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年前見過時相(xiang)比它更加美麗,這對(dui)耐(nai)候鋼的裸露使(shi)(shi)用的自信和信任形成了強(qiang)有力的基礎(chu)。雖然耐(nai)候鋼在(zai)(zai)日(ri)本作為強(qiang)度材料還(huan)沒有裸露使(shi)(shi)用,可是我想那個時代必將(jiang)來臨。因此,我認為不僅暴曬試驗,而且包括(kuo)結(jie)構(gou)因素在(zai)(zai)內的實用數據不可缺少(shao),未(wei)來在(zai)(zai)日(ri)本第一個使(shi)(shi)用耐(nai)候鋼的結(jie)構(gou)物成功與否對(dui)以后的發展有很(hen)大影響。
在初期采用(yong)了裸露耐候鋼的(de)(de)(de)建(jian)筑物(wu)中,人所共知(zhi)的(de)(de)(de)是鐮倉近代美術館(guan)(1966年(nian)(nian)(昭(zhao)和(he)41年(nian)(nian)),用(yong)于(yu)鋼骨、屋(wu)頂、窗框)、東京(jing)(jing)茅場町的(de)(de)(de)鐵鋼會館(guan)(1966年(nian)(nian)(昭(zhao)和(he)41年(nian)(nian)),用(yong)于(yu)欄桿(gan)、部分外(wai)(wai)裝面(mian)板(ban)、屋(wu)上周圍的(de)(de)(de)防(fang)護面(mian)板(ban))、川崎市的(de)(de)(de)NKK京(jing)(jing)濱(bin)大廈(1968年(nian)(nian)(昭(zhao)和(he)43年(nian)(nian)),用(yong)于(yu)屋(wu)上的(de)(de)(de)頂屋(wu)、大廈的(de)(de)(de)外(wai)(wai)裝面(mian)板(ban))等。其他主要的(de)(de)(de)建(jian)筑物(wu)示(shi)于(yu)表2-4。
這些耐候鋼(gang)的(de)穩定銹層(ceng)形成過程不像在美國那樣順利。妨(fang)礙耐候鋼(gang)穩定銹層(ceng)形成的(de)環境因子(zi)包括大氣(qi)(qi)中所(suo)含過量(liang)的(de)鹽離子(zi)及亞(ya)硫酸氣(qi)(qi)體。即使它們在大氣(qi)(qi)中的(de)濃(nong)度相同,像大氣(qi)(qi)暴曬試片上(shang)被雨(yu)水沖洗的(de)場合,因附著量(liang)減(jian)少能降(jiang)低它的(de)作用,可是(shi)在實際(ji)的(de)建筑物上(shang)除了屋頂以外,雨(yu)的(de)洗凈(jing)效果(guo)受到限制。
其結果是,一(yi)旦海(hai)鹽粒(li)子或SO2(被氧化(hua)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(shi),而且使(shi)外觀變壞。
圖2-8 示出了(le)大氣中的(de)SOx濃(nong)度(du)隨時間變化的(de)測定情況(kuang)。在(zai)都市或(huo)工(gong)業地區,20世紀60年代(昭(zhao)和40年代)中期的(de)SO,濃(nong)度(du)是現在(zai)的(de)數倍以上(shang),對(dui)耐候鋼形成穩定銹層(ceng)來(lai)說(shuo)還不是太好的(de)環境。
以(yi)NKK京濱大樓(lou)為(wei)例,耐(nai)候鋼(gang)是作為(wei)外(wai)部(bu)凹(ao)(ao)面縱向使(shi)用的(de)槽形構(gou)件,它寬800mm,高200mm,可是由(you)于(yu)(yu)(yu)處(chu)于(yu)(yu)(yu)工業地(di)區,大氣中SO含量多,降(jiang)(jiang)雨時受風向的(de)影響(xiang)被(bei)雨沖洗(xi)的(de)部(bu)分僅限于(yu)(yu)(yu)東南西北的(de)一個(ge)方向,而且(qie)比外(wai)面凹(ao)(ao)下200mm,所以(yi)即使(shi)在被(bei)雨淋(lin)的(de)方向上也不可能全部(bu)被(bei)沖洗(xi)。建成初期,銹(xiu)的(de)脫落(luo)顯著,在降(jiang)(jiang)雨之后,雨中析(xi)出的(de)硫酸鐵帶(dai)有(you)白色污垢。該(gai)大樓(lou)的(de)耐(nai)候鋼(gang)使(shi)用10年左(zuo)右,隨著時間增(zeng)長,銹(xiu)層也增(zeng)厚,以(yi)及因(yin)環境(jing)的(de)改(gai)善(shan)而降(jiang)(jiang)低了SOx濃(nong)度,使(shi)銹(xiu)層穩定化,成為(wei)相(xiang)當良好的(de)狀態。25年后的(de)今(jin)天,銹(xiu)已經呈現出良好的(de)穩定化外(wai)觀(guan)。
如果從20世紀60年(nian)代(dai)(dai)至(zhi)70年(nian)代(dai)(dai)后期(昭和40年(nian)代(dai)(dai)到50年(nian)代(dai)(dai)初期)日本的(de)耐(nai)候(hou)鋼(gang)在建筑物(wu)上的(de)裸(luo)露使用情況看,銹穩(wen)定化并不像美國(guo)那樣順利(li),相當一(yi)般。其原因是比較靠(kao)近海受海鹽粒子的(de)影響,當時在城(cheng)市、工(gong)業(ye)地(di)區SOx濃度高(gao)、潮濕等,可是真(zhen)正的(de)理由并不清(qing)楚(chu)。最(zui)引起(qi)關注的(de)SO4濃度在美國(guo)有(you)的(de)地(di)區也很高(gao),雖(sui)然已經看到了硫酸鐵的(de)污垢,但是沒有(you)成為很大的(de)問題。
作(zuo)為其他理由,雖(sui)然還可以舉出日本(ben)國(guo)土(tu)狹小、人(ren)和建筑物(wu)的距離近,而且日本(ben)國(guo)民對美觀或彩(cai)色(se)有敏感性,可是即使(shi)到美國(guo)Chicago Civic Centen 大樓跟前去(qu)看耐候鋼的裸露使(shi)用(yong)也具有非常良好的狀態。
如果(guo)歸納主要問題(ti)(ti)有如下(xia)幾點(dian):(1)初(chu)期(qi)的(de)(de)淺紅銹的(de)(de)生成(cheng)(cheng);(2)由于方向(xiang)、位置而(er)引起的(de)(de)初(chu)期(qi)銹的(de)(de)色(se)(se)斑(ban);(3)條件(jian)壞的(de)(de)場合下(xia)銹的(de)(de)局(ju)部剝離(li);(4)銹飛散時對(dui)周(zhou)圍環(huan)境的(de)(de)影響(xiang);(5)流經(jing)表面(mian)含有鐵離(li)子的(de)(de)雨水(shui)所引起的(de)(de)對(dui)混凝土等周(zhou)圍多孔物(wu)質(zhi)的(de)(de)紅色(se)(se)污(wu)染。以上(shang)幾點(dian)主要是外觀(guan)上(shang)的(de)(de)問題(ti)(ti)。如果(guo)銹的(de)(de)穩定(ding)化(hua)(hua)速度(du)慢,則在這期(qi)間的(de)(de)腐蝕大,而(er)且(qie)材(cai)料的(de)(de)減(jian)厚也快,絕對(dui)值只(zhi)要能達到(dao)(dao)穩定(ding)化(hua)(hua)就沒有大問題(ti)(ti),并且(qie)它很少作為(wei)結構物(wu)的(de)(de)強度(du)材(cai)料使用(yong),所以能否達到(dao)(dao)銹的(de)(de)穩定(ding)化(hua)(hua),初(chu)期(qi)外觀(guan)的(de)(de)惡化(hua)(hua)到(dao)(dao)什么程度(du),成(cheng)(cheng)為(wei)人們主要關心的(de)(de)問題(ti)(ti)。
為(wei)了(le)避免耐(nai)候鋼初期的(de)外觀不(bu)良(liang),或者(zhe)在一定程度(du)上(shang)(shang)減(jian)少銹穩定化之前的(de)腐蝕,開發了(le)所謂的(de)促進(jin)(jin)銹穩定化的(de)表面處理法(fa)(fa)。這(zhe)種(zhong)處理法(fa)(fa)不(bu)是(shi)為(wei)了(le)使腐蝕的(de)進(jin)(jin)行(xing)停(ting)止,而是(shi)在一定程度(du)上(shang)(shang)減(jian)緩腐蝕進(jin)(jin)行(xing)的(de)同時,增加由腐蝕生成的(de)鐵離子或銹停(ting)留在鋼表面上(shang)(shang)的(de)比率,幫助形成銹層,減(jian)輕對周(zhou)圍污損(sun)的(de)方法(fa)(fa)。
這種表面(mian)處理一(yi)時被(bei)稱為(wei)“銹(xiu)穩(wen)(wen)定(ding)化(hua)(hua)促(cu)進(jin)處理”。而(er)(er)且(qie)因為(wei)銹(xiu)層達到(dao)穩(wen)(wen)定(ding)化(hua)(hua)以(yi)前的時間(jian)比裸鋼長所(suo)以(yi)決不能被(bei)稱為(wei)“促(cu)進(jin)”。因而(er)(er),現(xian)在(zai)固(gu)定(ding)下來的“銹(xiu)穩(wen)(wen)定(ding)化(hua)(hua)處理”是(shi)(shi)合適的名稱。但是(shi)(shi),表面(mian)處理覆膜隨(sui)著(zhu)時間(jian)而(er)(er)發生劣(lie)化(hua)(hua),為(wei)了按照(zhao)其意圖形(xing)成(cheng)、保持原來的銹(xiu)層,需要有(you)和使用裸露鋼相同的環(huan)境特(te)性,所(suo)以(yi)在(zai)不能達到(dao)銹(xiu)穩(wen)(wen)定(ding)化(hua)(hua)的環(huan)境條件下使用裸露鋼,即使進(jin)行穩(wen)(wen)定(ding)化(hua)(hua)處理也(ye)不能夠實現(xian)穩(wen)(wen)定(ding)化(hua)(hua)。
像(xiang)這樣(yang)的(de)銹穩定(ding)化(hua)處(chu)理(li)是(shi)日(ri)本(ben)獨特的(de)技術,其中第一號(hao)是(shi)日(ri)本(ben)磷化(hua)處(chu)理(li)(パーカライジング)公(gong)(gong)司(si)開(kai)發的(de)方(fang)法。這種(zhong)方(fang)法從1966年(nian)(昭(zhao)和41年(nian))開(kai)始實用(yong)(yong)化(hua),當時分為(wei)只(zhi)磷酸鹽處(chu)理(li)的(de)規(gui)格和在(zai)其上進行丙烯系薄(bo)涂(tu)漆(qi)的(de)規(gui)格,后來變(bian)成只(zhi)有后者一種(zhong)。以后開(kai)發的(de)現(xian)在(zai)正在(zai)使用(yong)(yong)的(de)方(fang)法有CUPTEN涂(tu)層法(NKK公(gong)(gong)司(si))、RS涂(tu)層法(川崎制鐵(tie)公(gong)(gong)司(si))等,初期的(de)外觀都是(shi)涂(tu)漆(qi)拋(pao)光。
耐候鋼的(de)(de)(de)使用特(te)性(xing)不僅只依賴于化學的(de)(de)(de)環境條件(jian),而且也顯(xian)著(zhu)地受(shou)除去附(fu)著(zhu)在表面上有(you)害物(wu)質的(de)(de)(de)降(jiang)雨(yu)洗凈(jing)作用的(de)(de)(de)大小、積存雨(yu)水的(de)(de)(de)難易程度等(deng)有(you)關(guan)的(de)(de)(de)結(jie)構物(wu)的(de)(de)(de)形狀(zhuang)的(de)(de)(de)影響。
曾經進行(xing)過關于暴曬試驗中的(de)暴曬角度或雨(yu)遮蔽度影(ying)響的(de)研(yan)(yan)究;而日本諸石等人也就此做了研(yan)(yan)究(參(can)照2.4.2節)。所有的(de)報告(gao)都證明在不容易受到雨(yu)水洗凈作用的(de)背面腐(fu)蝕(shi)大。
住友(you)金屬(shu)公(gong)司或NKK公(gong)司于20世紀(ji)60年(nian)代后期(昭和40年(nian)代前期)曾設置試驗房屋或者(zhe)模(mo)型結構(gou)物,更詳細地(di)研究了構(gou)件的(de)(de)角度、方向、對(dui)雨水遮蔽度等(deng)的(de)(de)影響(xiang)。在(zai)2.4.2節(jie)詳細敘述,已經定量(liang)地(di)掌握(wo)了SOx污染越嚴重(zhong)的(de)(de)地(di)區這些結構(gou)因子的(de)(de)影響(xiang)越大。
這樣的(de)研究提高了耐(nai)候(hou)鋼(gang)的(de)裸露使用(yong)(yong)的(de)應用(yong)(yong)技(ji)術(shu),對于促(cu)進耐(nai)候(hou)鋼(gang)在實際(ji)使用(yong)(yong)條件下更好地(di)發揮優(you)秀性能的(de)構(gou)造設計的(de)進步具有重要用(yong)(yong)。作為把油或劃線等從表面(mian)除去以(yi)及不積存雨(yu)水的(de)設計,不使周(zhou)(zhou)圍(wei)的(de)混凝土(tu)被銹(xiu)色污(wu)染(ran),在結構(gou)上需要考慮的(de)事項,刊登在U.S.Steel公司的(de)文獻或技(ji)術(shu)資料中(zhong),該公司設有委員(yuan)會進行(xing)有關應用(yong)(yong)技(ji)術(shu)的(de)用(yong)(yong)戶(hu)服務。實際(ji)上,正像ChicagoCivic Center 面(mian)向廣(guang)場(chang)大(da)樓外圍(wei)柱上流(liu)下的(de)雨(yu)水不污(wu)染(ran)混凝土(tu)地(di)面(mian)那(nei)樣,事先采取了在柱下部的(de)周(zhou)(zhou)圍(wei)設置(zhi)小排(pai)水孔等措施。
例如日(ri)本NKK京濱(bin)大樓周圍一定寬度的(de)(de)地面上放(fang)上砂子,不讓雨(yu)水產(chan)生的(de)(de)污染向四周擴散,同時不讓人看見,根據情(qing)(qing)況可以(yi)更換砂子。而且,在美(mei)國關(guan)于(yu)SO.濃(nong)度和構造設計的(de)(de)關(guan)系,尚未在實際業務上引起注意,使用前述的(de)(de)模型(xing)結(jie)構物的(de)(de)研究,反映(ying)了當時日(ri)本的(de)(de)實際情(qing)(qing)況。
關于建(jian)筑(zhu)領(ling)域的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)(yong)技(ji)術(shu)文獻發表得非(fei)常(chang)少。隨著(zhu)耐候鋼(gang)在(zai)建(jian)筑(zhu)物(wu)上(shang)(shang)裸露(lu)使用(yong)(yong)的(de)(de)增加(jia),應(ying)(ying)用(yong)(yong)技(ji)術(shu)有了(le)(le)較(jiao)大的(de)(de)進步(bu),它成為了(le)(le)后(hou)來(lai)盛行的(de)(de)耐候鋼(gang)在(zai)橋梁上(shang)(shang)裸露(lu)使用(yong)(yong)技(ji)術(shu)的(de)(de)基礎(chu)。然而在(zai)近年的(de)(de)橋梁領(ling)域里(2.2.3節)已經(jing)有了(le)(le)建(jian)筑(zhu)物(wu)領(ling)域不可比擬的(de)(de)更詳細而具體的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)(yong)技(ji)術(shu)。
在建筑領域里的(de)(de)裸露使用技術(shu)成為(wei)原動力的(de)(de)研究有(you):關(guan)于耐候鋼穩定銹(xiu)層防蝕性的(de)(de)本質、合金(jin)元素的(de)(de)作用及其機構、銹(xiu)層穩定化的(de)(de)過程等。
1967年(昭和42年)秋,在(zai)(zai)札幌召開的(de)(de)(de)(de)日本(ben)鐵鋼(gang)(gang)(gang)協會第74次講演(yan)大會上,“耐候(hou)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)銹(xiu)及其防蝕效果”被選定為討(tao)論(lun)會的(de)(de)(de)(de)題(ti)目,在(zai)(zai)討(tao)論(lun)會上發(fa)(fa)(fa)表(biao)了(le)(le)(le)4篇(pian),在(zai)(zai)一般(ban)講演(yan)中發(fa)(fa)(fa)表(biao)了(le)(le)(le)5篇(pian)相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)研究報(bao)告(gao)(gao)。這可以說是日本(ben)最(zui)早發(fa)(fa)(fa)表(biao)的(de)(de)(de)(de)關于(yu)耐候(hou)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)實質性的(de)(de)(de)(de)研究報(bao)告(gao)(gao)。這次發(fa)(fa)(fa)表(biao)的(de)(de)(de)(de)大部分報(bao)告(gao)(gao)已成(cheng)為現在(zai)(zai)對耐候(hou)鋼(gang)(gang)(gang)銹(xiu)層的(de)(de)(de)(de)考慮方法的(de)(de)(de)(de)基礎。表(biao)2-5出(chu)示了(le)(le)(le)講演(yan)題(ti)目。關于(yu)這些研究將(jiang)在(zai)(zai)2.3.1節(jie)詳細敘述,而且久松就當時(shi)的(de)(de)(de)(de)研究發(fa)(fa)(fa)表(biao)過(guo)一篇(pian)優(you)秀的(de)(de)(de)(de)總論(lun)(卷末資料3)。
關(guan)(guan)于耐(nai)候鋼(gang)銹(xiu)層的(de)(de)(de)防蝕機構或(huo)合金元(yuan)素在(zai)(zai)銹(xiu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)分布,在(zai)(zai)這(zhe)以前美國曾有幾(ji)個報道,其中(zhong)(zhong)幾(ji)篇相當著(zhu)名,并(bing)且最(zui)初拍(pai)攝了銹(xiu)層斷面(mian)顯微照片的(de)(de)(de)人可以被認(ren)為是Horton[26].雖然在(zai)(zai)銹(xiu)層上有銹(xiu)的(de)(de)(de)化學成分、X射線結晶(jing)構造、織(zhi)(zhi)構、電化學性(xing)質等多項值得注意的(de)(de)(de)特性(xing),然而(er)在(zai)(zai)詳細(xi)研究耐(nai)候鋼(gang)銹(xiu)層的(de)(de)(de)織(zhi)(zhi)構或(huo)電化學性(xing)質和防蝕能力的(de)(de)(de)關(guan)(guan)系的(de)(de)(de)報告中(zhong)(zhong),札幌的(de)(de)(de)這(zhe)些報告在(zai)(zai)世界上也是最(zui)早的(de)(de)(de),而(er)且具有說服力。
例(li)如,岡田等(deng)(deng)敘述,在靠近銹(xiu)(xiu)層(ceng)的鋼(gang)(gang)基體部分(fen)(fen)使(shi)用偏光顯微鏡作為(wei)消光層(ceng),能觀察到X射線(xian)非晶質(zhi)的銹(xiu)(xiu),它在耐(nai)候鋼(gang)(gang)中連續形成(cheng)具有(you)防(fang)蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)。增子等(deng)(deng)報告了在制作人工銹(xiu)(xiu)時(shi),除鐵以(yi)外,像銅那樣對耐(nai)候鋼(gang)(gang)有(you)效的合金(jin)元(yuan)素(su)的離子共存時(shi),銹(xiu)(xiu)變(bian)成(cheng)非晶質(zhi)有(you)助(zhu)于防(fang)蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)銹(xiu)(xiu)的生成(cheng)。松(song)島等(deng)(deng)在大氣暴(bao)曬時(shi)間(jian)不同的耐(nai)候鋼(gang)(gang)和碳素(su)鋼(gang)(gang)的銹(xiu)(xiu)層(ceng)上,使(shi)其與放射性(xing)(xing)的硫酸離子起作用,通(tong)過腐(fu)蝕(shi)(shi)的進行,用放射性(xing)(xing)物質(zhi)自(zi)動檢測技(ji)術求(qiu)出它們在銹(xiu)(xiu)層(ceng)防(fang)蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)弱(ruo)的部分(fen)(fen)集聚成(cheng)點狀(zhuang)(zhuang)時(shi)的分(fen)(fen)布(bu),從(cong)而證明在耐(nai)候鋼(gang)(gang)中腐(fu)蝕(shi)(shi)繼續進行的點狀(zhuang)(zhuang)部分(fen)(fen)隨著大氣暴(bao)曬時(shi)間(jian)的增長而減(jian)少。并且(qie),銹(xiu)(xiu)層(ceng)的電化(hua)學(xue)性(xing)(xing)質(zhi)也已經相(xiang)當(dang)清楚。
1975~1985年(昭和(he)50年代)耐候鋼(gang)在建筑物上的(de)裸露使(shi)用(yong)減(jian)少了(le).銹穩(wen)定化處理使(shi)用(yong)也(ye)在大樓外裝面板等(deng)用(yong)途(tu)上減(jian)少了(le),而它的(de)用(yong)途(tu)以扶手、紀(ji)念塔、牌(pai)坊等(deng)不(bu)是面板狀(zhuang)的(de)構(gou)件(jian)或者工(gong)藝性高(gao)的(de)特殊形狀(zhuang)的(de)結(jie)構(gou)物為主。
在大(da)樓的外裝(zhuang)部分(fen)大(da)面積使(shi)用(yong)裸(luo)露(lu)耐候鋼(gang)(gang)的意(yi)(yi)義,雖(sui)然包(bao)含(han)著(zhu)當初認為也可以不涂漆的經濟(ji)上的優點,可是并(bing)不一定對(dui)用(yong)戶有(you)吸引(yin)力,甚至有(you)人對(dui)其優點持懷(huai)疑觀點,好(hao)像更關注(zhu)外觀的工藝性(xing),所以說,良好(hao)的外觀是極為重要的。1965~1975年(昭和40年代)由于(yu)大(da)氣腐蝕的影響,在那時裸(luo)露(lu)使(shi)用(yong)耐候鋼(gang)(gang)建筑(zhu)物的銹層(ceng)狀況,還沒(mei)有(you)使(shi)用(yong)戶十分(fen)滿意(yi)(yi)。
大(da)氣的(de)腐蝕性(xing)由于地區不同而有差異,銹層穩定化的(de)穩定度也取(qu)決于結(jie)構物形(xing)狀(zhuang),所以(yi)(yi)必須預測每個(ge)(ge)構件(jian)裸露使用的(de)妥當性(xing)或銹層穩定性(xing)的(de)時效變化,這種預測主要取(qu)決于專(zhuan)家的(de)經(jing)驗,而缺乏技術(shu)的(de)客觀性(xing)。這個(ge)(ge)問題以(yi)(yi)后隨著耐候(hou)鋼在(zai)橋梁上裸露使用的(de)擴大(da)已經(jing)得到解決。