耐候钢的特点及在建筑物中的应用

王 志 坤

(大同市重点工程建设办公室，山西 大同 037000)

1 耐候钢的构造及性能

耐侯钢的概念在20世纪80年代由日本提出，又叫考顿钢，学名耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢，由普碳钢添加一定量的铜，以及磷、铬、镍、钛、钒等耐腐蚀元素制成。它既具有普通钢材的易延展、高强度、抗疲劳等特性，同时在抗腐蚀能力方面又能达到普通碳素钢的2倍～8倍。暴露在自然环境中，经与空气、雨水等作用，钢材表面会自动形成抗腐蚀的保护层，无需涂漆保护，材料的寿命在80年以上。

由于其优秀的性能，耐候钢的价格不菲。性能相近的耐候钢与普通钢材相比，耐候钢的价格要高出60%左右。只有集装箱、铁道车辆、石油井架、钻井平台这些使用环境恶劣、对钢材抗腐蚀性能要求高的结构物才会使用耐候钢。而对于普通建筑使用的钢筋混凝土，由于混凝土中埋藏的钢筋极少与氧气、水接触，故使用较少。

耐候钢一般在表面有一层透明无色亚光的封固保护，并保证封固层不改变锈钢板自身颜色和质感，封固漆与耐候密封胶能够相容。

封固应满足下列理化指标：

1)耐水性，24 h不起泡不脱落(GB/T 1733—1993)。

2)耐盐雾，96 h外观无明显变化(GB/T 1771—2007)。

3)耐湿热，24 h不起泡不脱落(GB/T 1740—2007)。

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

5)耐酸性(10%盐酸，15分钟点滴)表面无明显变化(GB/T 9274—1988)。

6)耐碱性(5%碳酸钠，48 h)表面无明显变化(GB/T 9274—1988)。

7)附着力(2 mm划格，级)≤1级(GB/T 9286—1998)。

8)封固后表面总膜厚应超过100 μm(电磁感应测厚仪测量)。

2 耐候钢抗腐蚀原理

纯铁并不容易锈蚀，但普通的钢铁中，通常含有铜、碳等杂质，这些杂质的活性比铁低，在含水的空气中与铁形成原电池(即通过氧化还原反应而产生电流的一种装置)，将氧化与还原反应分开，为钢铁腐蚀的快速形成客观上提供条件。钢铁腐蚀产生的铁锈是疏松多孔的结构，其中还有许多微裂纹将孔隙互相联通。这样，铁锈就像海绵一样，可以继续吸收空气中的水分，让钢铁进一步锈蚀，直至完全锈穿。

耐候钢与普通钢铁不同，在最开始，它也会像普通钢铁一样在表面发生锈蚀。由于其合金程度较高，这一过程甚至比普通钢铁更快。但是由于耐候钢内部的晶格更加复杂，在表面的疏松铁锈下，还会生长出一层暗黑色的致密锈层。这一锈层由纳米颗粒的α-FeOOH组成。在这一致密锈层中，镍原子取代了部分铁原子的位置，使得锈层具有了阳离子选择性，抑制了具有腐蚀性的阴离子透过。

正是这层致密的锈层，使得耐候钢虽然表面锈了，但内部不会被继续锈蚀。其实只要仔细分辨，就可以看出，耐候钢的表面与普通铁锈并不相同：耐候钢的锈是均匀致密的，紧贴着钢材的表面保护着钢材；而铁锈则斑斑驳驳，疏松多孔，一碰就会掉渣。这样的铁锈非但保护不了钢铁，反而会把水和氧气吸到钢铁表面来。

3 耐候钢在中国的发展历史

早在1900年，美国人就已经开始了含铜钢的早期研究与开发，这就是耐候钢的前身。但在20世纪上半叶，人类科技水平有限，对材料微观的研究难以深入，耐候钢抗腐蚀背后的机理并不清楚，这极大地限制了耐候钢的研究与应用。加之那时人类的总建设量与如今相差甚远，因此耐候钢的研究进展一直比较缓慢。

在中国，直到1960年，含铜耐候钢研究才在武钢起步。

可是时至今日，由于中国的经济飞速发展，带动全世界的工程建设量一并指数增长。海洋石油平台、海港建筑开始变得随处可见，世界对耐候钢的需求越来越紧迫。加之如今的空气污染越发严重，金属结构都难免要面临酸雨的洗礼。但凡是金属，从投入使用就自然地开始腐蚀。随着保有量越来越大，金属的腐蚀开始给国民经济造成重大损失。据不完全统计，每年由于钢结构腐蚀造成的经济损失，占国民经济生产总值的2%～4%，目前，每年因结构腐蚀造成的经济损失高达数万亿美元。

耐候钢的研发与推广，可以提高结构的耐久性，大幅度缩减腐蚀带来的经济损失。因此，为了适应中国爆炸式发展的基建，打破外国垄断并争取更广阔的海外市场，研究者们将目光转向低成本、高强度、耐腐蚀性能更高的新型高性能耐候钢的开发，并取得了卓越成果。中国开发的耐候钢不含镍和铬，而是以添加铜和磷为主，并掺入一定量中国富有的钒、钛、铌、铼等金属元素，在大幅提高质量的同时，将成本降低了一大半。如今，中国已经是耐候钢生产和出口大国，尤其是在桥梁建设领域，中国的耐候钢既可以满足大跨度桥梁用钢所必须的高强度、低屈强比、低温韧性、可焊性以及厚板均一性，同时又兼具耐腐蚀性能，在各类污染环境下应对自如。既可以选择涂漆、表面稳定化处理，也可以干脆不管，直接裸露使用。与耐候钢材配套的还有耐候焊接材料以及耐候高强度螺栓，它们背后还有相关的标准和规范。

4 耐候钢的技术规范及要求

4.1 锈蚀钢板

1)锈蚀钢板板块应满足热胀冷缩的要求。

2)在进行锈蚀钢板板块设计和制作时应按相应规格尺寸采用合适的板后加强肋布置，以保证锈蚀钢板的强度、刚度和平整度。

3)锈蚀钢板应能承受使用中的荷载和施工荷载。

4)锈蚀钢板制作、锈蚀、封固等工序应在质量可控的车间内完成。在弧形板和矩形板外表面均不可有任何焊接痕迹。

5)锈蚀钢板背部采用任何焊接及连接时不得影响外露表面的观感。

6)锈蚀钢板涉及到的焊接均要求在质量可控的车间内完成，外露的焊缝在焊接完成后均须打磨，保证达到建筑师要求的外观效果。

4.2 规范标准

1)GB/T 4171—2008耐候结构钢；

2)GB 50205—2001钢结构工程施工质量验收规范;

3)GB/T 21086—2007建筑幕墙;

4)JGJ 133—2001金属与石材幕墙工程技术规范;

5)GB/T 1733—1993漆膜耐水性测定法;

6)GB/T 1771—2007色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定;

7)GB/T 1740—2007漆膜耐湿热测定法;

8)GB/T 1768—2006色漆和清漆耐磨性的测定;

9)GB/T 9274—1988色漆和清漆耐液体介质的测定;

10)GB/T 9286—1998色漆和清漆漆膜的划格试验。

4.3 质量要求

1)锈蚀钢板基层材料应采用不小于4 mm厚高耐候钢板(GB/T 4171—2008)。

2)锈层表面必须有透明无色亚光的封固保护，并保证封固层不改变锈钢板自身颜色和质感。封固漆应与耐候密封胶能够相容。

3)锈蚀钢板表面应生成锈层，整个生产过程需在质量可控的工厂条件下进行。

4)锈蚀钢板要进行6面防护，钢板外露防锈漆耐久性应超过15年，背侧防锈漆耐久性应超过10年。

5)所用的材料必须保证为全新及没有缺陷的一级品或优等品。

6)所有异型尺寸的产品由幕墙施工单位根据现场的实际情况提供加工图，并依据加工图生产。

7)加工后钢板表面尺寸允许偏差：制成品的尺寸偏差须满足。a.GB 50205—2001钢结构工程施工质量验收规范；b.JGJ 133—2001金属与石材幕墙工程技术规范；c.GB/T 21086—2007建筑幕墙。

8)成品表面外观要求：a.成品表面锈层应为自然锈蚀,锈蚀肌理自然清晰；b.封固必须无色透明，视觉上不应产生涂装感。

4.4 其他性能

1)EN 10025—5规范标准。

2)与CorTen Grade A相当的性能与特点。

3)焊接与连接：a.需要专用固定件；b.避免与其他材料接触；c.使用人造橡胶防止螺栓与面板之间的接触。

4)在暴露在干/湿条件之前，表面需要通过喷砂/喷丸处理去除锈皮，原因如下：

实现最佳锈层结构，避免条状锈纹形成，使表面不含层压工艺中使用的典型油料，加速腐蚀过程。

5)尤需予以注意在不同部位要有相同的锈蚀效果。

5 结语

今后，艺术元素丰富的建筑还会越来越多，无论从使用上还是美观上耐候钢作为新兴材料将会越来越广泛的被运用。这就需要我们要在工艺、材料、技术不断革新的今天，不断的提高自己的知识技术水平，及时总结工程中新工艺、材料、技术。像耐候钢这样高附加值的结构、装饰一体化的多能材料，我们还要让它走向世界。