钢桥和混凝土桥各占现代桥梁(道路桥、铁道桥)的一半。钢桥虽然在品质、重量轻、施工性、对大跨度的适用性、重新修复的难度、色彩及形状的美观等许多方面有优越性,可是其缺点是需要涂防蚀漆,在维修管理上需要很多的费用。大略估计每一次重新涂漆所需费用占桥梁上部工程建设费的1/10。


 在1960年以前(昭和30年代前期),日本的桥梁或陆上结构物的涂漆,是把油性防锈涂料(普通铅丹漆)作为底漆,把长油性醇酸树脂系涂料(普通长油性苯二酸树脂涂料)作为中层漆、上层漆,在现场使用动力工具除去锈或氧化铁皮后进行涂漆。因为涂料落后而且基底处理非常不充分,在腐蚀性大的工业地区、城市、海岸,每隔数年需要重新涂漆。1960~1965年(昭和30年代后期),已将喷砂机或喷砂打光机用于基底处理,延长了涂漆的寿命,可是仍需要频繁地重新涂漆。因此耐候钢的裸露使用不需要维修就非常具有吸引力。


 然而,当时耐用寿命是50年,为了维持桥梁的安全性而且不维修,需要进行慎重的研究,耐候钢裸露使用的正规化需要相当长的时间。耐候钢的涂漆使用应具有延长涂漆层寿命的效果,或者确保漆层老化之后到重新涂漆之前不出问题。总之,为了能够延长再涂漆时间,耐候钢的涂漆使用在较早以前已经开始了。最早是于1963年(昭和38年)完成的东海道新干线长良川桥梁。如果根据耐候钢的需要量统计桥梁用的数量时,在不分裸露使用或者锈稳定化处理使用钢的1968~1974年(昭和43~49年),每年使用量为4~6万t(平均约5万t)(参照图2-4),所以这期间的耐候钢日本国内使用量约为15万吨,其中1/3是涂漆桥梁。


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 钢铁公司为了进行耐候钢的性能研究和商品示范,在公司工厂的占地内,建设了把涂漆部分和裸露部分分开使用的实用桥梁。川崎制铁所内的知多2号桥[1967年(昭和42年)竣工,单纯合成梁桥,桥长57m]、NKK福山铁所内的第一座国桥[昭和44年竣工,单纯I梁桥-连续I梁桥,桥长472m]、新日铁制铁所内的黑金桥[1973年(昭和48年)竣工、单纯合成I梁桥,桥长218m]就是典型的例子。


 根据需要耐候钢在桥梁上的锈稳定化处理使用和同种钢的裸露使用,分别于1972年(昭和47年)、1977年(昭和52年)相继开始。表2-6 示出了最初约10年间的订货业绩。


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 日本于1973年(昭和48年)遭受到第一次石油危机,1975年以后(昭和50年代)进入经济低增长时期。在这之前的高增长时期,日本的道路总延长度增长很快,与此同时道路桥的数量急剧增加。进入低增长时期之后其维持管理费、特别是补修涂漆和再涂漆的费用成了很大的负担,耐候钢的无涂漆使用又重新被评价.这就是表2-6的桥梁订货业绩中无涂漆件数或钢重量急剧增加的原因。


 反映这种情况的事实是于20世纪70年代(昭和50年代)前期在相关团体内大力开展了无涂漆耐候钢材应用方法的研究。这些团体有土木学会钢材规格专业委员会、日本钢构造协会防锈防蚀专业委员会、日本桥梁建设协会耐候性桥梁委员会、北海道土木对耐候钢不进行正规的涂漆,在裸露状态或者进行稳定化处理后用的场合,“无涂漆使用”这一术语已被厂家使用,现在用该术语的人相当多。1983年(昭和58年)订正的JISG3114的说明中也照样使用。技术会钢道路桥研究委员会、阪神高速道路公团等。这些团体专门详细地研究了气象条件和无涂漆使用的适用性、对放置构件的腐蚀条件和详细结构的设计技巧、允许腐蚀率、疲劳、高强度螺栓及摩擦接合部的防蚀、焊接施工法、防止锈对周围污染的措施、维修管理方法等许多技术问题。


 作为重点详细研究过的问题之一是,在耐候钢的很宽的规格成分范围内,合金元素的配人量与焊接性、耐候性的关系。提高对耐候性有效的Cu、Cr等元素的添加量当然可以增加耐候性,对无涂漆使用有利,可是对焊接性不利.以前涂漆使用的钢常常是把添加元素添加量控制在下限,然而不能无涂漆使用。耐候性和焊接性二者如何选择,用户之间曾经进行过激烈的讨论。如果在高速发展的时代,也许已经停止了无涂漆使用,可是因为涂漆的维修管理费用很大,所以没有那样做。


 归纳起来说:“应该大力推进无涂漆使用,为了充分发挥耐候性高成分系耐候钢是不可缺少的。高成分系耐候钢的焊接虽然在桥梁建设上实绩较少,可是已经基本改善了钢材的焊接性。在海洋结构物上,比耐候钢更难焊接的686MPa、784MPa级已经在日常作业上运用自如。因此,如果能充分照顾到焊接性,制定焊接条件并充分地进行作业管理,是可行的。”


与此相关,订货规格不是JIS标准,在成分范围很宽的JIS标准的范围内为了确认高成分系,还要根据无涂漆使用高成分系的各钢材厂家的商品名,这一不正常的状态延续了一段时间。北海道土木技术委员会钢道路桥研究委员会于1949年(昭和54年)4月制定的“北海道钢道路桥的设计及施工指南”中规定了耐候钢的无涂漆使用,这个文件作为日本最初的文件引起了注目,它把适合无涂漆使用成分系的耐候钢命名为“特殊耐候钢”加以区别。


 这一问题于1983年(昭和58年)的JIS G3114修改中,通过把该标准的对象钢细分为无涂漆用(W)和涂漆用(P)已经得到解决。在JIS中对这一修改作了如下的说明。


 现行JIS G3114是汇总了当时流通的同类钢材的钢铁厂家的标准制定的,是对本钢材主要特性耐候性有贡献的元素的规定值及规定范围比较宽松的标准。本钢材的使用方法,有从焊接性考虑牺牲一定的耐候性涂漆使用的场合,也有作为原来的耐候钢材以裸态或者进行锈稳定化处理后使用的场合,按照使用的实际情况,现在同时有两种钢在流通。因为这两种钢的化学成分都在现行标准的规定范围内,可能会在流通面上发生混乱,所以作出了应按照实际情况对JIS G3114进行修改的结论。


 随着这一修改,用各公司的商品名进行订货的事几乎没有了。JIS标准的修改起了多大作用虽然还不清楚,可是从这时开始在桥梁上裸露使用的实际急剧增加。图2-9示出了按年度裸露耐候钢桥梁的订货件数和重量的变迁。请注意不是按累计而是按年度统计,并且在该统计中没有包括H型钢桥梁及稳定化处理的钢桥。


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 正如从前面的表2-6所知道的那样,耐候钢最初以锈稳定化处理开始的无涂漆使用,在5年后开始采用裸露使用之后的3年中远比裸露使用量多,可是在1980年(昭和55年)裸露使用量突然增加使二者的数量大致接近,现在其比率正在降低.如果裸露使用时的性能可靠的话,则是由于原来的经济上的原因所致。北海道土木技术委员会的指南(前述)在1989年(平成元年)的订正中只把裸露使用进行了规定,并且在1991年(平成3年)的道路桥示方书中也做了同样的规定。


 但是,锈稳定化处理的需要依然存在,在1980年(昭和55年)以前大概只有一个公司·推出了锈稳定化处理的新的处理方法。传统的方法原则上是把拿到表面处理工厂的构件进行处理之后搬运到现场的方法,而新方法的特征是能够在构件加工工厂或现场和通常的桥梁涂漆一样地进行处理。包括传统方法在内,这些处理方法除了在一般桥梁上使用之外,也多用于小型H型桥梁或桥梁以外的结构物。


 在耐候钢裸露使用急剧增加的背景上存在着无需维修这一社会经济上的需求,加上由前述的各团体委员会所开展的应用技术的讨论,由桥梁厂家所进行的应用技术、设计施工法的开发,以及如图2-8所示的由于环境限制的成果,大气中二氧化硫浓度已降低,具备了使裸露使用更容易进行的各种有利的因素。


1979年(昭和54年)9月21日至10月8日,以当时国铁铁道技术研究所结构物研究室阿部英彦。为团长的18人组成的美国、加拿大桥梁技术调查团(《桥梁和基础》杂志策划,成员包括钢铁公司、桥梁建设公司及桥梁所有者等)赴北美考察了耐候钢材在无涂漆桥梁上的实际使用情况,调查了许多裸露使用的桥梁,听取了钢材厂家、高速道路局等方面的见解,将其结果写成报告书[71]发表。报告书总结了耐候钢在美国裸露使用基本成功的事实、需要注意的几个问题及一部分人的批评意见等,这对日本耐候钢的裸露使用曾经有过促进效果。


最后的问题是环境中的海盐粒子对锈层稳定化的恶劣影响,即海盐粒子在大气中的浓度或者在钢表面上的附着量在什么程度以下,耐候钢才可以裸露使用。当SO.的影响不是很大时,海盐粒子的影响就成为了最大的问题。在以上所叙述的北海道土木技术会的指南中规定为“在离海岸200m的区域内因大气中海盐粒子的影响腐蚀量大”,“推断腐蚀减厚在两面超过0.4mm以上的场合,应考虑对腐蚀减厚进行设计”的考虑方法,并且,在1981年(昭和56年)该会的“北海道耐候钢材裸露使用的道路桥的设计及施工指南”中,把离海岸2km以内的地区规定为由海盐粒子引起的大气腐蚀影响严重的环境。


另外,U.S.Steel公司以前也曾规定必须离开海岸240~300m(800~1000ft)。


1981年(昭和56年),由于担心在不适当地区耐候钢无涂漆使用会发生问题,建设省土木研究所和桥梁建设协会及钢材俱乐部共同开始了“关于耐候钢材在桥梁上适用性的共同研究”。其最大的目的在于关注从海上飞来盐分的影响,从而具体地确定无涂漆耐候钢能够适用的地区。


为此,把耐候钢及碳素钢的试片安装在全国41个地方已有的道路桥上进行了9年的暴晒试验。考虑到对锈层的稳定化最不利的没有雨水洗净效果的部位的腐蚀状态在实用上的重要性,把试片垂直和水平安装在内梁部分。试验环境包括海岸、工业、城市、田园和高山,并充分地进行了环境中的氯离子、二氧化硫的测定。


1987年(昭和62年),上述部门根据以前的数据,作为中间报告编写了“无涂漆耐候钢桥梁的设计、施工要领(草案)”。在该草案中,把受飞来盐粒子的影响大、不适合耐候钢材或无涂漆使用的地区定为:(1)冲绳全域;(2)日本海沿岸以及面向外洋的其他沿岸。把50年后的板厚减少量小于0.4mm定为基准,第3年的板厚减少量超过0.2mm的场合以及发生了锈层剥离的场合,判定为不适合使用。该草案还对容易生成稳定锈层的桥梁的设计、结构细节、高强度螺栓、焊接材料等进行了阐述。


这项共同研究的暴晒试验,在第9年试片回收及结束研究后,于1989年(平成元年)的报告书中把设计、施工要领(草案)进行了重新规定,在该草案中明确地标明了无涂漆耐候钢能够适用的地区。判定基准的基础是用所规定的方法测定的飞来盐粒子的量,把它换算成NaCl的氯离子0.05mdd(mg/d㎡2/day)定为允许限。这个量是根据在日本41座桥的暴晒试验中锈层没有发生层状剥离,并且根据9年的试验结果推断50年后的板厚减量不超过0.3mm而决定的。


可是,飞来盐粒子量每年发生变化,在测定时需要时间且相当麻烦,在表2-7上标出的地区,规定为省略飞来盐粒子量的测定、可以无涂漆使用耐候钢的地区。从北海道到北陆面向日本海的所谓盐害地带离海岸线必须超过20km,然而在其他的海岸因地域而异可以离开1~5km。


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在上述的共同研究中,除了全国41座桥的暴晒试验以外,试验还包括沿着信浓河进行的不同离岸距离所设置的大型暴晒试验体(一种模型结构物)不同结构部位锈层稳定化行为和氯离子浓度影响试验、焊缝部位锈稳定化状况试验、耐候性高强度螺栓暴晒试验等。


除了上述的设计、施工要领(案)以外,在1991年(平成3年)制订了“无涂漆桥梁的检修要领(案)”,给出了检修项目、检修频度以及检修结果记录等。特别具体地提出了用目视判断层状剥离锈的判定法,也叙述了发现这类层状剥离锈时的应对措施。并且,在其他的报告书中,针对尽可能减少泥与垃圾的堆积、滞水与结露、桥面漏水与水路形成等对锈层稳定化有恶劣影响因素的各种结构的优缺点,归纳了已有的无涂漆耐候钢桥梁的观察结果。


经过以上过程,耐候钢在桥梁上的应用增大了裸露使用的比率。将表2-6及表2-4的数据加上其他情报或推测,把从1968年(昭和43年)到最近的裸露使用、锈稳定化使用及涂漆使用的比率历年来变化的情况进行了总结,并示于表2-8.日本国内桥梁用耐候钢的订货量,在这期间平均每年约45,000t(最大约62,000t,最小约27,000t),虽然每年都有变动可是从长期来看变动很小,其中涂漆使用在1968年(昭和43年)曾经是100%,到最近已逐渐减少到10%,无涂漆使用却明显增加,并且无涂漆使用在开始的70年代前期(昭和40年代后期)全部是锈稳定化处理使用的耐候钢,在70年代后期(昭和50年代前期)开始的裸露使用耐候钢增加到80年代前期(昭和50年代后期)的同等程度,以后锈稳定化处理使用有减少的倾向,相反裸露使用却增加了。现在以桥梁数为基数,估计裸露使用的是2/3、锈稳定化处理使用的是1/5、涂漆使用的是1/10。


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 如图2-10所示,1980年(昭和55年)以后在桥梁用钢材上耐候钢所占的重量比在5%~7%之间变动,并且,30m以上的新设桥梁中,以各种表面状态使用耐候钢的桥梁数在10%以上,最近接近20%。


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 在被视为是一国活力的基础,是维持发展经济活动或丰富国民生活不可缺少的公共设施中,桥梁可以说是公路或铁路的中枢,健全地进行维护极为重要,决不能再踏“荒废中的美国”的覆辙。


 日本的公共设施主要是在高度成长时期以后建设的,比较新,没有太大的老化问题,而且一直在进行充分的维修管理。可是进入回避3K(脏、累、危险)、高龄化的时代,今后如何做到不维修、健全地保持社会资本则成为问题。钢桥的维修、管理中最关键的涂漆是典型的3K作业,加上从前的经济问题,会出现劳动力严重不足。根据测算,如果把本四连络桥、神户-鸣门路线4桥(竣工时)以8年为周期进行换漆,必须经常配备138~202名涂漆技术工人(基材调整除外),只要桥存在就必须继续进行涂漆,这样做不是不可能而是不现实。因此,本四连络桥等采用了通过高级规格的涂漆(重防蚀涂漆)和频繁的局部补修,没有采用正式的再涂漆的方针。


 这样以来,最近的钢桥防蚀方向有两种情况:或者像在本四连络桥那样位于海上腐蚀环境严酷而且不容易再涂漆的重要桥梁上,进行重防蚀涂漆极力延长再涂漆间隔,或者在一般环境下为了回避正式的再涂漆,在能够适用的地区尽可能使用无涂漆耐候钢。扩大耐候钢的无涂漆使用,实现正规化的条件,经过上述过程可以说已经充分具备。可是裸露耐候钢目前的性能,使它在沿海地区用于桥梁建筑的使用仍受到限制。解释清楚氯化物恶劣影响的本质,或者在确立其相应对策等方面仍需要努力。耐候钢应用进一步发展的课题已详细地归纳在腐蚀防蚀协会所设置的耐候钢技术分会的报告书[1994年(平成6年)]中。