在日本能夠生產耐候鋼的1960年(昭和35年)后的數年間,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(shi)相比它更加美(mei)麗,這對(dui)耐(nai)候(hou)(hou)鋼(gang)的裸露(lu)使(shi)用(yong)的自信(xin)和信(xin)任形成(cheng)了強有(you)力的基(ji)礎。雖然耐(nai)候(hou)(hou)鋼(gang)在(zai)(zai)日(ri)本作為(wei)強度材料還沒有(you)裸露(lu)使(shi)用(yong),可(ke)(ke)是我想那個時(shi)代必將來(lai)臨。因此(ci),我認為(wei)不(bu)僅暴曬試驗,而且包括結(jie)構(gou)(gou)因素(su)在(zai)(zai)內(nei)的實用(yong)數據不(bu)可(ke)(ke)缺少,未(wei)來(lai)在(zai)(zai)日(ri)本第一個使(shi)用(yong)耐(nai)候(hou)(hou)鋼(gang)的結(jie)構(gou)(gou)物(wu)成(cheng)功與否(fou)對(dui)以后(hou)的發(fa)展有(you)很(hen)大影響。
在初(chu)期采用(yong)了(le)裸露耐候鋼(gang)的建筑(zhu)物(wu)中,人所(suo)共知的是(shi)鐮倉近代美術(shu)館(1966年(nian)(nian)(nian)(nian)(昭和(he)41年(nian)(nian)(nian)(nian)),用(yong)于(yu)鋼(gang)骨、屋頂(ding)、窗框(kuang))、東(dong)京茅場町(ding)的鐵鋼(gang)會館(1966年(nian)(nian)(nian)(nian)(昭和(he)41年(nian)(nian)(nian)(nian)),用(yong)于(yu)欄桿、部(bu)分外裝面(mian)(mian)板(ban)、屋上周圍的防護(hu)面(mian)(mian)板(ban))、川崎市的NKK京濱(bin)大廈(1968年(nian)(nian)(nian)(nian)(昭和(he)43年(nian)(nian)(nian)(nian)),用(yong)于(yu)屋上的頂(ding)屋、大廈的外裝面(mian)(mian)板(ban))等。其(qi)他主(zhu)要的建筑(zhu)物(wu)示(shi)于(yu)表(biao)2-4。



這(zhe)些耐(nai)候鋼(gang)(gang)的(de)(de)穩定(ding)銹層形(xing)(xing)成過(guo)(guo)程不像(xiang)在美國那樣順利。妨礙耐(nai)候鋼(gang)(gang)穩定(ding)銹層形(xing)(xing)成的(de)(de)環(huan)境因子(zi)包括大氣(qi)中所含(han)過(guo)(guo)量的(de)(de)鹽離子(zi)及亞硫酸氣(qi)體。即使(shi)它們在大氣(qi)中的(de)(de)濃度(du)相同,像(xiang)大氣(qi)暴曬試片上(shang)被雨水(shui)沖洗的(de)(de)場合,因附著量減少能降低它的(de)(de)作用(yong),可是在實際的(de)(de)建筑物(wu)上(shang)除了屋(wu)頂以(yi)外(wai),雨的(de)(de)洗凈(jing)效果(guo)受到(dao)限制(zhi)。
其(qi)結果是,一(yi)旦海鹽粒子(zi)或SO2(被(bei)氧化后變(bian)成(cheng)硫酸(suan)起作用(yong))表(biao)面(mian)附著量過多時,不僅產生銹(xiu)層剝離,增(zeng)大腐(fu)蝕,而且使外觀變(bian)壞。
圖2-8 示出了大氣中的SOx濃(nong)度(du)隨時間變(bian)化的測定情況。在(zai)都市或工業地(di)區,20世(shi)紀60年代(昭和40年代)中期的SO,濃(nong)度(du)是(shi)現(xian)在(zai)的數倍以上(shang),對(dui)耐(nai)候鋼形成穩定銹層來說還(huan)不是(shi)太(tai)好(hao)的環境。

以NKK京濱大(da)樓(lou)為例,耐候(hou)鋼是(shi)(shi)作為外部(bu)凹(ao)面縱向(xiang)使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)槽(cao)形構件,它(ta)寬800mm,高200mm,可(ke)是(shi)(shi)由于(yu)處于(yu)工業(ye)地區(qu),大(da)氣中SO含量多(duo),降雨(yu)(yu)(yu)(yu)時受風(feng)向(xiang)的(de)(de)(de)影響被(bei)(bei)雨(yu)(yu)(yu)(yu)沖洗(xi)的(de)(de)(de)部(bu)分僅限于(yu)東南西北的(de)(de)(de)一個(ge)方(fang)向(xiang),而且(qie)比外面凹(ao)下(xia)200mm,所以即使(shi)在被(bei)(bei)雨(yu)(yu)(yu)(yu)淋的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)上也不可(ke)能(neng)全(quan)部(bu)被(bei)(bei)沖洗(xi)。建(jian)成(cheng)初期(qi),銹(xiu)(xiu)(xiu)的(de)(de)(de)脫落顯著(zhu),在降雨(yu)(yu)(yu)(yu)之后,雨(yu)(yu)(yu)(yu)中析出的(de)(de)(de)硫酸鐵帶有白色污垢(gou)。該(gai)大(da)樓(lou)的(de)(de)(de)耐候(hou)鋼使(shi)用(yong)10年左右,隨著(zhu)時間增長,銹(xiu)(xiu)(xiu)層(ceng)也增厚,以及因環境的(de)(de)(de)改善而降低了SOx濃度,使(shi)銹(xiu)(xiu)(xiu)層(ceng)穩(wen)定(ding)化(hua),成(cheng)為相當良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)狀態(tai)。25年后的(de)(de)(de)今天,銹(xiu)(xiu)(xiu)已經呈(cheng)現出良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)化(hua)外觀(guan)。
如果從20世紀60年(nian)代至70年(nian)代后期(昭和40年(nian)代到(dao)50年(nian)代初期)日本的(de)(de)耐候鋼在建(jian)筑物上的(de)(de)裸露使用情況看,銹穩定化并不(bu)像(xiang)美國那樣(yang)順利,相當(dang)一般。其原(yuan)因是(shi)比較靠近海(hai)受(shou)海(hai)鹽粒子的(de)(de)影響(xiang),當(dang)時在城市、工(gong)業地區SOx濃度高(gao)、潮(chao)濕等,可(ke)是(shi)真正的(de)(de)理由(you)并不(bu)清楚。最引起關注的(de)(de)SO4濃度在美國有(you)的(de)(de)地區也很高(gao),雖然已經看到(dao)了(le)硫酸鐵的(de)(de)污(wu)垢,但是(shi)沒有(you)成為(wei)很大(da)的(de)(de)問題。
作為其他理由,雖然還可以舉(ju)出(chu)日(ri)本(ben)國(guo)(guo)土狹小、人和建筑物(wu)的距離近,而且日(ri)本(ben)國(guo)(guo)民對美觀或彩色(se)有敏感性(xing),可是即使到美國(guo)(guo)Chicago Civic Centen 大(da)樓跟前(qian)去看耐(nai)候鋼(gang)的裸露使用(yong)也具有非常良好(hao)的狀態。
如果歸納主(zhu)(zhu)要(yao)問(wen)題(ti)有如下(xia)幾(ji)點:(1)初期(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)淺紅銹(xiu)(xiu)的(de)(de)(de)(de)生成;(2)由于方向、位(wei)置而(er)引(yin)起(qi)的(de)(de)(de)(de)初期(qi)(qi)銹(xiu)(xiu)的(de)(de)(de)(de)色(se)斑;(3)條件壞(huai)的(de)(de)(de)(de)場合下(xia)銹(xiu)(xiu)的(de)(de)(de)(de)局部剝離;(4)銹(xiu)(xiu)飛散時對(dui)周圍環(huan)境(jing)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響;(5)流經表面含(han)有鐵離子的(de)(de)(de)(de)雨水(shui)所(suo)引(yin)起(qi)的(de)(de)(de)(de)對(dui)混凝土(tu)等周圍多孔物(wu)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)紅色(se)污染。以(yi)上幾(ji)點主(zhu)(zhu)要(yao)是外觀上的(de)(de)(de)(de)問(wen)題(ti)。如果銹(xiu)(xiu)的(de)(de)(de)(de)穩(wen)定化(hua)速度慢(man),則在(zai)這期(qi)(qi)間的(de)(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)大(da)(da),而(er)且材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)減厚也快,絕對(dui)值只要(yao)能達(da)到穩(wen)定化(hua)就沒有大(da)(da)問(wen)題(ti),并且它(ta)很少(shao)作為(wei)結構物(wu)的(de)(de)(de)(de)強度材(cai)料(liao)使用(yong),所(suo)以(yi)能否達(da)到銹(xiu)(xiu)的(de)(de)(de)(de)穩(wen)定化(hua),初期(qi)(qi)外觀的(de)(de)(de)(de)惡化(hua)到什(shen)么程度,成為(wei)人們主(zhu)(zhu)要(yao)關心(xin)的(de)(de)(de)(de)問(wen)題(ti)。
為了避免耐候鋼初期(qi)的(de)(de)外觀不(bu)良,或(huo)者在(zai)一(yi)定程度上(shang)減少銹(xiu)穩定化之前的(de)(de)腐(fu)蝕(shi),開發了所謂的(de)(de)促(cu)進銹(xiu)穩定化的(de)(de)表面處理法(fa)。這種處理法(fa)不(bu)是(shi)為了使腐(fu)蝕(shi)的(de)(de)進行停止,而是(shi)在(zai)一(yi)定程度上(shang)減緩腐(fu)蝕(shi)進行的(de)(de)同(tong)時,增加由腐(fu)蝕(shi)生成(cheng)的(de)(de)鐵(tie)離子或(huo)銹(xiu)停留(liu)在(zai)鋼表面上(shang)的(de)(de)比(bi)率,幫(bang)助形成(cheng)銹(xiu)層,減輕(qing)對周圍污損(sun)的(de)(de)方法(fa)。
這(zhe)種(zhong)表面(mian)處理(li)一時(shi)被(bei)稱為“銹(xiu)穩(wen)定(ding)(ding)化(hua)促進(jin)處理(li)”。而(er)且因為銹(xiu)層達(da)到穩(wen)定(ding)(ding)化(hua)以前的時(shi)間(jian)比(bi)裸鋼長所(suo)以決不(bu)能(neng)被(bei)稱為“促進(jin)”。因而(er),現在(zai)固(gu)定(ding)(ding)下(xia)來的“銹(xiu)穩(wen)定(ding)(ding)化(hua)處理(li)”是合適的名稱。但是,表面(mian)處理(li)覆膜隨著時(shi)間(jian)而(er)發(fa)生劣化(hua),為了按照其(qi)意圖形成、保持原(yuan)來的銹(xiu)層,需要(yao)有(you)和使(shi)用裸露(lu)鋼相同的環境特性,所(suo)以在(zai)不(bu)能(neng)達(da)到銹(xiu)穩(wen)定(ding)(ding)化(hua)的環境條件下(xia)使(shi)用裸露(lu)鋼,即使(shi)進(jin)行穩(wen)定(ding)(ding)化(hua)處理(li)也不(bu)能(neng)夠實(shi)現穩(wen)定(ding)(ding)化(hua)。
像這樣(yang)的(de)(de)(de)(de)銹(xiu)穩定(ding)化(hua)處理(li)是日(ri)本獨特的(de)(de)(de)(de)技術(shu),其(qi)中第一(yi)號是日(ri)本磷化(hua)處理(li)(パーカライジング)公(gong)(gong)司(si)開發的(de)(de)(de)(de)方法(fa)。這種方法(fa)從1966年(nian)(nian)(昭和(he)41年(nian)(nian))開始實(shi)用化(hua),當時分為只(zhi)磷酸(suan)鹽處理(li)的(de)(de)(de)(de)規格和(he)在其(qi)上(shang)進行丙烯系薄涂漆(qi)的(de)(de)(de)(de)規格,后(hou)來變成只(zhi)有(you)(you)后(hou)者一(yi)種。以后(hou)開發的(de)(de)(de)(de)現在正在使(shi)用的(de)(de)(de)(de)方法(fa)有(you)(you)CUPTEN涂層(ceng)法(fa)(NKK公(gong)(gong)司(si))、RS涂層(ceng)法(fa)(川(chuan)崎制(zhi)鐵公(gong)(gong)司(si))等,初期(qi)的(de)(de)(de)(de)外觀都是涂漆(qi)拋(pao)光。
耐候鋼的(de)使(shi)用特性不僅只依賴于化學的(de)環境條(tiao)件(jian),而且也顯著地(di)受除去附著在表面上(shang)有害物質的(de)降雨洗凈作用的(de)大小、積存雨水的(de)難易程(cheng)度等有關的(de)結(jie)構(gou)物的(de)形狀的(de)影響。
曾(ceng)經(jing)進(jin)行過關(guan)于(yu)暴曬試驗(yan)中(zhong)的暴曬角度或(huo)雨遮蔽度影響的研(yan)究(jiu);而(er)日本(ben)諸石等人(ren)也就此做(zuo)了(le)研(yan)究(jiu)(參照2.4.2節)。所有的報(bao)告都證明在不(bu)容易(yi)受到雨水(shui)洗凈(jing)作用的背面腐蝕(shi)大(da)。
住(zhu)友金(jin)屬公(gong)司或(huo)NKK公(gong)司于20世紀60年(nian)代后(hou)期(昭(zhao)和(he)40年(nian)代前期)曾設置試(shi)驗房屋或(huo)者(zhe)模(mo)型(xing)結構物,更詳(xiang)(xiang)細(xi)地研究了構件的角度(du)、方向(xiang)、對雨水遮蔽度(du)等的影響(xiang)。在2.4.2節詳(xiang)(xiang)細(xi)敘述,已經(jing)定(ding)量地掌(zhang)握(wo)了SOx污染越嚴(yan)重的地區這些結構因子的影響(xiang)越大。
這(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)研究提高了耐候鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)裸(luo)露使用的(de)(de)(de)(de)應用技術(shu),對于促進耐候鋼(gang)在(zai)(zai)(zai)實際(ji)使用條件下(xia)更好地(di)發揮優(you)秀(xiu)性(xing)能的(de)(de)(de)(de)構造設計的(de)(de)(de)(de)進步具(ju)有重要(yao)用。作為把油或劃(hua)線等從表面(mian)除(chu)去以及不積(ji)存雨水(shui)的(de)(de)(de)(de)設計,不使周(zhou)圍的(de)(de)(de)(de)混凝土被銹色污染,在(zai)(zai)(zai)結(jie)構上需(xu)要(yao)考慮的(de)(de)(de)(de)事項,刊登在(zai)(zai)(zai)U.S.Steel公司的(de)(de)(de)(de)文獻或技術(shu)資(zi)料(liao)中,該公司設有委員會進行有關(guan)應用技術(shu)的(de)(de)(de)(de)用戶服務。實際(ji)上,正像ChicagoCivic Center 面(mian)向廣場大樓外圍柱上流下(xia)的(de)(de)(de)(de)雨水(shui)不污染混凝土地(di)面(mian)那樣,事先采取(qu)了在(zai)(zai)(zai)柱下(xia)部(bu)的(de)(de)(de)(de)周(zhou)圍設置小(xiao)排水(shui)孔(kong)等措施。
例如日本(ben)NKK京濱大樓(lou)周圍(wei)一(yi)定寬(kuan)度的(de)地面上放上砂子,不讓雨水產生的(de)污染向四周擴散,同時不讓人看(kan)見,根據情況可以更(geng)換砂子。而且,在美國關(guan)于(yu)SO.濃度和構(gou)造設計的(de)關(guan)系,尚未在實際業務上引起注(zhu)意,使用前述的(de)模(mo)型結(jie)構(gou)物(wu)的(de)研究,反映了當(dang)時日本(ben)的(de)實際情況。
關于建(jian)筑領域的(de)(de)(de)應用技術文獻發表得非常少。隨著耐候(hou)鋼在(zai)建(jian)筑物上裸(luo)露使(shi)用的(de)(de)(de)增加,應用技術有(you)(you)了較大的(de)(de)(de)進步,它成為了后來盛行(xing)的(de)(de)(de)耐候(hou)鋼在(zai)橋梁上裸(luo)露使(shi)用技術的(de)(de)(de)基礎。然而在(zai)近年的(de)(de)(de)橋梁領域里(2.2.3節)已經有(you)(you)了建(jian)筑物領域不可(ke)比擬的(de)(de)(de)更詳細而具體的(de)(de)(de)應用技術。
在建筑領域里的裸露使用技(ji)術(shu)成為(wei)原動力的研(yan)究有:關(guan)于耐候(hou)鋼(gang)穩定(ding)銹層(ceng)防蝕性的本質、合金元(yuan)素(su)的作(zuo)用及其機構、銹層(ceng)穩定(ding)化(hua)的過程等(deng)。
1967年(昭和(he)42年)秋,在(zai)札幌召開的(de)(de)(de)日本鐵鋼(gang)協會(hui)第(di)74次(ci)講演(yan)大會(hui)上,“耐候鋼(gang)的(de)(de)(de)銹及其(qi)防蝕效果”被選定為(wei)討論會(hui)的(de)(de)(de)題目,在(zai)討論會(hui)上發表(biao)了4篇(pian),在(zai)一(yi)般講演(yan)中發表(biao)了5篇(pian)相關(guan)(guan)的(de)(de)(de)研究報(bao)告。這可(ke)以說是日本最(zui)早發表(biao)的(de)(de)(de)關(guan)(guan)于耐候鋼(gang)的(de)(de)(de)實質(zhi)性的(de)(de)(de)研究報(bao)告。這次(ci)發表(biao)的(de)(de)(de)大部分報(bao)告已(yi)成(cheng)為(wei)現(xian)在(zai)對(dui)耐候鋼(gang)銹層的(de)(de)(de)考慮(lv)方法的(de)(de)(de)基礎(chu)。表(biao)2-5出示了講演(yan)題目。關(guan)(guan)于這些(xie)研究將在(zai)2.3.1節詳細敘述,而且(qie)久松就(jiu)當時的(de)(de)(de)研究發表(biao)過一(yi)篇(pian)優秀的(de)(de)(de)總論(卷末資(zi)料3)。


關(guan)于耐候鋼銹(xiu)層的(de)防(fang)(fang)蝕機構(gou)(gou)或合金元素(su)在(zai)銹(xiu)中(zhong)的(de)分布,在(zai)這(zhe)以前(qian)美(mei)國(guo)曾有(you)幾個(ge)報(bao)道,其中(zhong)幾篇相當著名,并且最初拍攝(she)了銹(xiu)層斷面(mian)顯微(wei)照片的(de)人可以被認為是Horton[26].雖(sui)然(ran)在(zai)銹(xiu)層上(shang)有(you)銹(xiu)的(de)化學成分、X射線結晶(jing)構(gou)(gou)造、織構(gou)(gou)、電(dian)化學性質等多項值得注意(yi)的(de)特性,然(ran)而在(zai)詳(xiang)細(xi)研究耐候鋼銹(xiu)層的(de)織構(gou)(gou)或電(dian)化學性質和(he)防(fang)(fang)蝕能力的(de)關(guan)系的(de)報(bao)告(gao)中(zhong),札幌的(de)這(zhe)些報(bao)告(gao)在(zai)世(shi)界上(shang)也是最早的(de),而且具(ju)有(you)說服力。
例如(ru),岡(gang)田等(deng)敘述,在(zai)(zai)靠近銹(xiu)(xiu)層(ceng)(ceng)的(de)鋼(gang)基體部分(fen)使(shi)用(yong)偏光(guang)顯微(wei)鏡作(zuo)為(wei)消光(guang)層(ceng)(ceng),能觀察到X射線非晶(jing)質的(de)銹(xiu)(xiu),它(ta)在(zai)(zai)耐候鋼(gang)中連續形成(cheng)具有防蝕(shi)性(xing)。增(zeng)子(zi)(zi)等(deng)報(bao)告了(le)在(zai)(zai)制作(zuo)人工銹(xiu)(xiu)時(shi)(shi)(shi),除(chu)鐵(tie)以外(wai),像銅那樣對耐候鋼(gang)有效(xiao)的(de)合金元素的(de)離子(zi)(zi)共存時(shi)(shi)(shi),銹(xiu)(xiu)變成(cheng)非晶(jing)質有助于防蝕(shi)性(xing)銹(xiu)(xiu)的(de)生(sheng)成(cheng)。松島等(deng)在(zai)(zai)大氣(qi)暴(bao)曬(shai)時(shi)(shi)(shi)間(jian)不同的(de)耐候鋼(gang)和(he)碳(tan)素鋼(gang)的(de)銹(xiu)(xiu)層(ceng)(ceng)上(shang),使(shi)其與放射性(xing)的(de)硫酸離子(zi)(zi)起作(zuo)用(yong),通過腐蝕(shi)的(de)進行,用(yong)放射性(xing)物質自動(dong)檢(jian)測技術求出它(ta)們(men)在(zai)(zai)銹(xiu)(xiu)層(ceng)(ceng)防蝕(shi)性(xing)弱的(de)部分(fen)集聚(ju)成(cheng)點狀(zhuang)時(shi)(shi)(shi)的(de)分(fen)布(bu),從而(er)(er)證明在(zai)(zai)耐候鋼(gang)中腐蝕(shi)繼續進行的(de)點狀(zhuang)部分(fen)隨著大氣(qi)暴(bao)曬(shai)時(shi)(shi)(shi)間(jian)的(de)增(zeng)長而(er)(er)減少。并且(qie),銹(xiu)(xiu)層(ceng)(ceng)的(de)電化學(xue)性(xing)質也已經相當清楚。
1975~1985年(nian)(昭(zhao)和50年(nian)代(dai))耐(nai)候鋼在建筑物(wu)上的(de)裸露(lu)使用減少了(le).銹穩定(ding)化處理使用也在大樓外(wai)裝面(mian)板等用途上減少了(le),而它(ta)的(de)用途以扶手、紀(ji)念塔、牌坊等不是面(mian)板狀(zhuang)的(de)構件或(huo)者工藝性高(gao)的(de)特殊形狀(zhuang)的(de)結構物(wu)為主。
在大(da)樓(lou)的(de)(de)外裝部分大(da)面(mian)積使用裸露耐(nai)(nai)候鋼(gang)的(de)(de)意義(yi),雖然包含著當(dang)初認為也可(ke)以不涂漆(qi)的(de)(de)經濟上(shang)的(de)(de)優點(dian),可(ke)是并不一定對用戶有(you)吸引力,甚(shen)至有(you)人對其優點(dian)持懷疑觀點(dian),好像更(geng)關注外觀的(de)(de)工藝性,所以說(shuo),良好的(de)(de)外觀是極為重要的(de)(de)。1965~1975年(昭和(he)40年代)由于大(da)氣腐(fu)蝕的(de)(de)影響,在那(nei)時裸露使用耐(nai)(nai)候鋼(gang)建筑物的(de)(de)銹(xiu)層狀況,還沒有(you)使用戶十分滿意。
大氣(qi)的腐(fu)蝕性(xing)由于地區不同(tong)而有差異,銹(xiu)(xiu)層穩定化的穩定度(du)也(ye)取決于結構物形狀(zhuang),所以必須預(yu)測(ce)(ce)每個構件裸(luo)露(lu)使用(yong)的妥當性(xing)或銹(xiu)(xiu)層穩定性(xing)的時(shi)效變化,這種預(yu)測(ce)(ce)主(zhu)要取決于專家的經(jing)驗,而缺乏技術的客觀性(xing)。這個問題以后(hou)隨著耐候鋼在橋(qiao)梁上裸(luo)露(lu)使用(yong)的擴大已(yi)經(jing)得到解決。

