價(jià)廉物美的耐候鋼
耐候鋼，即耐大氣腐蝕鋼。它是介于普通鋼和不銹鋼之間的一種低合金鋼。 耐候鋼靠自身產(chǎn)生的致密銹層防止基體被外界環(huán)境進(jìn)一步侵蝕，從而達(dá)到自然的保護(hù)。
探尋耐候鋼耐大氣腐蝕的原理，是由于鋼中加入磷、銅、鉻、鎳等微量元素后，使鋼材表面形成致密和附著性很強(qiáng)的保護(hù)膜，阻礙銹蝕往里擴(kuò)散和發(fā)展，保護(hù)銹層下面的基體，以減緩其腐蝕速度。在銹層和基體之間形成的約50μm～100μm厚的非晶態(tài)尖晶石型氧化物層致密且與基體金屬黏附性好，由于這層致密氧化物膜的存在，阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發(fā)展，大大提高了鋼鐵材料的耐大氣腐蝕能力。由于耐候鋼是一種可以減薄使用、裸露使用或簡(jiǎn)化涂裝，從而使制品抗蝕延壽、省工降耗、升級(jí)換代的鋼系，因此 ，其也是一個(gè)可融入現(xiàn)代冶金新機(jī)制、新技術(shù)、新工藝而使其持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新的鋼系。
與普碳鋼相比，耐候鋼在大氣中具有更優(yōu)良的抗蝕性能。與不銹鋼相比，耐候鋼只有微量的合金元素，諸如磷、銅、鉻、鎳、鉬、鈮、釩、鈦等，合金元素總量?jī)H占百分之幾，而不像不銹鋼那樣，達(dá)到百分之十幾，因此價(jià)格較為低廉。
建橋優(yōu)勢(shì) 難以替代
從2012年至今是，我國(guó)推進(jìn)橋梁鋼綠色化發(fā)展的新階段。在這一階段，最具代表性的鋼種是耐候橋梁鋼?？梢哉f，耐候橋梁鋼的發(fā)展與應(yīng)用，開啟了中國(guó)橋梁鋼發(fā)展的新篇章。
為什么會(huì)如此高度評(píng)價(jià)？皆因在橋梁建造領(lǐng)域，解決金屬材料腐蝕問題迫在眉睫；據(jù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家統(tǒng)計(jì)，每年由于鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失，占GDP的2%~4%，全世界每年鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)萬億美元。在所有腐蝕造成的損失中，大氣腐蝕造成的損失約占50%。耐候鋼的出現(xiàn)，很大程度上解決了鋼材的腐蝕問題。研究表明，從快速建造、全壽命周期成本和環(huán)境保護(hù)諸多因素考慮，將耐候鋼用于橋梁建設(shè)可以得到很大的收益。
耐候鋼因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而在橋梁應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢(shì)：
一是內(nèi)部性能優(yōu)勢(shì)：許多橋梁的設(shè)計(jì)緊貼水面，有的橋梁甚至跨海大橋，不管是海水還是河水，都或多或少會(huì)發(fā)生漲潮現(xiàn)象，淹沒在橋面上，這對(duì)橋梁的材料要求很高，使用普通鋼材很快就會(huì)生銹，然而耐候鋼板在橋梁工程中的應(yīng)用，則可以有效減少這種腐蝕現(xiàn)象。
二是美觀：耐候鋼板使用一段時(shí)間后，其銹層會(huì)發(fā)生自然鈍化。這種鐵銹腐蝕的顏色會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，最終呈現(xiàn)深咖啡色。在很多建筑物的設(shè)計(jì)中加入這種顏色元素，可以達(dá)到厚重的效果。橋梁工程使用耐候鋼板，無形中給橋增加了厚重的質(zhì)感，且與環(huán)境和諧融合。
三是長(zhǎng)壽：耐候性鋼可以延長(zhǎng)橋梁的壽命，保護(hù)基層材料不受腐蝕，這也是獲得越來越多人認(rèn)可的重要原因。
攻玉喜有他山石
耐候鋼因其不朽之美，在美國(guó)、日本較早就被用于橋梁結(jié)構(gòu)。并為橋梁建設(shè)帶來減輕自重、節(jié)約維護(hù)成本、提高建造效率等優(yōu)勢(shì)，而且在這一過程中，耐候橋梁鋼的性能得以不斷提高，發(fā)展為高性能橋梁鋼（High Performance Steels）。
耐候橋梁用鋼因其具有初期成本低、全壽命成本低、建造速度快、對(duì)環(huán)境影響小、不產(chǎn)生影響工人健康與安全問題等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外得到了較為廣泛的發(fā)展。到2020年，日本7%和美國(guó)45%的橋梁已經(jīng)采用了耐蝕鋼，實(shí)現(xiàn)了不涂裝使用。從發(fā)展趨勢(shì)來看，國(guó)外己將耐候鋼逐漸當(dāng)作一種普通鋼種來廣泛使用。除美國(guó)、日本外，加拿大、德國(guó)、英國(guó)及韓國(guó)等一些國(guó)家也先后開始研發(fā)并在橋梁工程中大量使用耐候鋼。
從市場(chǎng)需求來看，目前國(guó)外采用耐候鋼建造鋼橋越來越多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1993年美國(guó)的裸露耐候鋼橋梁就已經(jīng)達(dá)到23000座以上。日本從1968年開始涂裝使用耐候鋼橋梁，1976年開始裸露使用，到現(xiàn)在以橋梁為基數(shù)，2/3裸露使用，1/5銹層穩(wěn)定化處理，涂漆使用僅僅1/10。從鋼材用量來比較，美國(guó)與日本的耐候鋼橋分別占全部鋼橋的45%、15%。
新里程碑 驚艷世界
經(jīng)國(guó)內(nèi)冶金科技工作者不懈的努力，催生了一批具有重要示范意義的代表工程，把國(guó)內(nèi)耐候鋼橋的發(fā)展由涂裝、半涂裝推向免涂裝的全新發(fā)展階段，取得重要應(yīng)用突破。
在這一發(fā)展過程中，新聳立起了三座嶄新的國(guó)內(nèi)高性能耐候鋼橋建設(shè)里程碑：第一座是鐵路橋——川藏鐵路拉薩至林芝段（簡(jiǎn)稱拉林鐵路）的藏木雅魯藏布江大橋；第二座是公路橋——北京官廳水庫特大橋；第三座是國(guó)家“一帶一路”示范工程--中俄跨境黑河—布拉格維申斯克黑龍江（阿穆爾河）公路大橋（以下簡(jiǎn)稱黑河大橋）。
藏木雅魯藏布江大橋，全長(zhǎng)525.1米。它屹立于桑加大峽谷藏木水電站上游庫區(qū)，橫跨水深達(dá)66m的雅魯藏布江，全長(zhǎng)525.1m，兩岸對(duì)接隧道。這座大橋創(chuàng)造了多項(xiàng)橋梁領(lǐng)域新紀(jì)錄，代表著中國(guó)乃至世界同類型橋梁建設(shè)的最高水平。大橋主拱跨徑430m，是世界上跨度最大的鐵路鋼管拱橋。主拱管徑1.8m，在同類型橋梁中排名世界第一。
為應(yīng)對(duì)高寒、大溫差、強(qiáng)紫外線等高原環(huán)境，建設(shè)者提出了鐵路高性能免涂裝耐候鋼成套技術(shù)，首次在國(guó)內(nèi)鐵路橋主體結(jié)構(gòu)中采用免涂裝耐候鋼，使該橋100年內(nèi)無需進(jìn)行油漆防腐涂裝，不僅減少了高原缺氧環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修工作量，避免了油漆涂裝導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，而且節(jié)約維護(hù)成本，延長(zhǎng)橋梁使用壽命。
圖一 中國(guó)著名橋梁鋼專家中信金屬公司副總經(jīng)理兼總工程師郭愛民博士（左）和本文作者王厚昕博士在中國(guó)耐候鋼橋第一座里程碑——西藏拉林藏木鐵路耐候鋼橋前留影。
首座免涂裝耐候特大公路橋-官廳水庫橋，處于北京一級(jí)水源保護(hù)區(qū)，為減少對(duì)水庫的污染，免除后期重新涂裝工作，采用了含Nb免涂裝耐候橋梁鋼Q345qENH，共計(jì)8700余噸。
官廳水庫特大橋施工過程中采用以下新技術(shù)：
首先，是超耐候鋼橋防腐涂裝技術(shù)。主橋鋼結(jié)構(gòu)采用超耐候防腐涂裝技術(shù)，提高主橋鋼桁架耐候性能，最大程度地延長(zhǎng)涂裝體系壽命，減少橋梁全壽命期內(nèi)重新涂裝次數(shù)，降低鋼橋涂裝作業(yè)產(chǎn)生的各種污染。
圖二 中國(guó)耐候鋼橋第二座里程碑——首座免涂裝耐候特大公路橋-官廳水庫橋，處于北京一級(jí)水源保護(hù)區(qū)，為減少對(duì)水庫的污染，免除后期重新涂裝工作，采用了含Nb免涂
黑河大橋采用了鞍鋼生產(chǎn)的4536噸Q420qFNH高韌高耐候橋梁鋼，填補(bǔ)了F級(jí)耐候橋梁鋼的應(yīng)用的空白，把我國(guó)耐候橋梁的開發(fā)與應(yīng)用推向了一個(gè)發(fā)展新高地。黑河大橋采用的Q420qFNH具有高強(qiáng)高韌高耐候特點(diǎn)，由中信金屬公司匯同鞍鋼并聯(lián)合黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院、中鐵山橋等單位共同成立產(chǎn)業(yè)鏈項(xiàng)目組歷時(shí)兩年研制成功。
圖三 中國(guó)耐候鋼橋第三座里程碑——國(guó)家“一帶一路”示范工程——中俄跨境黑河-布拉格維申斯克黑龍江公路大橋（黑河大橋）雄姿。
圖四 國(guó)內(nèi)橋梁鋼專家在黑河大橋旁留影。
市場(chǎng)潛力巨大 國(guó)家已有規(guī)劃
按美國(guó)耐候橋梁鋼用量推測(cè)，如果中國(guó)橋梁用耐候鋼達(dá)到美國(guó)水平，則具有年用量108-120萬噸市場(chǎng)潛力?？梢?，耐候橋梁鋼在我國(guó)具有巨大的市場(chǎng)潛力。
國(guó)內(nèi)裸露使用的耐候鋼橋發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，但對(duì)耐候橋梁鋼(涂裝、不涂裝)在設(shè)計(jì)與施工中所遇到的一些細(xì)節(jié)問題需要鋼鐵企業(yè)、橋梁設(shè)計(jì)部門、制造部門通力協(xié)作，進(jìn)行周密而系統(tǒng)的研究。還須對(duì)正在服役的耐候性橋梁進(jìn)行跟蹤，了解其在使用中，所存在的問題。以期建立相應(yīng)的企業(yè)或行業(yè)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，便于設(shè)計(jì)者選取，從而為耐候橋梁鋼的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
我國(guó)未來橋梁工程建設(shè)中將更多地以鋼結(jié)構(gòu)作為其主體結(jié)構(gòu)形式的趨勢(shì)，國(guó)家對(duì)橋梁工程建設(shè)也有鼓勵(lì)政策。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)范綱要（2006—2020年）》指出：要重點(diǎn)研究開發(fā)“跨海灣通道、大型橋梁和隧道等高難度交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及裝備”；重點(diǎn)研究開發(fā)“城市綜合交通、市政基礎(chǔ)設(shè)施等綜合功能提升技術(shù)”；《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年本）》亦將“城市基礎(chǔ)設(shè)施、鐵路、公路”列為鼓勵(lì)發(fā)展行業(yè)，并特別鼓勵(lì)發(fā)展“特大跨徑橋梁修筑和養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)應(yīng)用”；而2016年交通運(yùn)輸部發(fā)文《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》明確要求要加強(qiáng)方案比選，鼓勵(lì)選用鋼結(jié)構(gòu)橋梁。為提升公路橋梁品質(zhì)和耐久性，降低全壽命周期成本，要求環(huán)境條件適合的項(xiàng)目應(yīng)推廣使用耐候鋼，提高結(jié)構(gòu)抵抗自然環(huán)境腐蝕能力，降低養(yǎng)護(hù)成本。
相信在國(guó)家諸多鼓勵(lì)政策的驅(qū)動(dòng)和引導(dǎo)下，我國(guó)橋梁工程建設(shè)規(guī)模以及與其密切相關(guān)的橋梁用鋼將呈持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用耐候橋梁鋼也必將是重要的發(fā)展之路。
（中信微合金化技術(shù)中心 王厚昕博士）
