中信微合金化技术中心 王厚昕博士
价廉物美的耐候钢
耐候钢，也就是耐大气腐蚀钢。它属于介于普通钢与不锈钢之间的一种低合金钢。耐候钢凭借自身生成的致密锈层，阻止基体被外界环境进一步侵蚀，以此实现自然的保护。
钢中加入磷、铜、铬、镍等微量元素后，会在钢材表面形成致密且附着性很强的保护膜，这种保护膜能阻碍锈蚀往里扩散和发展，从而保护锈层下面的基体，以此来减缓钢材的腐蚀速度，这就是探寻耐候钢耐大气腐蚀的原理。约 50μm 到 100μm 厚的非晶态尖晶石型氧化物层在锈层和基体之间形成，它致密且与基体金属黏附性良好。因为这层致密氧化物膜的存在，大气中的氧和水无法向钢铁基体渗入，钢铁材料锈蚀向纵深发展的速度被减缓，钢铁材料的耐大气腐蚀能力得到了大大提高。耐候钢是一种能够减薄使用、裸露使用或者简化涂装的钢系，这种钢系可以让制品抗蚀延寿、省工降耗并且升级换代。所以，它也是一个能够融入现代冶金新机制、新技术、新工艺，从而使其持续发展和创新的钢系。
耐候钢在大气中抗蚀性能比普碳钢优良。与不锈钢相比，耐候钢含有的合金元素只是微量的，像磷、铜、铬、镍、钼、铌、钒、钛等这些元素，其合金元素总量仅占百分之几，然而不锈钢的合金元素总量能达到百分之十几，所以耐候钢价格较为低廉。
建桥优势 难以替代
2012 年至今是我国推进桥梁钢绿色化发展的新阶段。在这个阶段里，有一个最具代表性的钢种，那就是耐候桥梁钢。可以说，耐候桥梁钢的发展以及它的应用，开启了中国桥梁钢发展的新的篇章。
为何会有如此高的评价？原因在于在桥梁建造领域，解决金属材料腐蚀这一问题极为紧迫。根据工业发达国家的统计，每年因钢结构腐蚀而导致的经济损失，占 GDP 的 2%至 4%，全世界每年因钢结构腐蚀造成的经济损失高达数万亿美元。在所有由腐蚀所导致的损失当中，大气腐蚀所造成的损失约占 50%。耐候钢的出现，在很大程度上把钢材的腐蚀问题给解决了。研究表明，从快速建造这一因素考虑，将耐候钢用于桥梁建设能得到收益；从全寿命周期成本这一因素考虑，将耐候钢用于桥梁建设能得到收益；从环境保护这一因素考虑，将耐候钢用于桥梁建设能得到收益。
耐候钢因其独特的优点，因而在桥梁应用中具有以下优势：
一是内部性能方面具有优势：许多桥梁的设计是紧贴水面的，还有些桥梁是跨海大桥。无论是海水环境还是河水环境，都或多或少会出现涨潮的情况，从而导致水淹没在桥面上。这就对桥梁的材料提出了很高的要求，若使用普通钢材，很快就会生锈。然而，将耐候钢板应用于桥梁工程中，就能够有效减少这种腐蚀现象。
一是美观方面：耐候钢板经过一段时间的使用后，其锈层会自然钝化。随着时间的不断推移，这种铁锈腐蚀所形成的颜色会发生变化，最终会呈现出深咖啡色。在众多建筑物的设计里加入这种颜色元素，能够达成厚重的效果。对于桥梁工程而言，使用耐候钢板，在无形中给桥梁增添了厚重的质感，并且能与周围环境和谐地融合在一起。
一是长寿方面，耐候性钢能够延长桥梁的寿命，并且可以保护基层材料不被腐蚀，这正是其获得越来越多人认可的一个重要原因。
攻玉喜有他山石
耐候钢具有不朽之美，在美国和日本很早就被应用于桥梁结构。它给桥梁建设带来了诸多优势，比如减轻自重、节省维护成本以及提高建造效率等。在这个过程中，耐候桥梁钢的性能不断提升，最终发展成了高性能桥梁钢（High ）。
从发展趋势来看，国外已将耐候钢逐渐当作普通钢种来广泛使用。韩国开始研发并在桥梁工程中大量使用耐候钢。
从市场需求角度来看，目前在国外，采用耐候钢建造钢桥的情况越来越多。据不完全的统计数据，1993 年时美国的裸露耐候钢桥梁已经超过 23000 座。日本从 1968 年开始涂装使用耐候钢桥梁，1976 年开始裸露使用，到现在以桥梁为基数来看，有 2/3 是裸露使用的，有 1/5 是进行锈层稳定化处理的，而涂漆使用的仅占 1/10。从钢材用量方面进行比较，美国的耐候钢桥在其全部钢桥中所占比例为 45%，日本的耐候钢桥在其全部钢桥中所占比例为 15%。
新里程碑 惊艳世界
国内冶金科技工作者不懈努力，催生了一批有重要示范意义的代表工程。这些工程把国内耐候钢桥的发展从涂装阶段、半涂装阶段推向了免涂装的全新阶段，并且取得了重要的应用突破。
在这一发展进程里，新树立起了三个全新的国内高性能耐候钢桥建设的重要标志：其一为铁路桥，即川藏铁路拉萨至林芝段（简称拉林铁路）的藏木雅鲁藏布江大桥；其二是公路桥，也就是北京官厅水库特大桥；其三是国家“一带一路”的示范工程，即中俄跨境黑河—布拉格维申斯克黑龙江（阿穆尔河）公路大桥（以下简称黑河大桥）。
藏木雅鲁藏布江大桥全长 525.1 米。它处于桑加大峡谷藏木水电站上游库区，横跨水深达 66 米的雅鲁藏布江，且有两岸对接隧道。这座大桥在桥梁领域创造了多项新纪录，意味着中国乃至世界同类型桥梁建设达到了最高水平。其主拱跨径为 430 米，是世界上跨度最大的铁路钢管拱桥。主拱管径1.8m，在同类型桥梁中排名世界第一。
为应对高原环境中的高寒、大温差和强紫外线等情况，建设者提出了铁路高性能免涂装耐候钢的成套技术。这项技术首次在国内铁路桥主体结构中得以应用，使得该桥在 100 年内无需进行油漆防腐涂装。这样一来，既减少了在高原缺氧环境下钢结构的养护维修工作量，又避免了因油漆涂装而引发的环境污染问题。同时，还节约了维护成本，延长了桥梁的使用寿命。
中国著名桥梁钢专家、副总经理兼总工程师郭爱民博士（左）与本文作者王厚昕博士在西藏拉林藏木铁路耐候钢桥前留下了合影。这是中国耐候钢桥的第一座里程碑。
官厅水库桥是首座免涂装耐候特大公路桥，它处于北京一级水源保护区。为减少对水库的污染，并且免除后期重新涂装的工作，所以采用了含 Nb 免涂装耐候桥梁钢，这种钢的用量共计 8700 余吨。
官厅水库特大桥施工过程中采用以下新技术：
首先是超耐候钢桥防腐涂装技术。主桥钢结构运用了超耐候防腐涂装技术，这样能提升主桥钢桁架的耐候性能，能够最大程度地延长涂装体系的寿命，还可以减少桥梁在全寿命期内重新涂装的次数，并且能降低钢桥涂装作业所产生的各种污染。
图二展示了中国耐候钢桥的第二座里程碑，即首座免涂装耐候特大公路桥——官厅水库桥。该桥处于北京一级水源保护区，为减少对水库的污染，同时免除后期重新涂装的工作，所以采用了含 Nb 免涂装耐候桥梁钢，其总量达到了 8700 余吨。
黑河大桥使用了 4536 吨鞍钢生产的桥梁钢。这种桥梁钢具有高韧高耐候的特性。它填补了 F 级耐候桥梁钢应用的空白。同时，它也将我国耐候桥梁的开发与应用推向了一个新的高度。黑河大桥采用的这种钢，是由汇同鞍钢并联合黑龙江省公路勘察设计院、中铁山桥等单位共同成立产业链项目组，历时两年研制成功的。它具有高强、高韧、高耐候的特点。
图三展示了中国耐候钢桥的第三座里程碑。这一里程碑是国家“一带一路”示范工程，即中俄跨境的黑河 - 布拉格维申斯克黑龙江公路大桥（黑河大桥）的雄姿。
图四 国内桥梁钢专家在黑河大桥旁留影。
市场潜力巨大 国家已有规划
美国耐候桥梁钢用量的情况表明，如果中国桥梁使用耐候钢能达到美国的水平，那么就会有每年 108 - 120 万吨的市场潜力。由此可见，耐候桥梁钢在我国有着极为巨大的市场潜力。
国内裸露使用的耐候钢桥发展态势良好。然而，在耐候桥梁钢（涂装或不涂装）的设计与施工过程中，会遇到一些细节问题，这需要钢铁企业、桥梁设计部门和制造部门共同努力、通力协作，开展细致且系统的研究。同时，还需要对正在服役的耐候性桥梁进行跟踪，以便了解其在使用过程中所存在的问题。希望建立起相应的企业或行业标准以及国家标准，这样便于设计者进行选取，进而为耐候桥梁钢的应用打下坚实的基础。
我国未来在桥梁工程建设中钢材的耐候性能，会更倾向于以钢结构作为主体结构形式。同时，国家针对桥梁工程建设有着鼓励的政策。《国家中长期科学与技术发展规范纲要（2006—2020 年）》表明：需重点对“跨海湾通道、大型桥梁和隧道等高难度交通运输基础设施的建设和养护关键技术及装备”展开研究开发；要重点对“城市综合交通、市政基础设施等综合功能的提升技术”进行研究开发；《产业结构调整指导目录（2011 年本）》也将“城市基础设施、铁路、公路”列为鼓励发展的行业，并且特别鼓励发展“特大跨径桥梁的修筑和养护维修技术应用”；在 2016 年，交通运输部发文《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，明确提出要加强方案比选，鼓励选用钢结构桥梁。为了提升公路桥梁的品质和耐久性，同时降低全寿命周期的成本，对于环境条件适合的项目，应当推广使用耐候钢，以此来提高结构抵抗自然环境腐蚀的能力，进而降低养护成本。
相信在国家诸多鼓励政策的推动和引领下，我国桥梁工程的建设规模会持续扩大，与其紧密相关的桥梁用钢也会持续发展钢材的耐候性能，应用耐候桥梁钢必然是重要的发展途径。
