摘 要：
耐候鋼是耐大氣腐蝕低合金鋼，在一般大氣環(huán)境中其耐蝕性能是普通鋼材的2～8倍。由于耐候鋼價(jià)格高于普通鋼，且表面形成的致密內(nèi)銹層需通過(guò)3~10年的“生長(zhǎng)”期，規(guī)?；瘧?yīng)用還需要一個(gè)過(guò)程。隨著對(duì)耐候鋼的合金化和電化學(xué)理論的進(jìn)一步深入研究，以及對(duì)耐候鋼全壽命周期性能認(rèn)識(shí)的不斷深入，可在鐵路鋼橋上實(shí)現(xiàn)大量應(yīng)用。
1 耐候鋼發(fā)展歷程
耐候鋼的研制起源于歐美。20世紀(jì)初，歐美的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)向鋼鐵里加入銅可以改善鋼在大氣中的耐蝕性能。1916年，美國(guó)開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)和材料學(xué)方面著手進(jìn)行鋼材的大氣腐蝕研究。到了20世紀(jì)30年代，美國(guó)鋼鐵公司首先研制成功了耐腐蝕高、含銅的低合金鋼材——牌號(hào)CortenA，耐候性約為普通碳素鋼的４倍；20世紀(jì)60年代，免涂漆的耐候鋼大量應(yīng)用于建筑和橋梁中；1955年，日本引進(jìn)耐候鋼，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷積累和發(fā)展，目前已經(jīng)在耐候鋼材生產(chǎn)加工、耐候鋼橋設(shè)計(jì)建造及維護(hù)維修等方面形成了一整套較為先進(jìn)成熟的體系，覆蓋目前常見(jiàn)的橋梁形式，如梁橋、拱橋、桁架橋、懸索橋和斜拉橋等。
我國(guó)的耐候鋼研發(fā)始于20世紀(jì)60年代初，最初從仿制美國(guó)的Corten系列鋼材開(kāi)始，之后武鋼首先在國(guó)內(nèi)研發(fā)了含銅鋼；到20世紀(jì)80年代進(jìn)入迅速發(fā)展階段，逐漸形成了Cu-P-Re系和Cu-P-Ni-Cr系列適合我國(guó)經(jīng)濟(jì)特色的耐候鋼品種，并具備了量產(chǎn)化的生產(chǎn)能力。
2 耐候鋼技術(shù)特點(diǎn)
2.1 耐候鋼優(yōu)點(diǎn)
耐蝕性能優(yōu)異
由于耐候鋼中添加了耐蝕性合金元素如Cu、P、Cr、Ni等，使得其表面銹層相對(duì)普通碳素鋼具有致密、牢固等特點(diǎn)，能夠阻礙銹蝕性物質(zhì)（如水分、CO2、SO2等）與基體表面接觸，從而減弱甚至阻止基體被持續(xù)腐蝕，在一般大氣環(huán)境中的耐腐蝕性能是普通碳素鋼的2～8倍，而且服役時(shí)間越長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)越明顯。目前已在橋梁、輸電線(xiàn)路鐵塔、園林景觀等設(shè)施建設(shè)中得到了青睞。
免維護(hù)、綜合成本低
已建成的耐候鋼橋幾乎不需定期維護(hù)，非常適合在維護(hù)困難或施工危險(xiǎn)的地方應(yīng)用。從全壽命周期成本來(lái)考慮，采用耐候鋼的綜合成本相對(duì)普通碳鋼均具有明顯優(yōu)勢(shì)。耐候鋼有免涂裝和涂裝兩種，分別以橋梁為例與涂裝的普通鋼橋進(jìn)行全壽命周期成本對(duì)比分析。結(jié)果如下：
（1）“免涂裝耐候鋼”與“普通鋼材+涂裝”的對(duì)比。在橋梁建設(shè)期，耐候鋼比普通結(jié)構(gòu)鋼成本增加約10%~25%，耐候鋼用焊絲比普通鋼用焊絲成本增加約50%~70%，綜上可知耐候鋼橋建造成本是普通鋼橋的1.2倍左右。但考慮到普通鋼橋的涂裝成本（涂裝成本占橋梁建設(shè)材料的1/4左右），耐候鋼橋的初始建設(shè)成本與傳統(tǒng)的涂漆鋼成本接近，見(jiàn)表1。
▼表1 免涂裝耐候鋼橋與普通鋼橋建設(shè)成本比較
注：根據(jù)2021年1月市場(chǎng)價(jià)格測(cè)算。
（2）“耐候鋼+涂裝”與“普通鋼+涂裝”的對(duì)比。在一些腐蝕相對(duì)嚴(yán)重的地區(qū)，耐候鋼也需要進(jìn)行涂裝。假設(shè)三座鋼橋首次使用時(shí)都進(jìn)行涂裝，相比采用普通鋼材，采用耐候鋼建造的初期成本增加約4.4%～12.2%，但全壽命周期成本降低36.7%～39.8%。同樣，由于維護(hù)很少，與未來(lái)相關(guān)的維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)顯然能最小化，避免了與初始涂裝有關(guān)的健康和安全問(wèn)題。具體對(duì)比見(jiàn)表2。
▼表2 涂裝耐候鋼橋與涂裝普通鋼橋的全壽命周期成本比較
注：根據(jù)2021年1月市場(chǎng)價(jià)格測(cè)算。
?環(huán)境效益好
由于耐候鋼可免涂裝或少涂裝，極大地避免或減少了普通鋼橋表面油漆涂層的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）排放和后續(xù)維護(hù)過(guò)程（如噴砂）產(chǎn)生清理碎屑對(duì)周邊環(huán)境的影響。同時(shí)，耐候鋼會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化，其色彩明度、飽和度較普通鋼高，并能保持極好的外觀一致性。
2.2 耐候鋼局限性
耐候鋼也有一定的局限性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
特殊部位易腐蝕
耐候鋼連接部位采用焊接方式時(shí)，易在焊縫部位加速腐蝕，需注意焊材氧化速率和母材匹配性；不同廠家耐候鋼材質(zhì)略有差異，連接部位易腐蝕，需注意材料一次采購(gòu)量。同時(shí)，耐候鋼并非不銹鋼，如果耐候鋼構(gòu)件凹處有積水，也會(huì)導(dǎo)致此處腐蝕速率變快，因此橋梁設(shè)計(jì)與施工要關(guān)注排水。
富鹽高濕環(huán)境適應(yīng)性差
耐候鋼對(duì)富鹽高濕環(huán)境較敏感，“Cl-”容易穿透表層保護(hù)膜。在這樣的環(huán)境中，表層保護(hù)膜可能阻止不了內(nèi)部的進(jìn)一步氧化，從而造成耐候鋼不“耐候”，因此需要考慮合適的涂裝防護(hù)。
銹層穩(wěn)定期長(zhǎng)
裸露使用雖然是耐候鋼獨(dú)特的使用方式，但其在自然環(huán)境中完成銹層的穩(wěn)定化過(guò)程需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，而且在形成穩(wěn)定化銹層之前常常出現(xiàn)銹液流掛與飛散的現(xiàn)象。為促進(jìn)穩(wěn)定銹層盡快形成，最有效的方法就是人為在耐候鋼表面制備一層可以透氣透水的膜，加速形成穩(wěn)定的銹層。
3 耐候鋼在鐵路鋼橋上應(yīng)用
當(dāng)前，免涂裝耐候鋼橋梁已在中國(guó)鐵路的建設(shè)中有所應(yīng)用。鞍鋼、首鋼、南鋼、湘鋼、舞鋼、寶武是耐候橋梁鋼的主要生產(chǎn)廠家，都具有耐候橋梁鋼研發(fā)、生產(chǎn)供貨能力，耐大氣腐蝕指數(shù)根據(jù)需求可以是I≥6.0或I≥6.5，鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)可滿(mǎn)足現(xiàn)代鋼橋的制造需求。
1989年武鋼NH35q曾試用于京廣鐵路巡司河橋梁，是我國(guó)第一座耐候鋼鐵路大橋；武鋼研制出新型高強(qiáng)度耐候鋼Q420q，已成功應(yīng)用在京滬高鐵南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋；鞍鋼參與的耐候鋼橋梁工程有阿拉斯加塔那那西河鐵路橋。南鋼開(kāi)發(fā)的Q345qENH～Q420qENH耐候橋梁鋼及其配套耐候焊材已應(yīng)用于川藏鐵路拉林段（拉薩—林芝），成為國(guó)內(nèi)第一座使用免涂裝耐候鋼鐵路大橋——雅魯藏布江藏木特大橋，且產(chǎn)品性能穩(wěn)定、質(zhì)量?jī)?yōu)良。此外，南鋼耐候橋梁鋼板已先后實(shí)現(xiàn)在張吉懷酉水大橋、濰萊高鐵右線(xiàn)跨青榮鐵路特大橋、赤壁大橋，以及耐候螺栓實(shí)現(xiàn)在黑河大橋等國(guó)內(nèi)重大或重點(diǎn)橋梁工程應(yīng)用，使用壽命有望超過(guò)120年。
為了監(jiān)控和了解耐候橋梁鋼在川藏鐵路沿線(xiàn)地區(qū)的自然環(huán)境腐蝕性能，鐵科院金化所、南京鋼鐵公司和北京科技大學(xué)等單位組成聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)，于2020年9月開(kāi)展了川藏鐵路線(xiàn)地區(qū)腐蝕環(huán)境調(diào)研，先后累計(jì)投樣800余片，涉及多種掛片鋼種，實(shí)現(xiàn)雅礱江大橋、列衣大橋、金沙江大橋和川藏鐵路拉林段藏木大橋等擬建或在建橋位的腐蝕環(huán)境調(diào)研及耐候鋼投樣掛片（圖1），同步收集溫、濕度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)，將對(duì)耐候鋼的在川藏鐵路（高原）沿線(xiàn)的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。
▲圖1 川藏鐵路拉林段藏木特大橋和大氣腐蝕掛片試驗(yàn)（紅圈位置）
4 耐候鋼未來(lái)在鐵路鋼橋的發(fā)展趨勢(shì)
我國(guó)橋梁規(guī)模龐大，但目前鋼橋占比不到2%，而美國(guó)、日本和法國(guó)的這一比例分別達(dá)到35%、41%和85%，發(fā)展空間巨大。川藏鐵路、沿海鐵路、山區(qū)鐵路等鐵路工程的大量建設(shè)，使我國(guó)耐候鋼橋梁在鐵路行業(yè)的推廣使用面臨較大的戰(zhàn)略機(jī)遇，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如下：
（1）加強(qiáng)調(diào)查研究，了解不同服役環(huán)境下的腐蝕性能。即不同耐候鋼的環(huán)境適應(yīng)性，以及有關(guān)銹層結(jié)構(gòu)、性質(zhì)演化的研究，同時(shí)深入開(kāi)展合金化和電化學(xué)理論研究，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)型耐候鋼原始創(chuàng)新發(fā)展。
（2）通過(guò)建立銹蝕層強(qiáng)度折減計(jì)算模型，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際服役環(huán)境需求選擇合理的使用方式（如：凃漆、銹層穩(wěn)定化處理或直接裸露使用）等，加快制定合理的耐候鋼鐵路橋梁的設(shè)計(jì)、制造及維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。
（3）發(fā)展具有綜合性能的耐候鋼橋梁及耐海洋大氣腐蝕的耐候鋼。具有大厚度、高強(qiáng)、高韌、高耐候、低屈強(qiáng)比、抗層狀撕裂、易焊接、高耐候指數(shù)等綜合性能的耐候橋梁鋼以及耐海洋大氣環(huán)境耐蝕橋梁鋼，也是未來(lái)鐵路用橋梁鋼的發(fā)展方向。
