用新钢材架起建筑的脊梁

苏宝塍

举世瞩目的三峡工程，雄伟壮丽的国家大剧院，众所周知的2008年北京奥运会“鸟巢”工程，令人惊叹的国家战略石油储备库，高耸入云的广州新电视塔……这些国家重大技术工程的钢铁材料国产化，凝聚着许多国人的智慧和心血。耐候钢作为具有良好抗大气腐蚀性能的低合金高效钢材，一直是钢种开发与腐蚀研究的热点，其耐蚀性依赖于使用初期在表面形成的致密、稳定化锈层，耐候钢在应用方面最为理想的使用方式是裸露使用。作为国内一位耐候钢研究领域的中坚力量，一位80后科研工作者，2014年毕业于北京科技大学材料科学与工程专业的张旭博士，用自己年轻的肩膀，担负起了创新研究耐候钢的艰巨使命。

耐候钢在国内外的发展状况

1900年，美国开始了含铜钢——早期耐候钢的研究和开发。1933年，美国生产低合金耐蚀钢的U.S.Steel公司推出Corten-A型低合金耐候钢，这可以说是世界上最初的耐候钢，1959美国开始使用裸露耐候钢。这种钢诞生的背景是：（1）为满足进入20世纪增加必要的桥梁或车辆轻型化的要求而对高强度钢的需求；（2）高强度化伴随着薄壁化，所以要求提高日趋重要的耐蚀性；（3）作为可提高低合金钢耐蚀性的元素Cu、P的效果需要证实；（4）对于高强度化及提高耐蚀性的效果，有了20世纪初30年的社会要求和技术积累。

在这之后，世界各国掀起了一场耐候钢的研究潮。日本在1955年开发耐候钢；1965年建成第一座耐候钢大桥（涂漆）；1967年建成第一座裸钢桥（知多2号桥）；1968年制定JIS-G3114“焊接构造用耐候性热轧钢材”，即SMA钢材标准；1980年建成第三大川桥（最初用于桁梁）；1983年制定了将Smaoop作为涂装用耐候钢，Smaoow作为不涂装用耐候钢，耐候钢的JIS标准用于志染川桥（11型钢架）；80年代末，日本在原有JIS SMA钢的基础上，将Ni的含量提高至3%，新钢种的焊接性能和力学性能均良好，進行了9年（日本千叶地区）的挂片曝晒实验，结果大大优于JIS SMA系列。

我国耐大气腐蚀钢发展较晚，1965年前后，武钢利用其铁矿中含Cu，首先在国内进行耐大气腐蚀的含Cu低合金钢的研究、开发工作。1965年随着经济发展的需要，各钢铁企业开始重视并大规模地研究、开发耐大气腐蚀用钢，研制出多种耐候钢如09CuPTiRe、09CuPTi等系列耐大气腐蚀钢。1967年首次用于试验车辆；1984年制定高耐候性结构钢国家标准；1988年初步试制出NH-35q桥用耐候钢；1990年建成国内第一座裸耐候钢桥；1999年试制JT系列塔桅高耐候性结构钢；目前使用的耐大气腐蚀钢主要是仿CORTEN-A、CORTEN-B的Cu-P系和Cu-P-Cr-Ni系。德国自1969年开始使用裸耐候钢。英国自1972开始使用裸耐候钢。

1994年，Yamashita等人研究了在工业大气环境下暴晒26年的耐候钢和普碳钢的锈层，在足够长的时间下，耐候钢形成了稳定的保护性锈层。耐候钢由疏松的外锈层和致密的内锈层组成，外锈层的锈的颗粒度要大于内锈层的。而普碳钢的腐蚀产物中含有大量的孔洞和微裂纹。耐候钢的外锈层主要由γ-FeOOH组成，而内锈层的主要成分是α-FeOOH。

最值得注意的是，高浓度的Cr只出现在内锈层中。这个结果和Okada等人的实验结果一致，Okada指出耐候钢暴晒数年后，内锈层中会富集大量的Cr、P和Cu。

耐候钢在服役过程中，其颜色会随时间发生转变，由最初的土黄色的锈，在3-5年内逐渐转变为红棕色的锈，5年以后锈层基本呈现耐候钢特有的“巧克力色”。

由上图可以看出，耐候钢（COR-TEN）稳定锈层在3至5年之后形成，这层稳定的锈层具有很强的保护性，可以使钢基体不再被腐蚀。而普通碳钢（SS400）随着时间的延长，仍不断被腐蚀。

由于耐候钢的耐蚀性很强，使其受到国内外各种大型建筑的青睐。目前，国外已将耐候钢逐渐当作普通钢种来广泛使用，在钢种开发、使用及设计施工上也逐渐作了详细规定，耐候钢的裸露使用比例也逐年提高。

张旭介绍说，裸露耐候钢在保护栏杆、钢丝护栏、照明塔等道路附属物上的应用由于能节省维护管理费或调和景色，所以在风景美丽的地方或田园地区盛行。使用一般的钢材时，由于在再涂漆时为了作业上的安全必须停电进行，从而增加了支出。

目前在美国，耐候钢的最大用途是建造桥梁，并且扩大了裸露方式的使用。在建筑领域，使用了裸露耐候钢的建筑物在美国达500座以上，95%以上是顺利的。可见，耐候钢的发展前景是非常广阔的。

创新科技，推动耐候钢的产业化发展

张旭博士对于耐候钢的研究从攻读博士期间就开始了，研究方向是耐候钢、腐蚀与防护、电化学、锈层表面处理等，他的博士论文题目是“环境因素对耐候钢锈层稳定化影响的研究”。目前，他以第一作者发表学术论文4篇，其中被SCI收录2篇，EI收录1篇，国际会议1篇。申请2项国家专利，目前已授权1项。曾担任北京市岱岳云峰科技文化有限公司总经理，首钢技术研究院耐候钢品种负责人，目前是北京创氪材料科技有限公司CEO。参与了国家973计划项目——“高强韧耐海洋大气腐蚀超细复合组织钢的研究”；国家自然科学基金项目——“低合金耐候钢表面锈层在大气腐蚀过程中的演化”；北科大冶金院基金项目——“酸性环境下耐候钢的耐蚀机理研究”；首钢课题基金项目——“输电铁塔用耐候钢的开发”、“ 耐酸钢Q295NS的开发”、“轻量化集装箱结构优化及高强耐候钢开发和应用”等多项国家级课题，取得了诸多科研成果。

“北科耐候”为北京创氪材料科技有限公司的耐候钢品牌产品，于2015年由中国国际科技促进会相关成员发起，会同北京科技大学科研团队相关成员成立的高新科技企业。公司以推动我国耐候钢及其防腐蚀的研发和升级为宗旨。公司品牌为“北科耐候”（网址：www.naihougang.cn）。北科耐候团队的科研人员35%以上拥有博士以上学历，并在此领域有10年以上的相关研究经历，目前拥有两项国家发明专利。“创氪”作为国内最专业的“耐候钢一站式服务”机构，致力于耐候钢钢结构设计、咨询、钢材选择和采购、加工、表面锈蚀处理等“专家级”服务。

据张旭介绍，北科耐候目前有两大类5种产品。一类是针对耐候钢开发的产品，另一类是针对生锈的普碳钢开发的产品。

（1）耐候钢生锈液

耐候钢生锈液为国家授权专利技术产品。该液体喷涂于耐候钢表面，能快速形成一层人工锈层，这种人工锈层比自然生锈要均匀，增加了耐候钢建筑和桥梁的美观性，并且锈层中富集了Cu和Cr等合金元素，可以提高耐候钢长期的耐蚀性。这种生锈液的施工工艺见下图。

该产品已经在辽宁平顶堡大桥，国家电网特高压输电铁塔，大同美术馆，英国万安大厦等工程上进行了大规模的应用。

（2）耐候钢锈层稳定化涂层

该涂层与稳定锈层颜色相同，具有透水透气且阻挡氯离子通过的功能，喷涂于喷砂后的耐候钢上，在钢结构服役过程中，水透过涂层与钢基体接触，在涂层下方形成一层连续致密的锈层。涂层在使用过程中，紫外线使其老化，该涂层均匀脱落，最后涂层完全脱落，被保护性的锈层所替代。该产品初期利用涂层对耐候钢进行保护，后期涂层脱落后，耐候钢自身的保护性锈层能有效保护钢基体，因此该产品仅施工一次，后期不需维护，并且可以极大地延长耐候钢的使用寿命。该技术已经用于北京798艺术区等项目。

（3）耐候钢锈层封固涂层

对表面预制的锈层进行封固处理，使锈板其在使用过程中不变色、不掉锈。该技术为新兴技术，有些設计师既想要耐候钢锈层的颜色，又不想耐候钢在使用过程中变色，因此促使了这项技术的产生和发展。但该技术仅限室内锈板使用，不可以用于室外，这是由于室外紫外线会使涂层发生老化，极大缩短涂层的寿命，另外微量的水透过涂层后，钢基体会产生黑色的锈，破坏锈板已有的颜色。

（4）耐候钢仿锈涂层

该涂层包括底漆、中间漆和面漆，喷涂于喷砂后的钢板上，表面呈现锈钢板的色泽，并且兼具较高的耐蚀性。该产品可以根据设计师的要求，调配不同的颜色，不但可以用在耐候钢上，也可以应用于普通碳钢等材料上。

（5）锈层转化剂

以往对于锈蚀后的钢结构，一般需要将锈层除去后，再补涂油漆，除锈工序复杂。该产品针对锈蚀的钢板，不需除锈，直接将锈层转化为致密的保护层，延长钢结构的寿命。该产品应用领域较为广泛，可用于桥梁、护栏、海洋平台、电力塔架等领域。

如今，耐候钢表面处理技术已经成功应用于国家电网和平顶堡大桥等项目，且该技术已在我国西北地区获得大力推广。2015年9月，“北科耐候”的科研团队及技术曾被中国光华科技基金会作为优秀创新创业项目向苏州、张家港等地做重点推荐和推广。张旭坚信，“创氪”在未来会本着科学严谨的态度，加大耐候钢相关技术的研发，推动耐候钢在国内的应用，为节能减排的科研创新事业做出巨大贡献。