在日本能够生产耐候钢的1960年(昭和35年)后的数年间,受到的一次最大的冲击是在美国建筑物上的裸露使用。号称第一号的John Deere & Company公司大楼于1958年(昭和33年)动工,于1963年(昭和38年)竣工。这个大楼由于位置的关系虽然有名而实际见过的人不多,可是相继建成的 Chicago Civic Cen-ter[1965年(昭和40年)竣工]位于Chicago的中心街,由于31层规模很宏大,很多日本人见过。不仅在壁面板和柱型上,而且在强度构件上正式地裸露使用了耐候钢。作者于1969年(昭和44年)从Boston至San Diego时,途中顺便到过Chicago再次参观了这个大楼,在出差报告书中做了如下的记述:


“..···与4年前见过时相比它更加美丽,这对耐候钢的裸露使用的自信和信任形成了强有力的基础。虽然耐候钢在日本作为强度材料还没有裸露使用,可是我想那个时代必将来临。因此,我认为不仅暴晒试验,而且包括结构因素在内的实用数据不可缺少,未来在日本第一个使用耐候钢的结构物成功与否对以后的发展有很大影响。


在初期采用了裸露耐候钢的建筑物中,人所共知的是镰仓近代美术馆(1966年(昭和41年),用于钢骨、屋顶、窗框)、东京茅场町的铁钢会馆(1966年(昭和41年),用于栏杆、部分外装面板、屋上周围的防护面板)、川崎市的NKK京滨大厦(1968年(昭和43年),用于屋上的顶屋、大厦的外装面板)等。其他主要的建筑物示于表2-4。



 这些耐候钢的稳定锈层形成过程不像在美国那样顺利。妨碍耐候钢稳定锈层形成的环境因子包括大气中所含过量的盐离子及亚硫酸气体。即使它们在大气中的浓度相同,像大气暴晒试片上被雨水冲洗的场合,因附着量减少能降低它的作用,可是在实际的建筑物上除了屋顶以外,雨的洗净效果受到限制。


 其结果是,一旦海盐粒子或SO2(被氧化后变成硫酸起作用)表面附着量过多时,不仅产生锈层剥离,增大腐蚀,而且使外观变坏。


 图2-8 示出了大气中的SOx浓度随时间变化的测定情况。在都市或工业地区,20世纪60年代(昭和40年代)中期的SO,浓度是现在的数倍以上,对耐候钢形成稳定锈层来说还不是太好的环境。


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 以NKK京滨大楼为例,耐候钢是作为外部凹面纵向使用的槽形构件,它宽800mm,高200mm,可是由于处于工业地区,大气中SO含量多,降雨时受风向的影响被雨冲洗的部分仅限于东南西北的一个方向,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冲洗。建成初期,锈的脱落显著,在降雨之后,雨中析出的硫酸铁带有白色污垢。该大楼的耐候钢使用10年左右,随着时间增长,锈层也增厚,以及因环境的改善而降低了SOx浓度,使锈层稳定化,成为相当良好的状态。25年后的今天,锈已经呈现出良好的稳定化外观。


如果从20世纪60年代至70年代后期(昭和40年代到50年代初期)日本的耐候钢在建筑物上的裸露使用情况看,锈稳定化并不像美国那样顺利,相当一般。其原因是比较靠近海受海盐粒子的影响,当时在城市、工业地区SOx浓度高、潮湿等,可是真正的理由并不清楚。最引起关注的SO4浓度在美国有的地区也很高,虽然已经看到了硫酸铁的污垢,但是没有成为很大的问题。


 作为其他理由,虽然还可以举出日本国土狭小、人和建筑物的距离近,而且日本国民对美观或彩色有敏感性,可是即使到美国Chicago Civic Centen 大楼跟前去看耐候钢的裸露使用也具有非常良好的状态。


 如果归纳主要问题有如下几点:(1)初期的浅红锈的生成;(2)由于方向、位置而引起的初期锈的色斑;(3)条件坏的场合下锈的局部剥离;(4)锈飞散时对周围环境的影响;(5)流经表面含有铁离子的雨水所引起的对混凝土等周围多孔物质的红色污染。以上几点主要是外观上的问题。如果锈的稳定化速度慢,则在这期间的腐蚀大,而且材料的减厚也快,绝对值只要能达到稳定化就没有大问题,并且它很少作为结构物的强度材料使用,所以能否达到锈的稳定化,初期外观的恶化到什么程度,成为人们主要关心的问题。


为了避免耐候钢初期的外观不良,或者在一定程度上减少锈稳定化之前的腐蚀,开发了所谓的促进锈稳定化的表面处理法。这种处理法不是为了使腐蚀的进行停止,而是在一定程度上减缓腐蚀进行的同时,增加由腐蚀生成的铁离子或锈停留在钢表面上的比率,帮助形成锈层,减轻对周围污损的方法。


这种表面处理一时被称为“锈稳定化促进处理”。而且因为锈层达到稳定化以前的时间比裸钢长所以决不能被称为“促进”。因而,现在固定下来的“锈稳定化处理”是合适的名称。但是,表面处理覆膜随着时间而发生劣化,为了按照其意图形成、保持原来的锈层,需要有和使用裸露钢相同的环境特性,所以在不能达到锈稳定化的环境条件下使用裸露钢,即使进行稳定化处理也不能够实现稳定化。


像这样的锈稳定化处理是日本独特的技术,其中第一号是日本磷化处理(パーカライジング)公司开发的方法。这种方法从1966年(昭和41年)开始实用化,当时分为只磷酸盐处理的规格和在其上进行丙烯系薄涂漆的规格,后来变成只有后者一种。以后开发的现在正在使用的方法有CUPTEN涂层法(NKK公司)、RS涂层法(川崎制铁公司)等,初期的外观都是涂漆抛光。


耐候钢的使用特性不仅只依赖于化学的环境条件,而且也显著地受除去附着在表面上有害物质的降雨洗净作用的大小、积存雨水的难易程度等有关的结构物的形状的影响。



曾经进行过关于暴晒试验中的暴晒角度或雨遮蔽度影响的研究;而日本诸石等人也就此做了研究(参照2.4.2节)。所有的报告都证明在不容易受到雨水洗净作用的背面腐蚀大。


住友金属公司或NKK公司于20世纪60年代后期(昭和40年代前期)曾设置试验房屋或者模型结构物,更详细地研究了构件的角度、方向、对雨水遮蔽度等的影响。在2.4.2节详细叙述,已经定量地掌握了SOx污染越严重的地区这些结构因子的影响越大。


这样的研究提高了耐候钢的裸露使用的应用技术,对于促进耐候钢在实际使用条件下更好地发挥优秀性能的构造设计的进步具有重要用。作为把油或划线等从表面除去以及不积存雨水的设计,不使周围的混凝土被锈色污染,在结构上需要考虑的事项,刊登在U.S.Steel公司的文献或技术资料中,该公司设有委员会进行有关应用技术的用户服务。实际上,正像ChicagoCivic Center 面向广场大楼外围柱上流下的雨水不污染混凝土地面那样,事先采取了在柱下部的周围设置小排水孔等措施。


例如日本NKK京滨大楼周围一定宽度的地面上放上砂子,不让雨水产生的污染向四周扩散,同时不让人看见,根据情况可以更换砂子。而且,在美国关于SO.浓度和构造设计的关系,尚未在实际业务上引起注意,使用前述的模型结构物的研究,反映了当时日本的实际情况。


关于建筑领域的应用技术文献发表得非常少。随着耐候钢在建筑物上裸露使用的增加,应用技术有了较大的进步,它成为了后来盛行的耐候钢在桥梁上裸露使用技术的基础。然而在近年的桥梁领域里(2.2.3节)已经有了建筑物领域不可比拟的更详细而具体的应用技术。


在建筑领域里的裸露使用技术成为原动力的研究有:关于耐候钢稳定锈层防蚀性的本质、合金元素的作用及其机构、锈层稳定化的过程等。


1967年(昭和42年)秋,在札幌召开的日本铁钢协会第74次讲演大会上,“耐候钢的锈及其防蚀效果”被选定为讨论会的题目,在讨论会上发表了4篇,在一般讲演中发表了5篇相关的研究报告。这可以说是日本最早发表的关于耐候钢的实质性的研究报告。这次发表的大部分报告已成为现在对耐候钢锈层的考虑方法的基础。表2-5出示了讲演题目。关于这些研究将在2.3.1节详细叙述,而且久松就当时的研究发表过一篇优秀的总论(卷末资料3)。


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 关于耐候钢锈层的防蚀机构或合金元素在锈中的分布,在这以前美国曾有几个报道,其中几篇相当著名,并且最初拍摄了锈层断面显微照片的人可以被认为是Horton[26].虽然在锈层上有锈的化学成分、X射线结晶构造、织构、电化学性质等多项值得注意的特性,然而在详细研究耐候钢锈层的织构或电化学性质和防蚀能力的关系的报告中,札幌的这些报告在世界上也是最早的,而且具有说服力。


 例如,冈田等叙述,在靠近锈层的钢基体部分使用偏光显微镜作为消光层,能观察到X射线非晶质的锈,它在耐候钢中连续形成具有防蚀性。增子等报告了在制作人工锈时,除铁以外,像铜那样对耐候钢有效的合金元素的离子共存时,锈变成非晶质有助于防蚀性锈的生成。松岛等在大气暴晒时间不同的耐候钢和碳素钢的锈层上,使其与放射性的硫酸离子起作用,通过腐蚀的进行,用放射性物质自动检测技术求出它们在锈层防蚀性弱的部分集聚成点状时的分布,从而证明在耐候钢中腐蚀继续进行的点状部分随着大气暴晒时间的增长而减少。并且,锈层的电化学性质也已经相当清楚。


1975~1985年(昭和50年代)耐候钢在建筑物上的裸露使用减少了.锈稳定化处理使用也在大楼外装面板等用途上减少了,而它的用途以扶手、纪念塔、牌坊等不是面板状的构件或者工艺性高的特殊形状的结构物为主。


 在大楼的外装部分大面积使用裸露耐候钢的意义,虽然包含着当初认为也可以不涂漆的经济上的优点,可是并不一定对用户有吸引力,甚至有人对其优点持怀疑观点,好像更关注外观的工艺性,所以说,良好的外观是极为重要的。1965~1975年(昭和40年代)由于大气腐蚀的影响,在那时裸露使用耐候钢建筑物的锈层状况,还没有使用户十分满意。


 大气的腐蚀性由于地区不同而有差异,锈层稳定化的稳定度也取决于结构物形状,所以必须预测每个构件裸露使用的妥当性或锈层稳定性的时效变化,这种预测主要取决于专家的经验,而缺乏技术的客观性。这个问题以后随着耐候钢在桥梁上裸露使用的扩大已经得到解决。