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(shí)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(huì)自動(dòng)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(tái)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(huì)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(jí))≤1級(jí)(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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)掉渣。這樣的鐵銹非但保護(hù)不了鋼鐵，反而會(huì)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(shí)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(shí)至今日，由于中國的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，帶動(dòng)全世界的工程建設(shè)量一并指數(shù)增長。海洋石油平臺(tái)、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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(jí)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(huì)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(huì)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(shí)技術(shù)水平，及時(shí)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。