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(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。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,而且包括結構因素在內的實用數據不可缺少,未來在日本第一個使用耐候鋼的結構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。


表 8.jpg


 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。最引起關注的SO4濃度在美國有的地區(qū)也很高,雖然已經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,并且它很少作為結構物的強度材料使用,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)定化處理也不能夠實現(xiàn)穩(wěn)定化。


像這樣的銹穩(wěn)定化處理是日本獨特的技術,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的降雨洗凈作用的大小、積存雨水的難易程度等有關的結構物的形狀的影響。



曾經進行過關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)曾設置試驗房屋或者模型結構物,更詳細地研究了構件的角度、方向、對雨水遮蔽度等的影響。在2.4.2節(jié)詳細敘述,已經定量地掌握了SOx污染越嚴重的地區(qū)這些結構因子的影響越大。


這樣的研究提高了耐候鋼的裸露使用的應用技術,對于促進耐候鋼在實際使用條件下更好地發(fā)揮優(yōu)秀性能的構造設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計,不使周圍的混凝土被銹色污染,在結構上需要考慮的事項,刊登在U.S.Steel公司的文獻或技術資料中,該公司設有委員會進行有關應用技術的用戶服務。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,不讓雨水產生的污染向四周擴散,同時不讓人看見,根據情況可以更換砂子。而且,在美國關于SO.濃度和構造設計的關系,尚未在實際業(yè)務上引起注意,使用前述的模型結構物的研究,反映了當時日本的實際情況。


關于建筑領域的應用技術文獻發(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的基礎。然而在近年的橋梁領域里(2.2.3節(jié))已經有了建筑物領域不可比擬的更詳細而具體的應用技術。


在建筑領域里的裸露使用技術成為原動力的研究有:關于耐候鋼穩(wěn)定銹層防蝕性的本質、合金元素的作用及其機構、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篇相關的研究報告。這可以說是日本最早發(fā)表的關于耐候鋼的實質性的研究報告。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。表2-5出示了講演題目。關于這些研究將在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)。


表 5.jpg

表 5.1.jpg


 關于耐候鋼銹層的防蝕機構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射線結晶構造、織構、電化學性質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或電化學性質和防蝕能力的關系的報告中,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,用放射性物質自動檢測技術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,銹層的電化學性質也已經相當清楚。


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件或者工藝性高的特殊形狀的結構物為主。


 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)定度也取決于結構物形狀,所以必須預測每個構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驗,而缺乏技術的客觀性。這個問題以后隨著耐候鋼在橋梁上裸露使用的擴大已經得到解決。