合钢坯中，碳钢棒料与钛管形成的间隙为0.1-2mm；抽真空处理阶段，将复合钢坯放入真空室内抽真空，真空度不低于0.001Pa；将复合钢坯两端进行焊接密封时，分别在端部铺设一块钛板，并将钛板23与钛管22进行焊接，使钛管22与钛板23之间不留间隙，从而使碳钢棒料与钛管的缝隙形成密闭的真空环境。具体结构请结合参阅图3至图5，其中图3是本发明中复合钢坯的结构示意图；图4是图3所示复合钢坯的一种结构示意图；图5是图3所示复合钢坯的另一种结构示意图；其中图4所示的复合钢坯为复合圆坯，图5所示的复合钢坯为复合方坯。

步骤S4，将复合钢坯200在弱氧化性气氛下或惰性气体保护下加热至 980-1100℃，加热时间为3-5h；

通过具体的加热温度和加热时间，可保证复合钢坯内外温度均匀，从而使结合界面处晶相均匀。

其中，当处于弱氧化性气氛时，弱氧化性气氛的氧气体积含量≤5％。

步骤S5，热轧，获得耐腐蚀钛-钢复合钢筋。

具体的，采用现有的热轧工艺对加热后的复合钢坯进行热轧，具体工艺步骤在此不做赘述。

本实施例中，根据复合钢坯200的芯部和覆层材料，热轧工艺的开轧温度控制为950-1050℃；终轧温度控制为850-950℃。

通过热轧工艺获得的耐腐蚀钛-钢复合钢筋包括以碳钢棒料形成的碳钢芯部、以钛管形成的钛覆层，其中钛覆层的厚度为0.2-1mm。

以下通过具体的实施方式，对本发明提供的耐腐蚀-钢复合钢筋及其制备方法进行详细阐述。

实施例1

本实施例采用纯钛管和HRB400圆坯料复合，最终轧制成直径为Φ25mm的双金属螺纹钢筋。请结合参阅图3和图4，所选碳钢棒料21和形成钛覆层的钛管 22均为圆形结构。

本实施例中，钛管采用纯钛，其具体尺寸为Φ150mm×5mm×6米(外径×壁厚×长度)；芯部的碳钢棒料21采用生产HRB400螺纹钢所用的坯料，其具体尺寸为Φ139mm×6米(外径×长度)，且碳钢棒料21和钛管22坯料之间的间隙为 0.5mm/边。

材料表面处理：首先将钛管坯料去除内表面的飞边毛刺，然后进行酸洗处理，最后再用丙酮清洗处理；将芯部的碳钢棒料进行车削加工去除表面的氧化皮，保证钢芯坯料为尺寸Φ139mm×6米，然后用丙酮清洗干净。

将碳钢棒料装入钛管内，形成钛-钢双金属复合钢坯200。

将组装好的复合钢坯200置于真空室后抽真空，保证真空度为0.0001Pa；分别在端部铺设一块钛板23，然后在真空环境下，将钛板23与钛管进行焊接，使钛管22与钛板23之间不留间隙，从而使碳钢棒料21与钛管22的缝隙形成密闭的真空环境。

将复合钢坯200放置于加热炉中在弱氧环境中加热，弱氧化性气氛的氧气体积含量为≤5％，加热时间4小时，出炉温度控制在1060℃。

热轧，轧制成直径为Φ25mm的耐腐蚀钛-钢复合钢筋，其中钛覆层的厚度为0.83mm。其中，开轧温度控制为980℃，终轧温度控制为850℃。

实施例2

本实施例制备与实施例1相同型号的复合钢筋。制备工艺基本相同，不同点在于：

复合钢坯在惰性气体保护下进行加热；且加热温度控制为980℃。

实施例3

本实施例制备与实施例1相同型号的复合钢筋。制备工艺基本相同，不同点在于：

复合钢坯在加热炉中的加热温度控制为1100℃。

本发明提供的耐腐蚀钛-钢复合钢筋，由于覆层材料为钛材，因此具有较优的防腐性能；且钛材的抗氧化性能优于奥氏体不锈钢，在湿氯气中的耐腐蚀性能也远超其他金属。因此，本发明提供的耐腐蚀钛-钢复合钢筋，对于提高建筑工程质量、延长使用寿命具有重要意义。

本发明提供的耐腐蚀钛-钢复合钢筋具有较优的力学性能，可通过拉伸试验和冷弯试验进行说明。复合钢筋的力学性能测试结果如下表：

复合钢筋力学性能测试结果

其中，R_El表示下屈服强度，R_m表示抗拉强度，A表示断后伸长率。

本发明提供的耐腐蚀钛-钢复合钢筋，其拉伸试验断口处均未出现脱层、结合不良等现象，说明二者为冶金结合，且结合性能优。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐腐蚀钛-钢复合钢筋，其特征在于，包括碳钢芯部及包裹于所述碳钢芯部表面的钛覆层，所述碳钢芯部与所述钛覆层冶金结合。

2.根据权利要求1所述的耐腐蚀钛-钢复合钢筋，其特征在于，所述碳钢芯部的材料选用低碳钢或低合金钢。

3.根据权利要求1所述的耐腐蚀钛-钢复合钢筋，其特征在于，所述钛覆层的厚度为0.2-1mm。

4.根据权利要求3所述的耐腐蚀钛-钢复合钢筋，其特征在于，所述钛覆层的材料选用纯钛或钛合金。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的耐腐蚀钛-钢复合钢筋，其特征在于，所述耐腐蚀钛-钢复合钢筋通过将钛管套设于碳钢棒料外，再通过热轧工艺制备形成。

6.根据权利要求5所述的耐腐蚀钛-钢复合钢筋，其特征在于，所述碳钢棒料的截面形状呈方形或圆形，所述钛管的截面形状对应呈方形或圆形；且所述碳钢棒料截面边长或外径为120-180mm，长度为3-12m。

7.一种耐腐蚀钛-钢复合钢筋的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，提供碳钢棒料，并对其进行表面处理；

步骤S2，提供钛管，并对其内表面进行表面处理；

步骤S3，将碳钢棒料组装到钛管内孔中形成复合钢坯，将复合钢坯进行抽真空处理，并在真空环境下将复合钢坯两端采用钛板焊接密封，使碳钢棒料与钛管之间的缝隙形成密闭的真空环境；

步骤S4，将复合钢坯在弱氧化性气氛下或惰性气体保护下加热至980-1100℃，加热时间为3-5h；

步骤S5，热轧，获得耐腐蚀钛-钢复合钢筋。

8.根据权利要求7所述的耐腐蚀钛-钢复合钢筋的制备方法，其特征在于，步骤S3中，将复合钢坯进行抽真空处理，真空度不低于0.001Pa；

所述复合钢坯中，钛管与碳钢棒料的间隙为0.1-2mm。

9.根据权利要求7所述的耐腐蚀钛-钢复合钢筋的制备方法，其特征在于，步骤S4中，弱氧化性气氛的氧气体积含量≤5％。

10.根据权利要求7所述的耐腐蚀钛-钢复合钢筋的制备方法，其特征在于，所述耐腐蚀钛-钢复合钢筋包括以碳钢棒料形成的碳钢芯部、以钛管形成的钛覆层，所述钛覆层的厚度为0.2-1mm。