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“生锈”的建筑不安全?这种材料锈迹斑斑却很耐用

subtitle 了不起的中国制造11-07 06:54 跟贴 2727 条
耐候钢既具有普通钢材易延展、高强度、抗疲劳等特性,同时抗腐蚀性却是普通钢材的2-8倍,所以长得“丑”却价格不菲。一般只有集装箱、铁道车辆、石油井架、钻井平台等使用环境恶劣、对钢材抗腐蚀性能要求高的结构物才使用,近年来也用于后现代风格的建筑中。

  出品| 网易新闻

  作者| 须臾千秋

  你身边有没有这样奇怪的建筑物:它是坚固的钢结构,但却全身布满厚厚的红黑色锈迹,仿佛已经在风雨中伫立了几百年。

  (耐候钢外观)

  也许你也会好奇:锈成这样的建筑还能用吗?安全吗?

  我可以斩钉截铁地告诉你:安全!不仅安全,而且比一般的钢材更为耐用,即使在空气中暴露几十年也不会锈坏。

  这种表面锈蚀,实则耐用的材料其实是一种特殊的钢材,叫做耐候钢。别看它长得“丑”,其实高端着呢。

  (一)耐候钢虽然 “丑”,但使用“门槛”可不低

  耐候钢又称耐大气腐蚀钢,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2-8倍。

  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。因此,别看耐候钢长得丑,一般的建筑还用不起它。

  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,工程师们还舍不得在这里使用耐候钢呢!

  (典型的耐候钢使用场合:海上钻井平台)

  (二)耐候钢为什么能锈而不腐?

  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,为钢铁的腐蚀提供一条“高速公路”。

  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。

  (左为耐候钢,右为铁锈,可以明显看出二者差别)

  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“引狼入室”,把水和氧气吸到钢铁表面来。

  (三)耐候钢的“白菜化”之路

  其实,耐候钢并不是最近才出现的一种材料。

  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。这意味着由于金属锈蚀,每年都有一整个英国的人,一年的辛勤工作白干了。

  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,中国的耐候钢研究赶上了好时机,起步很快,并追赶得非常迅速。

  像其他产业一样,只要中国进入了,西方“抱着技术,躺着赚钱”的美梦就破灭了,耐候钢产业同样如此。

  从20世纪90年代开始,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,在国际市场上一举获得了碾压式的优势。

  (国内主要耐候钢桥梁)

  而今,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。中国人建立的“耐候家族”配合使用,大大提升了人类对钢材的利用能力,让高耐久成为了钢结构建筑的常态。

  (耐候钢规范、耐候钢板和耐候螺栓)

  (四)性价比重要,漂亮也很重要

  进入21世纪,人们对建筑的要求越来越高。除了安全耐用、经济实惠外,还要漂亮。在后工业时代,一些艺术家返朴归真,开始追求建筑的“本色”,于是,咖啡色的耐候钢凭借着自身十足的后现代美感而得到建筑师的青睐

  在中国科学院大学雁栖湖校区,就刚刚建成了这样一座全耐候钢外观的中丹中心大楼。这是一座从外观到功能都极其现代化的建筑,多处采用计算机、无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计算机智能化信息等先进技术,实现建筑的高智能与低能耗。与普通建筑不同,为了实现自然光的高效利用,中丹中心大楼并未采用常规窗帘遮挡阳光,而是在玻璃幕墙外设置了多向编织状耐候钢遮阳屏,这使得整个建筑都具有了耐候钢特有的后现代外观。

  (国科大中丹中心大楼)

  现在建筑所呈现出的咖啡色,正是耐候钢遮阳屏在空气中腐蚀半年后自然形成的保护层颜色。其颜色均匀致密,令人感觉这并不是生了铁锈,而是建筑本身应有的颜色。在建筑的其它部位,从天花板上错落有致地悬吊着的松木圆环,到原色水磨石地面,再到清水混凝土旋转楼梯,都秉持着这种不雕饰、靠材料本身的纹理来装扮的原则,建筑的里里外外都与耐候钢的色调与风格融为一体。

  (中丹中心室内一景)

  今后,像国科大中丹中心这样,艺术元素丰富的建筑还会越来越多。而我们的中国制造也不能永远停留在“质量好、价格低”这一实用层面。像耐候钢这样的多能材料,我们还要把它玩出花来,让高附加值的结构、装饰一体化的耐候钢走向世界。

  作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

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  编辑| 史文慧

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