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Corten-A钢材(corrosion-tensile steel)即:耐候抗腐蚀、高拉力之钢料(atmospheric-corrosion-resistant,high-strength steel)的简称。
在所有的金属材料中,钢铁是我们最熟悉的,因为钢料具有高拉力,同时易于弯曲、割切、钻孔及焊接,所以广泛的使用在各种建筑物上及工业设施方面。但是钢料最捆扰人们的一个问题就是「腐蚀及生锈」,因此,如何防止腐锈就成了专家们研究的一大课题。防止腐锈的方法有很多,一般而言,可以分为三种,{dy}种方法系在钢料表面涂抹一层物质,以隔绝钢料与环境间的接触,防止腐锈。第二种为电位防腐锈。第三种着重改变钢料的材质,以达到抗拒腐蚀的效果。本文介绍的COR-TEN钢材,就是第三种防锈法的一个例子。
Corten-A钢材于一九五八年首先使用于建筑物方面,因为它具有抗腐蚀的特性,随后用于桥梁、火车、汽车、卡车及工业设施等方面,用途日渐广泛。以桥梁方面的应用而言,美国、日本实例,最近在日本东京湾内施工的荒川钢桥,长840公尺,就是全部采用Corten-A钢材建造而成的。
二、Corten-A的种类及化学成分
Corten-A这种耐候性钢材(weathering steel),系在普通钢内加入少许铜、铬、磷、等元素,并经特殊处理制成,其耐候耐腐蚀性能,较普通钢料高出三至八倍。依种类及用途的不同,Corten-A可分为四种:COR-TEN A、COR-TEN B、COR-TEN C、COR-TEN B-QT。其中COR-TEN A的耐候抗腐蚀性能优于普通钢料的五至八倍,而COR-TEN B则为四倍。
三、抗腐蚀原理
优异的耐大气腐蚀性是由于钢的表面形成了致密的铁锈层,将钢的基体与空气隔绝而有效的制止了铁锈的继续生长。COR-TEN中所含的特殊元素,与大气接触后,形成一层氧化物膜,这层坚固的膜使COR-TEN于外界隔绝,不再受气候影响,而达到耐候抗腐的目的。当Corten-A或普通钢料暴露于大气中,与水分、氧气接触后,会发生下列化学反映:
Fe+0.502+H2O→Fe(OH)2
2Fe(OH)2+0.502+H2O→2Fe(OH)3
Corten-A钢料外因为有一层坚固的膜,阻绝水分、氧气与钢料再起化学反映,至于为什么Corten-A中含有少量的铜、铬、磷等就能生成一层保护膜,到目前为止尚未定论,但是我们可以由下列几点而得到一些启示
(1)Corten-A的基底层几乎没有FeOOH(Fe2O3.H2O的实验式)生成,在FeOOH层与几基底层之间,形成一层坚固的氧化物膜。但普通钢料则没有这种情形,FeOOH甚至直接于基底层上生成,因此造成了裂缝,进而剥落。
(2)FeOOH层与基底层之间的氧化物膜呈放射状不定形(radiographically amorphous)。
(3)铜、铬、磷均集中在不定形层上,而硫则以硫酸根的形式均匀分布在这层氧化物膜上。
Corten-A钢料与一般钢料的腐蚀率比较,可由两个暴露实验(exposure test)表示出来。{dy}个实验是在美国新泽西州凯尼地方做的,第二个实验是在日本兵库县做的(这两个实验地点都是工业区)。Corten-A(考登钢)于实验三至四年后,腐蚀就停止了,而其他实验钢料则仍然继续锈蚀。
氧化物膜的形成于气候因素有关。一般而言,气候因素包含:温度、日照时间、湿度、雨量、风速、大气中二氧化碳及盐分含量等。通常这些因素多与腐蚀率成正比,根据在日本四国足摺岬做的实验,该地温度、湿度、盐度皆高,一般钢料的腐蚀率每年达0.75毫米,而Corten-A的腐蚀率则每年只有0.25毫米。实验历时八年,但是五年后,Corten-A的腐蚀率大为减低,而普通钢料则尚在继续腐蚀中。一般估计。在日本,形成稳固氧化物膜需的时间,约五年至八年,在台湾则需时八年左右。
因此。由于地区、环境及气候因素的不同,Corten-A表面形成稳固氧化物膜的时间也有很大的差异。为了使此稳固氧化物膜及早形成,通常海岛国家使用COR-TEN时,需作耐候处理(weather-coated treat-ment),使COR-TEN更易发挥耐候抗腐的特性。
四、耐候处理
耐候处理的过程是先将Corten-A钢料的表面xx干净,再喷上一层耐候性溶液(weather coat solution),于是Corten-A表面的一些化学元素产生电化学反映,形成一层铜、磷、铬、镍之铁氧化物膜。然后再喷上一层prepalene,prepalene是一种有颜色的混合物,包括低分子量的压克力树脂(acrylic resin)及有机溶液。因为prepalene具有高度吸湿及吸收红外线的能力,故可加速稳固氧化物膜的形成。经过一段时间,即足以保护COR-TEN不再继续腐蚀。
Corten-A经过耐候处理后,即有下列优点:
(一)因为生成稳固氧化物膜,所以没有铁锈剥落,因此可以避免污染问题。
(二)表面相当光滑。
但是在做耐候处理前,我们必须考虑到下面三点。
(一)下列情形不适于作耐候处理:1.置于泥土中或水中时;2.处于含有氨气及其他碱性气体的地区时;3.位于易受撞击的地点时。因为这些情况都影响稳固氧化膜的形成。
(二)当Corten-A需要焊接时,焊接材料必须也具有耐候抗腐蚀的性能,所以通常都是先焊接后再经过耐候处理,若喷过preplene后再行焊接,则有气泡产生。
(三)使用高拉力的螺钉、螺帽、垫板时,这些用品也必须具有耐候抗腐蚀的特性。
一九六五年起,经耐候处理的Corten-A钢料,用于结构物者已超过400个例子,效果都极令人满意,耐候处理最适于桥梁结构,桥梁以此法处理后,几乎不再需要任何维护费用。因此若基于长远的经济观点来看,这种处理是值得考虑及推广的。
Corten-A与普通钢料一样,也可以油漆维护,且Corten-A较普通钢料更易涂刷油漆。尤有进者,Corten-A上的油漆寿命,较普通钢料至少长二倍以上。
我国沿海海岛型气候,很适于使用Corten-A,如果加上耐候处理,就更能发挥Corten-A的长处。
由于经济建设我国将陆续建设多条横贯公路,势将架设很多座桥梁,而Corten-A钢料最适于山间长跨距钢桥设计。普通钢料须靠油漆防锈,但在深山涧谷中,使用油漆既浪费时间又浪费人力,Corten-A钢桥则能xx解决这个问题。