在日本能夠生產(chǎn)耐候鋼的1960年(昭和35年)后的數(shù)年間,受到的一次最大的沖擊是在美國建筑物上的裸露使用。號稱第一號的John Deere & Company公司大樓于1958年(昭和33年)動工,于1963年(昭和38年)竣工。這個大樓由于位置的關(guān)系雖然有名而實際見過的人不多,可是相繼建成的 Chicago Civic Cen-ter[1965年(昭和40年)竣工]位于Chicago的中心街,由于31層規(guī)模很宏大,很多日本人見過。不僅在壁面板和柱型上,而且在強度構(gòu)件上正式地裸露使用了耐候鋼。作者于1969年(昭和44年)從Boston至San Diego時,途中順便到過Chicago再次參觀了這個大樓,在出差報告書中做了如下的記述:
“..···與4年前見過時相比它更加美麗,這對耐候鋼的裸露使用的自信和信任形成了強有力的基礎(chǔ)。雖然耐候鋼在日本作為強度材料還沒有裸露使用,可是我想那個時代必將來臨。因此,我認為不僅暴曬試驗,而且包括結(jié)構(gòu)因素在內(nèi)的實用數(shù)據(jù)不可缺少,未來在日本第一個使用耐候鋼的結(jié)構(gòu)物成功與否對以后的發(fā)展有很大影響。
在初期采用了裸露耐候鋼的建筑物中,人所共知的是鐮倉近代美術(shù)館(1966年(昭和41年),用于鋼骨、屋頂、窗框)、東京茅場町的鐵鋼會館(1966年(昭和41年),用于欄桿、部分外裝面板、屋上周圍的防護面板)、川崎市的NKK京濱大廈(1968年(昭和43年),用于屋上的頂屋、大廈的外裝面板)等。其他主要的建筑物示于表2-4。
這些耐候鋼的穩(wěn)定銹層形成過程不像在美國那樣順利。妨礙耐候鋼穩(wěn)定銹層形成的環(huán)境因子包括大氣中所含過量的鹽離子及亞硫酸氣體。即使它們在大氣中的濃度相同,像大氣暴曬試片上被雨水沖洗的場合,因附著量減少能降低它的作用,可是在實際的建筑物上除了屋頂以外,雨的洗凈效果受到限制。
其結(jié)果是,一旦海鹽粒子或SO2(被氧化后變成硫酸起作用)表面附著量過多時,不僅產(chǎn)生銹層剝離,增大腐蝕,而且使外觀變壞。
圖2-8 示出了大氣中的SOx濃度隨時間變化的測定情況。在都市或工業(yè)地區(qū),20世紀60年代(昭和40年代)中期的SO,濃度是現(xiàn)在的數(shù)倍以上,對耐候鋼形成穩(wěn)定銹層來說還不是太好的環(huán)境。
以NKK京濱大樓為例,耐候鋼是作為外部凹面縱向使用的槽形構(gòu)件,它寬800mm,高200mm,可是由于處于工業(yè)地區(qū),大氣中SO含量多,降雨時受風向的影響被雨沖洗的部分僅限于東南西北的一個方向,而且比外面凹下200mm,所以即使在被雨淋的方向上也不可能全部被沖洗。建成初期,銹的脫落顯著,在降雨之后,雨中析出的硫酸鐵帶有白色污垢。該大樓的耐候鋼使用10年左右,隨著時間增長,銹層也增厚,以及因環(huán)境的改善而降低了SOx濃度,使銹層穩(wěn)定化,成為相當良好的狀態(tài)。25年后的今天,銹已經(jīng)呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定化外觀。
如果從20世紀60年代至70年代后期(昭和40年代到50年代初期)日本的耐候鋼在建筑物上的裸露使用情況看,銹穩(wěn)定化并不像美國那樣順利,相當一般。其原因是比較靠近海受海鹽粒子的影響,當時在城市、工業(yè)地區(qū)SOx濃度高、潮濕等,可是真正的理由并不清楚。最引起關(guān)注的SO4濃度在美國有的地區(qū)也很高,雖然已經(jīng)看到了硫酸鐵的污垢,但是沒有成為很大的問題。
作為其他理由,雖然還可以舉出日本國土狹小、人和建筑物的距離近,而且日本國民對美觀或彩色有敏感性,可是即使到美國Chicago Civic Centen 大樓跟前去看耐候鋼的裸露使用也具有非常良好的狀態(tài)。
如果歸納主要問題有如下幾點:(1)初期的淺紅銹的生成;(2)由于方向、位置而引起的初期銹的色斑;(3)條件壞的場合下銹的局部剝離;(4)銹飛散時對周圍環(huán)境的影響;(5)流經(jīng)表面含有鐵離子的雨水所引起的對混凝土等周圍多孔物質(zhì)的紅色污染。以上幾點主要是外觀上的問題。如果銹的穩(wěn)定化速度慢,則在這期間的腐蝕大,而且材料的減厚也快,絕對值只要能達到穩(wěn)定化就沒有大問題,并且它很少作為結(jié)構(gòu)物的強度材料使用,所以能否達到銹的穩(wěn)定化,初期外觀的惡化到什么程度,成為人們主要關(guān)心的問題。
為了避免耐候鋼初期的外觀不良,或者在一定程度上減少銹穩(wěn)定化之前的腐蝕,開發(fā)了所謂的促進銹穩(wěn)定化的表面處理法。這種處理法不是為了使腐蝕的進行停止,而是在一定程度上減緩腐蝕進行的同時,增加由腐蝕生成的鐵離子或銹停留在鋼表面上的比率,幫助形成銹層,減輕對周圍污損的方法。
這種表面處理一時被稱為“銹穩(wěn)定化促進處理”。而且因為銹層達到穩(wěn)定化以前的時間比裸鋼長所以決不能被稱為“促進”。因而,現(xiàn)在固定下來的“銹穩(wěn)定化處理”是合適的名稱。但是,表面處理覆膜隨著時間而發(fā)生劣化,為了按照其意圖形成、保持原來的銹層,需要有和使用裸露鋼相同的環(huán)境特性,所以在不能達到銹穩(wěn)定化的環(huán)境條件下使用裸露鋼,即使進行穩(wěn)定化處理也不能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定化。
像這樣的銹穩(wěn)定化處理是日本獨特的技術(shù),其中第一號是日本磷化處理(パーカライジング)公司開發(fā)的方法。這種方法從1966年(昭和41年)開始實用化,當時分為只磷酸鹽處理的規(guī)格和在其上進行丙烯系薄涂漆的規(guī)格,后來變成只有后者一種。以后開發(fā)的現(xiàn)在正在使用的方法有CUPTEN涂層法(NKK公司)、RS涂層法(川崎制鐵公司)等,初期的外觀都是涂漆拋光。
耐候鋼的使用特性不僅只依賴于化學的環(huán)境條件,而且也顯著地受除去附著在表面上有害物質(zhì)的降雨洗凈作用的大小、積存雨水的難易程度等有關(guān)的結(jié)構(gòu)物的形狀的影響。
曾經(jīng)進行過關(guān)于暴曬試驗中的暴曬角度或雨遮蔽度影響的研究;而日本諸石等人也就此做了研究(參照2.4.2節(jié))。所有的報告都證明在不容易受到雨水洗凈作用的背面腐蝕大。
住友金屬公司或NKK公司于20世紀60年代后期(昭和40年代前期)曾設(shè)置試驗房屋或者模型結(jié)構(gòu)物,更詳細地研究了構(gòu)件的角度、方向、對雨水遮蔽度等的影響。在2.4.2節(jié)詳細敘述,已經(jīng)定量地掌握了SOx污染越嚴重的地區(qū)這些結(jié)構(gòu)因子的影響越大。
這樣的研究提高了耐候鋼的裸露使用的應用技術(shù),對于促進耐候鋼在實際使用條件下更好地發(fā)揮優(yōu)秀性能的構(gòu)造設(shè)計的進步具有重要用。作為把油或劃線等從表面除去以及不積存雨水的設(shè)計,不使周圍的混凝土被銹色污染,在結(jié)構(gòu)上需要考慮的事項,刊登在U.S.Steel公司的文獻或技術(shù)資料中,該公司設(shè)有委員會進行有關(guān)應用技術(shù)的用戶服務。實際上,正像ChicagoCivic Center 面向廣場大樓外圍柱上流下的雨水不污染混凝土地面那樣,事先采取了在柱下部的周圍設(shè)置小排水孔等措施。
例如日本NKK京濱大樓周圍一定寬度的地面上放上砂子,不讓雨水產(chǎn)生的污染向四周擴散,同時不讓人看見,根據(jù)情況可以更換砂子。而且,在美國關(guān)于SO.濃度和構(gòu)造設(shè)計的關(guān)系,尚未在實際業(yè)務上引起注意,使用前述的模型結(jié)構(gòu)物的研究,反映了當時日本的實際情況。
關(guān)于建筑領(lǐng)域的應用技術(shù)文獻發(fā)表得非常少。隨著耐候鋼在建筑物上裸露使用的增加,應用技術(shù)有了較大的進步,它成為了后來盛行的耐候鋼在橋梁上裸露使用技術(shù)的基礎(chǔ)。然而在近年的橋梁領(lǐng)域里(2.2.3節(jié))已經(jīng)有了建筑物領(lǐng)域不可比擬的更詳細而具體的應用技術(shù)。
在建筑領(lǐng)域里的裸露使用技術(shù)成為原動力的研究有:關(guān)于耐候鋼穩(wěn)定銹層防蝕性的本質(zhì)、合金元素的作用及其機構(gòu)、銹層穩(wěn)定化的過程等。
1967年(昭和42年)秋,在札幌召開的日本鐵鋼協(xié)會第74次講演大會上,“耐候鋼的銹及其防蝕效果”被選定為討論會的題目,在討論會上發(fā)表了4篇,在一般講演中發(fā)表了5篇相關(guān)的研究報告。這可以說是日本最早發(fā)表的關(guān)于耐候鋼的實質(zhì)性的研究報告。這次發(fā)表的大部分報告已成為現(xiàn)在對耐候鋼銹層的考慮方法的基礎(chǔ)。表2-5出示了講演題目。關(guān)于這些研究將在2.3.1節(jié)詳細敘述,而且久松就當時的研究發(fā)表過一篇優(yōu)秀的總論(卷末資料3)。
關(guān)于耐候鋼銹層的防蝕機構(gòu)或合金元素在銹中的分布,在這以前美國曾有幾個報道,其中幾篇相當著名,并且最初拍攝了銹層斷面顯微照片的人可以被認為是Horton[26].雖然在銹層上有銹的化學成分、X射線結(jié)晶構(gòu)造、織構(gòu)、電化學性質(zhì)等多項值得注意的特性,然而在詳細研究耐候鋼銹層的織構(gòu)或電化學性質(zhì)和防蝕能力的關(guān)系的報告中,札幌的這些報告在世界上也是最早的,而且具有說服力。
例如,岡田等敘述,在靠近銹層的鋼基體部分使用偏光顯微鏡作為消光層,能觀察到X射線非晶質(zhì)的銹,它在耐候鋼中連續(xù)形成具有防蝕性。增子等報告了在制作人工銹時,除鐵以外,像銅那樣對耐候鋼有效的合金元素的離子共存時,銹變成非晶質(zhì)有助于防蝕性銹的生成。松島等在大氣暴曬時間不同的耐候鋼和碳素鋼的銹層上,使其與放射性的硫酸離子起作用,通過腐蝕的進行,用放射性物質(zhì)自動檢測技術(shù)求出它們在銹層防蝕性弱的部分集聚成點狀時的分布,從而證明在耐候鋼中腐蝕繼續(xù)進行的點狀部分隨著大氣暴曬時間的增長而減少。并且,銹層的電化學性質(zhì)也已經(jīng)相當清楚。
1975~1985年(昭和50年代)耐候鋼在建筑物上的裸露使用減少了.銹穩(wěn)定化處理使用也在大樓外裝面板等用途上減少了,而它的用途以扶手、紀念塔、牌坊等不是面板狀的構(gòu)件或者工藝性高的特殊形狀的結(jié)構(gòu)物為主。
在大樓的外裝部分大面積使用裸露耐候鋼的意義,雖然包含著當初認為也可以不涂漆的經(jīng)濟上的優(yōu)點,可是并不一定對用戶有吸引力,甚至有人對其優(yōu)點持懷疑觀點,好像更關(guān)注外觀的工藝性,所以說,良好的外觀是極為重要的。1965~1975年(昭和40年代)由于大氣腐蝕的影響,在那時裸露使用耐候鋼建筑物的銹層狀況,還沒有使用戶十分滿意。
大氣的腐蝕性由于地區(qū)不同而有差異,銹層穩(wěn)定化的穩(wěn)定度也取決于結(jié)構(gòu)物形狀,所以必須預測每個構(gòu)件裸露使用的妥當性或銹層穩(wěn)定性的時效變化,這種預測主要取決于專家的經(jīng)驗,而缺乏技術(shù)的客觀性。這個問題以后隨著耐候鋼在橋梁上裸露使用的擴大已經(jīng)得到解決。