用新鋼材架起建筑的脊梁

蘇寶塍

舉世矚目的三峽工程，雄偉壯麗的國家大劇院，眾所周知的2008年北京奧運會“鳥巢”工程，令人驚嘆的國家戰(zhàn)略石油儲備庫，高聳入云的廣州新電視塔……這些國家重大技術工程的鋼鐵材料國產(chǎn)化，凝聚著許多國人的智慧和心血。耐候鋼作為具有良好抗大氣腐蝕性能的低合金高效鋼材，一直是鋼種開發(fā)與腐蝕研究的熱點，其耐蝕性依賴于使用初期在表面形成的致密、穩(wěn)定化銹層，耐候鋼在應用方面最為理想的使用方式是裸露使用。作為國內一位耐候鋼研究領域的中堅力量，一位80后科研工作者，2014年畢業(yè)于北京科技大學材料科學與工程專業(yè)的張旭博士，用自己年輕的肩膀，擔負起了創(chuàng)新研究耐候鋼的艱巨使命。

耐候鋼在國內外的發(fā)展狀況

1900年，美國開始了含銅鋼——早期耐候鋼的研究和開發(fā)。1933年，美國生產(chǎn)低合金耐蝕鋼的U.S.Steel公司推出Corten-A型低合金耐候鋼，這可以說是世界上最初的耐候鋼，1959美國開始使用裸露耐候鋼。這種鋼誕生的背景是：（1）為滿足進入20世紀增加必要的橋梁或車輛輕型化的要求而對高強度鋼的需求；（2）高強度化伴隨著薄壁化，所以要求提高日趨重要的耐蝕性；（3）作為可提高低合金鋼耐蝕性的元素Cu、P的效果需要證實；（4）對于高強度化及提高耐蝕性的效果，有了20世紀初30年的社會要求和技術積累。

在這之后，世界各國掀起了一場耐候鋼的研究潮。日本在1955年開發(fā)耐候鋼；1965年建成第一座耐候鋼大橋（涂漆）；1967年建成第一座裸鋼橋（知多2號橋）；1968年制定JIS-G3114“焊接構造用耐候性熱軋鋼材”，即SMA鋼材標準；1980年建成第三大川橋（最初用于桁梁）；1983年制定了將Smaoop作為涂裝用耐候鋼，Smaoow作為不涂裝用耐候鋼，耐候鋼的JIS標準用于志染川橋（11型鋼架）；80年代末，日本在原有JIS SMA鋼的基礎上，將Ni的含量提高至3%，新鋼種的焊接性能和力學性能均良好，進行了9年（日本千葉地區(qū)）的掛片曝曬實驗，結果大大優(yōu)于JIS SMA系列。

我國耐大氣腐蝕鋼發(fā)展較晚，1965年前后，武鋼利用其鐵礦中含Cu，首先在國內進行耐大氣腐蝕的含Cu低合金鋼的研究、開發(fā)工作。1965年隨著經(jīng)濟發(fā)展的需要，各鋼鐵企業(yè)開始重視并大規(guī)模地研究、開發(fā)耐大氣腐蝕用鋼，研制出多種耐候鋼如09CuPTiRe、09CuPTi等系列耐大氣腐蝕鋼。1967年首次用于試驗車輛；1984年制定高耐候性結構鋼國家標準；1988年初步試制出NH-35q橋用耐候鋼；1990年建成國內第一座裸耐候鋼橋；1999年試制JT系列塔桅高耐候性結構鋼；目前使用的耐大氣腐蝕鋼主要是仿CORTEN-A、CORTEN-B的Cu-P系和Cu-P-Cr-Ni系。德國自1969年開始使用裸耐候鋼。英國自1972開始使用裸耐候鋼。

1994年，Yamashita等人研究了在工業(yè)大氣環(huán)境下暴曬26年的耐候鋼和普碳鋼的銹層，在足夠長的時間下，耐候鋼形成了穩(wěn)定的保護性銹層。耐候鋼由疏松的外銹層和致密的內銹層組成，外銹層的銹的顆粒度要大于內銹層的。而普碳鋼的腐蝕產(chǎn)物中含有大量的孔洞和微裂紋。耐候鋼的外銹層主要由γ-FeOOH組成，而內銹層的主要成分是α-FeOOH。

最值得注意的是，高濃度的Cr只出現(xiàn)在內銹層中。這個結果和Okada等人的實驗結果一致，Okada指出耐候鋼暴曬數(shù)年后，內銹層中會富集大量的Cr、P和Cu。

耐候鋼在服役過程中，其顏色會隨時間發(fā)生轉變，由最初的土黃色的銹，在3-5年內逐漸轉變?yōu)榧t棕色的銹，5年以后銹層基本呈現(xiàn)耐候鋼特有的“巧克力色”。

由上圖可以看出，耐候鋼（COR-TEN）穩(wěn)定銹層在3至5年之后形成，這層穩(wěn)定的銹層具有很強的保護性，可以使鋼基體不再被腐蝕。而普通碳鋼（SS400）隨著時間的延長，仍不斷被腐蝕。

由于耐候鋼的耐蝕性很強，使其受到國內外各種大型建筑的青睞。目前，國外已將耐候鋼逐漸當作普通鋼種來廣泛使用，在鋼種開發(fā)、使用及設計施工上也逐漸作了詳細規(guī)定，耐候鋼的裸露使用比例也逐年提高。

張旭介紹說，裸露耐候鋼在保護欄桿、鋼絲護欄、照明塔等道路附屬物上的應用由于能節(jié)省維護管理費或調和景色，所以在風景美麗的地方或田園地區(qū)盛行。使用一般的鋼材時，由于在再涂漆時為了作業(yè)上的安全必須停電進行，從而增加了支出。

目前在美國，耐候鋼的最大用途是建造橋梁，并且擴大了裸露方式的使用。在建筑領域，使用了裸露耐候鋼的建筑物在美國達500座以上，95%以上是順利的。可見，耐候鋼的發(fā)展前景是非常廣闊的。

創(chuàng)新科技，推動耐候鋼的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

張旭博士對于耐候鋼的研究從攻讀博士期間就開始了，研究方向是耐候鋼、腐蝕與防護、電化學、銹層表面處理等，他的博士論文題目是“環(huán)境因素對耐候鋼銹層穩(wěn)定化影響的研究”。目前，他以第一作者發(fā)表學術論文4篇，其中被SCI收錄2篇，EI收錄1篇，國際會議1篇。申請2項國家專利，目前已授權1項。曾擔任北京市岱岳云峰科技文化有限公司總經(jīng)理，首鋼技術研究院耐候鋼品種負責人，目前是北京創(chuàng)氪材料科技有限公司CEO。參與了國家973計劃項目——“高強韌耐海洋大氣腐蝕超細復合組織鋼的研究”；國家自然科學基金項目——“低合金耐候鋼表面銹層在大氣腐蝕過程中的演化”；北科大冶金院基金項目——“酸性環(huán)境下耐候鋼的耐蝕機理研究”；首鋼課題基金項目——“輸電鐵塔用耐候鋼的開發(fā)”、“ 耐酸鋼Q295NS的開發(fā)”、“輕量化集裝箱結構優(yōu)化及高強耐候鋼開發(fā)和應用”等多項國家級課題，取得了諸多科研成果。

“北科耐候”為北京創(chuàng)氪材料科技有限公司的耐候鋼品牌產(chǎn)品，于2015年由中國國際科技促進會相關成員發(fā)起，會同北京科技大學科研團隊相關成員成立的高新科技企業(yè)。公司以推動我國耐候鋼及其防腐蝕的研發(fā)和升級為宗旨。公司品牌為“北科耐候”（網(wǎng)址：www.naihougang.cn）。北科耐候團隊的科研人員35%以上擁有博士以上學歷，并在此領域有10年以上的相關研究經(jīng)歷，目前擁有兩項國家發(fā)明專利。“創(chuàng)氪”作為國內最專業(yè)的“耐候鋼一站式服務”機構，致力于耐候鋼鋼結構設計、咨詢、鋼材選擇和采購、加工、表面銹蝕處理等“專家級”服務。

據(jù)張旭介紹，北科耐候目前有兩大類5種產(chǎn)品。一類是針對耐候鋼開發(fā)的產(chǎn)品，另一類是針對生銹的普碳鋼開發(fā)的產(chǎn)品。

（1）耐候鋼生銹液

耐候鋼生銹液為國家授權專利技術產(chǎn)品。該液體噴涂于耐候鋼表面，能快速形成一層人工銹層，這種人工銹層比自然生銹要均勻，增加了耐候鋼建筑和橋梁的美觀性，并且銹層中富集了Cu和Cr等合金元素，可以提高耐候鋼長期的耐蝕性。這種生銹液的施工工藝見下圖。

該產(chǎn)品已經(jīng)在遼寧平頂堡大橋，國家電網(wǎng)特高壓輸電鐵塔，大同美術館，英國萬安大廈等工程上進行了大規(guī)模的應用。

（2）耐候鋼銹層穩(wěn)定化涂層

該涂層與穩(wěn)定銹層顏色相同，具有透水透氣且阻擋氯離子通過的功能，噴涂于噴砂后的耐候鋼上，在鋼結構服役過程中，水透過涂層與鋼基體接觸，在涂層下方形成一層連續(xù)致密的銹層。涂層在使用過程中，紫外線使其老化，該涂層均勻脫落，最后涂層完全脫落，被保護性的銹層所替代。該產(chǎn)品初期利用涂層對耐候鋼進行保護，后期涂層脫落后，耐候鋼自身的保護性銹層能有效保護鋼基體，因此該產(chǎn)品僅施工一次，后期不需維護，并且可以極大地延長耐候鋼的使用壽命。該技術已經(jīng)用于北京798藝術區(qū)等項目。

（3）耐候鋼銹層封固涂層

對表面預制的銹層進行封固處理，使銹板其在使用過程中不變色、不掉銹。該技術為新興技術，有些設計師既想要耐候鋼銹層的顏色，又不想耐候鋼在使用過程中變色，因此促使了這項技術的產(chǎn)生和發(fā)展。但該技術僅限室內銹板使用，不可以用于室外，這是由于室外紫外線會使涂層發(fā)生老化，極大縮短涂層的壽命，另外微量的水透過涂層后，鋼基體會產(chǎn)生黑色的銹，破壞銹板已有的顏色。

（4）耐候鋼仿銹涂層

該涂層包括底漆、中間漆和面漆，噴涂于噴砂后的鋼板上，表面呈現(xiàn)銹鋼板的色澤，并且兼具較高的耐蝕性。該產(chǎn)品可以根據(jù)設計師的要求，調配不同的顏色，不但可以用在耐候鋼上，也可以應用于普通碳鋼等材料上。

（5）銹層轉化劑

以往對于銹蝕后的鋼結構，一般需要將銹層除去后，再補涂油漆，除銹工序復雜。該產(chǎn)品針對銹蝕的鋼板，不需除銹，直接將銹層轉化為致密的保護層，延長鋼結構的壽命。該產(chǎn)品應用領域較為廣泛，可用于橋梁、護欄、海洋平臺、電力塔架等領域。

如今，耐候鋼表面處理技術已經(jīng)成功應用于國家電網(wǎng)和平頂堡大橋等項目，且該技術已在我國西北地區(qū)獲得大力推廣。2015年9月，“北科耐候”的科研團隊及技術曾被中國光華科技基金會作為優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目向蘇州、張家港等地做重點推薦和推廣。張旭堅信，“創(chuàng)氪”在未來會本著科學嚴謹?shù)膽B(tài)度，加大耐候鋼相關技術的研發(fā)，推動耐候鋼在國內的應用，為節(jié)能減排的科研創(chuàng)新事業(yè)做出巨大貢獻。