碳钢与不锈钢钢筋在混凝土中的高温粘结性能：功能、经济与环境视角的材料层面试验研究

《Heliyon》：High-temperature bond performance of carbon and stainless steel reinforcement in concrete: A material-level experimental study with functional, economic and environmental approaches

　　

钢筋混凝土结构的结构完整性在极端条件下高度取决于钢筋与混凝土之间的粘结（adherence）。本研究在高温（200 °C和400 °C）及不同冷却方式（快速水冷和缓慢空冷）下，研究了两种钢材——奥氏体不锈钢（EN 1.4301）和碳钢（B500SD）的性能。为此，对特征强度等级C30和C50混凝土进行了压缩试验和间接拉伸试验，评估了受热和冷却对其力学性能的影响。试验结果表明，随着温度升高，混凝土强度能力显著损失，快速冷却情况下压缩强度损失高达70%，拉伸强度损失达50%。在粘结试验中，不锈钢比碳钢表现出更好的综合性能，C30混凝土中粘结强度为5.93 MPa，C50混凝土中为6.88 MPa。然而，其较高的单位成本和碳足迹限制了其相对于碳钢的竞争力，尤其是在常规结构中。尽管如此，只要优化其生产工艺，不锈钢在存在高温风险环境中的结构应用仍有机会。本研究增进了对极端条件下钢筋行为的认识，并为优化结构设计提供了重要数据，同时对材料选择进行了可持续性批判性分析。

钢筋混凝土结构的服役性能与钢筋和混凝土之间的粘结（adherence）密切相关。火灾是混凝土结构在服役期内可能面对的最严重灾害之一，高温会导致混凝土内部发生脱水、水泥浆体分解等物理化学变化，进而造成力学性能退化，并使钢筋-混凝土界面粘结削弱。现有研究多关注普通碳钢钢筋的高温粘结行为，对不锈钢钢筋在高温下的粘结性能及其综合可持续性研究不足，也缺乏将功能、经济与环境因素联合评估的框架。为此，研究人员设计了一项材料层面试验，系统研究碳钢（B500SD）和奥氏体不锈钢（EN 1.4301）在200 °C和400 °C高温下，经快速水冷和缓慢空冷后的粘结性能，并结合混凝土力学试验、成本分析和碳足迹评估，为高温风险环境下钢筋选材提供依据。该研究填补了联合评估高温下钢筋粘结行为与可持续性的空白，具有明确工程应用价值。

研究人员开展了以下研究：制备C30与C50两种强度等级混凝土（水泥由Holcim公司提供），通过压缩试验（依据EN 12390-3）和间接拉伸试验（依据EN 12390-6）评估受热后混凝土基体力学性能；依据RILEM RC6标准开展拉拔试验（pull-out test），试件为100 mm立方体，内置直径12 mm钢筋，埋深60 mm，加热至目标温度后以水冷或空冷方式冷却；采用IBM SPSS v29.0进行方差分析（ANOVA）、t检验及Bonferroni校正；结合Arquímedes-CYPE?数据库成本数据和“从摇篮到大门”（cradle-to-gate）碳足迹评估方法，量化经济与环境影响。原材料来自西班牙Holcim和BASF，情景设定在马德里。

### 3.1 Results for concrete（混凝土试验结果）

通过压缩和间接拉伸试验发现，两种混凝土（C30、C50）的强度均随温度升高而显著降低，且快速水冷比缓慢空冷损伤更大。C30-400-F组合的压缩强度下降71.7%，C50-400-F下降64.9%；间接拉伸强度在400-F组合下降至最低，C30为2.66 MPa，C50为3.87 MPa，相比常温损失约50%。统计检验表明，温度和冷却是影响混凝土强度的显著因素（p<0.05），且对于C50压缩强度，二者存在交互效应。

### 3.2 Pull Out test（拉拔试验）

拉拔试验结果显示，高强混凝土（C50）的粘结应力高于普通混凝土（C30），说明提高混凝土强度有助于维持高温后的粘结性能。快速冷却显著削弱钢筋与混凝土之间的粘结，400-F组合下粘结强度损失超过40%。在同一条件下，奥氏体不锈钢（EN 1.4301）的粘结应力优于碳钢（B500SD），在C30混凝土中为5.93 MPa，C50混凝土中为6.88 MPa。方差分析表明，温度、冷却方式和钢种单独作用均显著（p<0.05），但无显著交互效应。

### 3.3 Economic and environmental performance（经济与环境性能）

以25×25 cm2标准梁为对象进行成本分析，不锈钢钢筋混凝土每立方米造价较碳钢方案高出约70%，形成成本领先与产品差异化的不同竞争策略。碳足迹评估（cradle-to-gate）显示，不锈钢方案每立方米混凝土产生的CO₂当量排放比碳钢方案高约50%，原材料提取和生产过程是排放主要来源。优化不锈钢生产工艺、增加再生材料用量是提升其环境竞争力的关键。

讨论部分指出，快速冷却对混凝土内部造成显著热冲击，加剧微裂缝发展；高强混凝土因致密基体能更好地抵抗这一不利影响。不锈钢在高温下拉拔性能优于碳钢，可能与其奥氏体组织在高温下保持力学性能有关。尽管不锈钢单位成本和环境排放更高，但在火灾风险较高或要求长寿命的结构中，其较低的维护需求和更长的使用寿命可能带来全生命周期效益。因此，工程师应根据具体暴露场景和全生命周期成本进行材料选择。

研究结论翻译如下：本工作研究了混凝土中碳钢和不锈钢钢筋在高温（200 °C和400 °C）和不同冷却过程（水中浸冷（快速）和空气中自然冷却（缓慢））下的粘结性能，并研究了这些温度对两种混凝土（C30和C50）力学性能的影响，通过成本分析和碳足迹研究完善了讨论。主要结论如下：快速冷却过程对混凝土试件影响更为严重，显著降低抗压强度，C30和C50在400 °C下抗压强度均降低60%以上，控制冷却过程以避免热冲击至关重要。裂纹合并非间接拉伸强度有显著影响，温度升高和冷却过程导致混凝土逐渐弱化，400-F组合产生最低强度记录（C30为2.66 MPa，C50为3.87 MPa），两种极端条件组合产生负面协同效应。粘结强度与混凝土强度正相关，C50混凝土粘结更高；高温和快速冷却（400-F）使粘结强度降低超过40%；奥氏体不锈钢在高温下拉拔试验中表现出更好性能，从功能角度构成可行替代方案。成本分析显示不锈钢执行成本差异约70%，B500SD钢凭借规模生产采取成本领先战略，EN 1.4301钢需采取产品差异化战略，利用质量和耐久性优势证明较高单价合理性。不锈钢配筋混凝土在摇篮到大门分析中CO₂当量排放比碳钢方案高约50%，需改进不锈钢制造方法以提高竞争力和环境友好性；但EN 1.4301钢在使用阶段具有更低全生命周期成本和排放。研究表明，在火灾后评估中应假设缓慢冷却场景，在高火灾风险结构中使用高强混凝土和奥氏体不锈钢钢筋可能是合理的。