耐候鋼的特點(diǎn)及在建筑物中的應(yīng)用

王 志 坤

(大同市重點(diǎn)工程建設(shè)辦公室，山西 大同 037000)

1 耐候鋼的構(gòu)造及性能

耐侯鋼的概念在20世紀(jì)80年代由日本提出，又叫考頓鋼，學(xué)名耐大氣腐蝕鋼，是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼，由普碳鋼添加一定量的銅，以及磷、鉻、鎳、鈦、釩等耐腐蝕元素制成。它既具有普通鋼材的易延展、高強(qiáng)度、抗疲勞等特性，同時在抗腐蝕能力方面又能達(dá)到普通碳素鋼的2倍～8倍。暴露在自然環(huán)境中，經(jīng)與空氣、雨水等作用，鋼材表面會自動形成抗腐蝕的保護(hù)層，無需涂漆保護(hù)，材料的壽命在80年以上。

由于其優(yōu)秀的性能，耐候鋼的價(jià)格不菲。性能相近的耐候鋼與普通鋼材相比，耐候鋼的價(jià)格要高出60%左右。只有集裝箱、鐵道車輛、石油井架、鉆井平臺這些使用環(huán)境惡劣、對鋼材抗腐蝕性能要求高的結(jié)構(gòu)物才會使用耐候鋼。而對于普通建筑使用的鋼筋混凝土，由于混凝土中埋藏的鋼筋極少與氧氣、水接觸，故使用較少。

耐候鋼一般在表面有一層透明無色亞光的封固保護(hù)，并保證封固層不改變銹鋼板自身顏色和質(zhì)感，封固漆與耐候密封膠能夠相容。

封固應(yīng)滿足下列理化指標(biāo)：

1)耐水性，24 h不起泡不脫落(GB/T 1733—1993)。

2)耐鹽霧，96 h外觀無明顯變化(GB/T 1771—2007)。

3)耐濕熱，24 h不起泡不脫落(GB/T 1740—2007)。

4)耐磨性，(750 g/500 r),g≤0.03g(GB/T 1768—2006)。

5)耐酸性(10%鹽酸，15分鐘點(diǎn)滴)表面無明顯變化(GB/T 9274—1988)。

6)耐堿性(5%碳酸鈉，48 h)表面無明顯變化(GB/T 9274—1988)。

7)附著力(2 mm劃格，級)≤1級(GB/T 9286—1998)。

8)封固后表面總膜厚應(yīng)超過100 μm(電磁感應(yīng)測厚儀測量)。

2 耐候鋼抗腐蝕原理

純鐵并不容易銹蝕，但普通的鋼鐵中，通常含有銅、碳等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的活性比鐵低，在含水的空氣中與鐵形成原電池(即通過氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電流的一種裝置)，將氧化與還原反應(yīng)分開，為鋼鐵腐蝕的快速形成客觀上提供條件。鋼鐵腐蝕產(chǎn)生的鐵銹是疏松多孔的結(jié)構(gòu)，其中還有許多微裂紋將孔隙互相聯(lián)通。這樣，鐵銹就像海綿一樣，可以繼續(xù)吸收空氣中的水分，讓鋼鐵進(jìn)一步銹蝕，直至完全銹穿。

耐候鋼與普通鋼鐵不同，在最開始，它也會像普通鋼鐵一樣在表面發(fā)生銹蝕。由于其合金程度較高，這一過程甚至比普通鋼鐵更快。但是由于耐候鋼內(nèi)部的晶格更加復(fù)雜，在表面的疏松鐵銹下，還會生長出一層暗黑色的致密銹層。這一銹層由納米顆粒的α-FeOOH組成。在這一致密銹層中，鎳原子取代了部分鐵原子的位置，使得銹層具有了陽離子選擇性，抑制了具有腐蝕性的陰離子透過。

正是這層致密的銹層，使得耐候鋼雖然表面銹了，但內(nèi)部不會被繼續(xù)銹蝕。其實(shí)只要仔細(xì)分辨，就可以看出，耐候鋼的表面與普通鐵銹并不相同：耐候鋼的銹是均勻致密的，緊貼著鋼材的表面保護(hù)著鋼材；而鐵銹則斑斑駁駁，疏松多孔，一碰就會掉渣。這樣的鐵銹非但保護(hù)不了鋼鐵，反而會把水和氧氣吸到鋼鐵表面來。

3 耐候鋼在中國的發(fā)展歷史

早在1900年，美國人就已經(jīng)開始了含銅鋼的早期研究與開發(fā)，這就是耐候鋼的前身。但在20世紀(jì)上半葉，人類科技水平有限，對材料微觀的研究難以深入，耐候鋼抗腐蝕背后的機(jī)理并不清楚，這極大地限制了耐候鋼的研究與應(yīng)用。加之那時人類的總建設(shè)量與如今相差甚遠(yuǎn)，因此耐候鋼的研究進(jìn)展一直比較緩慢。

在中國，直到1960年，含銅耐候鋼研究才在武鋼起步。

可是時至今日，由于中國的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，帶動全世界的工程建設(shè)量一并指數(shù)增長。海洋石油平臺、海港建筑開始變得隨處可見，世界對耐候鋼的需求越來越緊迫。加之如今的空氣污染越發(fā)嚴(yán)重，金屬結(jié)構(gòu)都難免要面臨酸雨的洗禮。但凡是金屬，從投入使用就自然地開始腐蝕。隨著保有量越來越大，金屬的腐蝕開始給國民經(jīng)濟(jì)造成重大損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年由于鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失，占國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的2%～4%，目前，每年因結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)萬億美元。

耐候鋼的研發(fā)與推廣，可以提高結(jié)構(gòu)的耐久性，大幅度縮減腐蝕帶來的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了適應(yīng)中國爆炸式發(fā)展的基建，打破外國壟斷并爭取更廣闊的海外市場，研究者們將目光轉(zhuǎn)向低成本、高強(qiáng)度、耐腐蝕性能更高的新型高性能耐候鋼的開發(fā)，并取得了卓越成果。中國開發(fā)的耐候鋼不含鎳和鉻，而是以添加銅和磷為主，并摻入一定量中國富有的釩、鈦、鈮、錸等金屬元素，在大幅提高質(zhì)量的同時，將成本降低了一大半。如今，中國已經(jīng)是耐候鋼生產(chǎn)和出口大國，尤其是在橋梁建設(shè)領(lǐng)域，中國的耐候鋼既可以滿足大跨度橋梁用鋼所必須的高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、低溫韌性、可焊性以及厚板均一性，同時又兼具耐腐蝕性能，在各類污染環(huán)境下應(yīng)對自如。既可以選擇涂漆、表面穩(wěn)定化處理，也可以干脆不管，直接裸露使用。與耐候鋼材配套的還有耐候焊接材料以及耐候高強(qiáng)度螺栓，它們背后還有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

4 耐候鋼的技術(shù)規(guī)范及要求

4.1 銹蝕鋼板

1)銹蝕鋼板板塊應(yīng)滿足熱脹冷縮的要求。

2)在進(jìn)行銹蝕鋼板板塊設(shè)計(jì)和制作時應(yīng)按相應(yīng)規(guī)格尺寸采用合適的板后加強(qiáng)肋布置，以保證銹蝕鋼板的強(qiáng)度、剛度和平整度。

3)銹蝕鋼板應(yīng)能承受使用中的荷載和施工荷載。

4)銹蝕鋼板制作、銹蝕、封固等工序應(yīng)在質(zhì)量可控的車間內(nèi)完成。在弧形板和矩形板外表面均不可有任何焊接痕跡。

5)銹蝕鋼板背部采用任何焊接及連接時不得影響外露表面的觀感。

6)銹蝕鋼板涉及到的焊接均要求在質(zhì)量可控的車間內(nèi)完成，外露的焊縫在焊接完成后均須打磨，保證達(dá)到建筑師要求的外觀效果。

4.2 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

1)GB/T 4171—2008耐候結(jié)構(gòu)鋼；

2)GB 50205—2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范;

3)GB/T 21086—2007建筑幕墻;

4)JGJ 133—2001金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范;

5)GB/T 1733—1993漆膜耐水性測定法;

6)GB/T 1771—2007色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定;

7)GB/T 1740—2007漆膜耐濕熱測定法;

8)GB/T 1768—2006色漆和清漆耐磨性的測定;

9)GB/T 9274—1988色漆和清漆耐液體介質(zhì)的測定;

10)GB/T 9286—1998色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)。

4.3 質(zhì)量要求

1)銹蝕鋼板基層材料應(yīng)采用不小于4 mm厚高耐候鋼板(GB/T 4171—2008)。

2)銹層表面必須有透明無色亞光的封固保護(hù)，并保證封固層不改變銹鋼板自身顏色和質(zhì)感。封固漆應(yīng)與耐候密封膠能夠相容。

3)銹蝕鋼板表面應(yīng)生成銹層，整個生產(chǎn)過程需在質(zhì)量可控的工廠條件下進(jìn)行。

4)銹蝕鋼板要進(jìn)行6面防護(hù)，鋼板外露防銹漆耐久性應(yīng)超過15年，背側(cè)防銹漆耐久性應(yīng)超過10年。

5)所用的材料必須保證為全新及沒有缺陷的一級品或優(yōu)等品。

6)所有異型尺寸的產(chǎn)品由幕墻施工單位根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況提供加工圖，并依據(jù)加工圖生產(chǎn)。

7)加工后鋼板表面尺寸允許偏差：制成品的尺寸偏差須滿足。a.GB 50205—2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范；b.JGJ 133—2001金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范；c.GB/T 21086—2007建筑幕墻。

8)成品表面外觀要求：a.成品表面銹層應(yīng)為自然銹蝕,銹蝕肌理自然清晰；b.封固必須無色透明，視覺上不應(yīng)產(chǎn)生涂裝感。

4.4 其他性能

1)EN 10025—5規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2)與CorTen Grade A相當(dāng)?shù)男阅芘c特點(diǎn)。

3)焊接與連接：a.需要專用固定件；b.避免與其他材料接觸；c.使用人造橡膠防止螺栓與面板之間的接觸。

4)在暴露在干/濕條件之前，表面需要通過噴砂/噴丸處理去除銹皮，原因如下：

實(shí)現(xiàn)最佳銹層結(jié)構(gòu)，避免條狀銹紋形成，使表面不含層壓工藝中使用的典型油料，加速腐蝕過程。

5)尤需予以注意在不同部位要有相同的銹蝕效果。

5 結(jié)語

今后，藝術(shù)元素豐富的建筑還會越來越多，無論從使用上還是美觀上耐候鋼作為新興材料將會越來越廣泛的被運(yùn)用。這就需要我們要在工藝、材料、技術(shù)不斷革新的今天，不斷的提高自己的知識技術(shù)水平，及時總結(jié)工程中新工藝、材料、技術(shù)。像耐候鋼這樣高附加值的結(jié)構(gòu)、裝飾一體化的多能材料，我們還要讓它走向世界。