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金属铜在文化建筑外立面上的应用

 近年来,国内兴起了一股文化建筑建设的高潮,对于宗教建筑外立面来讲,铜在古代就有铜门、铜雕像、铜屋面的案例,在无锡灵山大佛、南京牛首山文化旅游项目、普陀山观音圣坛等项目中,笔者发现铜是业主在建筑外立面上除石材外最大量使用的装饰材料。相信随着中国的崛起,人民精神层面的需求会越来越大,文化建筑也会在建筑市场上扮演相当重要的角色,从而使得铜在建筑立面上应用提上研究日程。

  而这类建筑往往坐落在山区或海岛,在海岛上面要在酸性海洋性气候下,要达到文化建筑立面历久弥新的要求,为立面选材和设计带来了挑战。

  2 建筑用铜的基本介绍

  2.1 铜的自然属性

  铜是人类最早发现的古老金属之一,早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少,现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的,这种矿石含铜量极低,一般在2--3%左右。金属铜,元素符号Cu,原子量63.54,比重8.92,熔点1083°C。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色。铜具有优良的物理化学特性,其热导率和电导率都很高,化学稳定性强,抗张强度大,易熔接,具抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝,制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金,形成的合金主要分成三类:黄铜是铜锌合金,青铜是铜锡合金,白铜是铜钴镍合金。

  铜冶金技术的发展经历了漫长的过程,但至今铜的冶炼仍以火法冶炼为主,其产量约占世界铜总产量的85%,现代湿法冶炼的技术正在逐步推广,预计本世纪末可达总产量的20%,湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。

  2.2 铜的主要用途

  铜是与人类关系非常密切的有色金属,被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域,在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。以下是各行业铜消费占铜总消费量的比例:

  行业         铜消费量占总消费量的比例

  电子(包括通讯)        48%

  建筑             24%

  一般工程            12%

  交通              7%

  其他               9%

  2.1 建筑用铜常用类型

  紫铜,铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色,又称紫铜。纯铜密度为8.96,熔点为1083℃,具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机、母线、电缆、开关装置、变压器等电工器材和热交换器、管道、太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。常用的铜合金分为黄铜、青铜、白铜3大类。

  黄铜 ,以锌作主要添加元素的铜合金,具有美观的黄色,统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。含锌低于36%的黄铜合金由固溶体组成,具有良好的冷加工性能,如含锌30%的黄铜常用来制作弹壳,俗称弹壳黄铜或七三黄铜。含锌在36~42%之间的黄铜合金由和固溶体组成,其中最常用的是含锌40%的六四黄铜。为了改善普通黄铜的性能,常添加其他元素,如铝、镍、锰、锡、硅、铅等。铝能提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性,但使塑性降低,适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件。锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性,故称海军黄铜,用作船舶热工设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能;这种易切削黄铜常用作钟表零件。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。

  青铜 ,原指铜锡合金,后除黄铜、白铜以外的铜合金均称青铜,并常在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名。锡青铜的铸造性能、减摩性能好和机械性能好,适合于制造轴承、蜗轮、齿轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铝青铜强度高,耐磨性和耐蚀性好,用於铸造高载荷的齿轮、轴套、船用螺旋桨等。铍青铜和磷青铜的弹性极限高,导电性好,适於制造精密弹簧和电接触元件,铍青铜还用来制造煤矿、油库等使用的无火花工具。

  白铜,以镍为主要添加元素的铜合金。铜镍二元合金称普通白铜;加有锰、铁、锌、铝等元素的白铜合金称复杂白铜。工业用白铜分为结构白铜和电工白铜两大类。结构白铜的特点是机械性能和耐蚀性好,色泽美观。这种白铜广泛用於制造精密机械、化工机械和船舶构件。电工白铜一般有良好的热电性能。锰铜、康铜、考铜是含锰量不同的锰白铜,是制造精密电工仪器、变阻器、精密电阻、应变片、热电偶等用的材料。

  由上表可知,紫铜和白铜一般运用在工业领域,青铜一般运用在建筑雕塑方面,而黄铜具有较高的性价比、各项指标表现均衡以及优良的加工工艺性能,选择黄铜作为建筑表皮用装饰面材,有一定的理论依据。

  3 铜防腐原理与表面处理形式

  3.1 铜的防腐原理

  铜(黄铜,牌号为:H62)在无保护条件下,在乡村大气环境中年腐蚀量为0.2~0.6微米。在海洋污染大气环境中,年腐蚀量为0.6~1.1微米[1]。在城市污染大气环境中,年腐蚀量为0.9~2.2微米。建筑立面一般用2毫米厚的铜板腐蚀掉1毫米后,一般仍能保持原有功能。则在最严重的城市污染环境中1毫米的腐蚀年限为1000微米÷2.2=454年。

  铜在自然状态下,会因为大气的腐蚀而产生表面氧化层,即铜绿,铜锈主要分为氧化铜和碱式碳酸铜(简称铜绿)。铜绿是大气腐蚀铜表面的结果,同时铜绣也会对铜表面也产生一定的保护。铜绿的年腐蚀量如下,在乡村大气环境中年腐蚀量为0.5微米。在海洋污染大气环境中,年腐蚀量为1微米。在城市污染大气环境中,年腐蚀量为1~2微米[1]。这也就是为什么古代宗教建筑使用铜的主要原因,另外就是不锈钢的制造技术也是在近代才得以发展。下图是铜在自然氧化过程中颜色和年份对应关系图。

  3.2常用铜表面处理形式

  常见文化建筑的铜表面处理形式有氟碳涂层、铜表面氧化、镀金、贴金箔、铜鎏金等方式。其中,由于氟碳漆原料的革新,加之良好的性价比,目前正广泛被文化建筑项目所接受。

  氟碳金属漆是以氟碳树脂为主要原材料的一种高品质溶剂型防腐装饰漆。具有优异的耐候性,理论寿命在20年以上。与基材的附着力异常牢固,适用铜、铁、铝等金属材料的基层,具有优异的防锈、防氧化、防腐蚀性能,是当今汽车、航空、航海、核电站的理想用漆。美国研究机构曾对氟碳涂料及超级涂料、一般涂料做过测试比较,分别涂层的样件放在美国佛罗里州灼热阳光照射,以及在潮湿含盐份空气的恶劣环境下暴露12年,实际证明氟碳涂料的稳定性和耐久性比其他两种涂料高30个和80百分点,氟碳涂料保证了在室外各种恶劣环境下使用。

  铜表面高温热氧化工艺处理[2],采用高温热氧化着色工艺,即铜化学热着色,不同于物理喷涂着色。着色好后的颜色,看上去就如同从铜内部透出来的一样,丰富、自然、厚重、牢固。目前国际上最前沿技术含量最高的着色技术。由于是在高温下形成的颜色,所以颜色的持久性非常好,形同于室内热着色的工艺品如香炉,果盘等。这种技术在外墙的的应用还有待进一步证明。

  电镀技术:将零件作为阴极放在含有欲镀金属的盐类电解质溶液中,并使阳极的形状符合零件待镀表面的形状,通过电解作用而在阴极上(即零件)发生电沉积现象形成电镀层。根据电镀质量、镀层厚度等的不同,电镀时所选用的电流密度、电解液的温度、电镀时间等工艺参数不同。电镀金时,阳极用纯金板,与直流电源正极相连,阴极为紫铜基体,经过前处理后,与电源负极相连。将阴阳极放入电镀溶液中,当接通电源时,即可实现对阴极基体表面的电镀。电镀涉及的基本问题和理论解释属于电化学范畴,而沉积层物理性能方面的改变则属于金属学方面的范畴。

  金镀层具有高导电性、低接触电阻、良好的焊接性能,它在海洋性大气中及一般酸碱条件下都具有优异的化学稳定性及耐蚀性。通过对镀层的表面质量、显微硬度、结合力等性能进行分析表明电镀处理使这些耐腐蚀性能和机械性能得到明显提高。镀金层电化学惰性决定其耐腐蚀性能极佳,与其他金属镀层相比耐蚀性突出。30年内镀金表面基本无腐蚀。由于电镀槽尺寸的限制,外墙镀金铜板的单块面板面积不宜过大,性价比较低,目前尚不能大面板使用在外墙立面上。

  金箔,是利用黄金延展性强的特性,用纯金锻打而成的极薄的箔片,其含金量为98%±1%,其厚度为0.12微米,具有金光灿烂、永不变色之特点。将金箔贴于物体表面,不仅能增强其观瞻效果,同时对基层材料起到耐腐蚀,耐氧化的保护作用。金的化学性质稳定,具有很强的抗腐蚀性,在空气中甚至在高温下也不氧气反应,同时金在高温下都不会和氧气与硫反应,化学性质非常稳定,室内可保证100年不变色。由于贴金箔对现场环境要求高,价格昂贵等原因,室外外墙的应用还有待进一步开发。

  铜鎏金,鎏金是自先秦时代即产生的传统金属装饰工艺,是一种传统的做法,至今仍在民间流行,亦称火镀金或汞镀金。铜鎏金是把金和水银合成的金汞剂,涂在铜器表层,加热使水银蒸发,使金牢固地附在铜器表面不脱落的技术。在鎏金过程中有大量汞蒸气远散,不但污染周围环境,而且危害人体健康,特别是操作人员身体的健康。汞,化学符号Hg,俗称水银,为易流动的银白色液态金属,内聚力很强,熔点-38.87℃,沸点356.589℃,因汞离子是一种强烈的细胞原浆毒,能使细胞中蛋白质沉淀,故汞蒸气和汞的大多数化合物都有剧毒。在鎏金过程中,特别是在“杀金”、“烤黄”工序中,因在火上进行,会产生大量汞蒸气.通过呼吸道、食道、皮肤侵入人体引起汞中毒。因而目前国内外墙上基本没有应用实例。


  4 材料试验

  4.1 试验方法

  金属铜及表面处理的材料试验研究分为耐腐蚀试验和耐候性两个方面。所提供材料涂层的加速环境腐蚀性能,包括模拟海洋环境下的盐雾试验及紫外线抗老化试验等,给出不同涂层腐蚀试验数据,为涂层的选择提供选择依据。

  腐蚀数据与耐久年限之间的数据关系,目前,在国内还没有比较成熟的数据模型和资源可寻,国外的长期大气腐蚀耐候试验做的较多,主要以金属或涂层为主,但由于国外是以长期的试验为基础(已经积累了近百年)获得大量的试验数据,因此可以查阅到的主要以钢铁材料、铜合金材料等数据为主,而相关的预测模型主要以实验室的加速试验结合大气腐蚀试验进行预测,因此可考虑结合短期环境曝露试验(可能情况下)和试验数据相结合的方式,如无法实现,将以同等环境下,所提供涂层材料的腐蚀数据进行优劣判断,优选出最佳涂层方案。

  4.2 方案策略

  依据《GB/T 25834-2010金属和合金的腐蚀 钢铁户外大气加速腐蚀试验》、中的相关测试方法,进行所提供涂层的腐蚀性能评估,测试不同时间下的腐蚀速率,给出材料耐腐蚀性能的优劣。

  模拟环境试验中的气氛,含盐、含酸、紫外线等条件,在已有设备上进行改造,通过混合喷雾或者双喷雾的方式,以氯化钠和类酸雨成分溶液喷雾模拟海洋环境气氛,同时在盐雾试验箱内加装紫外线老化装置,进行综合评价,采集腐蚀速率,进行材料涂层的优劣判断。

  通过光谱学试验给出长效腐蚀前后的表面颜色色差变化。

  年限服役及数据判断,通过已获得的数据可以直观的进行材料及涂层的耐腐蚀性能的对比,优选出涂层方案,此外对试验数据进行分析,通过腐蚀速率的评价给出长效服役情况下的涂层厚度等选择依据,以确保百年服役要求。

  盐雾试验:主要依据《耐盐雾试验国家标准–人造气氛腐蚀试验盐雾试验 GB /T 10125一2012》的测试方法进行加速腐蚀试验,在以氯化钠和类酸雨溶液(主要PH值<5.6,含硫酸根溶液)下的喷雾长效试验为主,定期检测式样的腐蚀成分、形貌、腐蚀失重等试验数据;

  电化学加速腐蚀试验:在更苛刻条件下对比涂层的电化学腐蚀性能,给出同等条件下不同涂层的腐蚀数据,结合盐雾试验等数据,综合评估涂层的服役性能。

  紫外线老化试验:在盐雾腐蚀试验同时,通过改装配置紫外老化装置,进行环境腐蚀试验下的老化加速试验,定期进行表面光谱学检测,给出耐紫外老化试验数据。

  对材料涂层表面的腐蚀成分、形貌、失重等,采用扫描电镜、能谱成分分析、精密天平称重等方法获得所需要的试验数据,绘制腐蚀试验及老化试验数据曲线,对比分析不同涂层材料的优劣,同时可以根据可能条件下(户外曝露试验数据)进行对比分析,推断腐蚀速度随时间的变化曲线,同时给出具有参考价值的服役年限对比数据。

  5 立面铜钣金工艺系统

  5.1 耐久性问题

  建筑立面的耐久性设计,所涉及的方面较多,其中包括面板,无论是玻璃、金属、石材、混凝土或GRFC;骨架,以及将墙板固定于结构并传递水平荷载的埋件;板或单元体之间的接缝。另外墙体与基础,与屋面,与其他相邻部位的连接部分,连同洞口都很重要。不同的系统会带来不同的问题,每个相关设计人员设计职责也不相同。建筑物越高,材料越脆以及越重,所存在的安全隐患就越严重。其中渗漏水问题应该是影响耐久性的关键性因素[4]。

  常见的渗漏水原因主要由下面几个方面引起:

  (1) 建筑师、承包商、分包商、技术顾问没有充分理解防水处理的设计原理;

  (2) 防水设计没有被施工人员或承包商充分理解,彼此缺乏交流、沟通;

  (3) 没有通过加工图纸和组装图,检测和施工监督对设计进行核查;

  (4) 各参与方缺乏协调合作。

  正确的系统防水设计概念除了将水隔离在墙体以外的同时,需要考虑漏气、保温、防结露、适应结构相对位移等方面影响。所以系统耐久性的提高有耐于高品质的设计、构件、装配、安装、以及各部分的通力合作。要达到百年的设计寿命,除了材料本事的耐久性、科学合理的设计系统,最为关键的因素是完善的检测体系,包括立面幕墙制作、施工过程中以及幕墙系统服役阶段持续检测,要有可维护设计的概念。

  5.2 铜钣金系统

  面板没有接缝的系统,是阻止室外水进入幕墙系统最好的设计思路之一,也是避免水腐蚀内部构件最好的策略之一。这就是钣金系统的出发点。在百度上搜索“钣金”,一种加工工艺,钣金至今为止尚未有一个比较完整的定义。根据国外某专业期刊上的一则定义,可以将其定义为:钣金是针对金属薄板(通常在6mm以下)一种综合冷加工工艺,包括剪、冲/切/复合、折、铆接、拼接、成型(如汽车车身)等。其显著的特征就是同一零件厚度一致。

  宗教文化建筑的金属立面通常采用2mm左右铜板或不锈钢板挂接在内部钢架上的结构形式,通过手工锻制、折弯等方式分块制作文化宗教特定的艺术外形,通过焊接方式连成整体,外表面根据颜色要求喷涂金属氟碳漆。

  钣金系统的总体结构由内部主结构、副支架和铜壁板(或者不锈钢壁板)组成,如图3所示。

  (1) 壁板结构

  由于2mm左右的铜板(不锈钢板)的刚度较小,在荷载作用下表面形状易于变形,需要在不锈钢内侧增加型面钢架来提高刚度,所以外铜皮和型面钢架共同组成壁板结构。

  铜外皮与型面钢架之间采用种钉组件连接,是通过电容式储能螺柱焊机通过瞬间强电流产生高热,将焊接螺柱牢固焊接在不锈钢板上,是一种高效、全断面融合的特种焊接工艺,焊接不会引起不锈钢外表面的焊接变形和焊接痕迹。

  (1) 主体钢架结构

  主体钢结构用于承载壁板的自重及各种外部载荷,均匀分布到内部主体混凝土结构或钢结构上。如果铜表皮与内部混凝土结构之间距离小于2米,就在混凝土结构中预留钢的预埋件用于壁板连接,不布置主体钢架。

  (2) 副支架结构

  利用副支架将一块块的壁板连接到副钢架上,实现悬挂承载方式,同时将壁板承受的载荷传递给主体钢架。副支架的一端焊接在壁板的型面钢架上,另一端通过连接板焊接在主钢架上,副支架的布置有水平向和斜向两种形式,每块壁板上水平向和斜向交错布置使得每两根副支架和壁板之间形成三角形的稳定结构。

  5.3项目制作流程

  项目的制作、安装主要包括1:10模型制作、模型数据采集及处理、主体结构设计制作与现场安装、壁板设计制作和现场安装、副支架现场安装、整体修饰、表面抛光,表面涂装等工艺过程。由于篇幅限制,施工安装的流程另文说明。

  5.4 维护和维修

  项目完成后服役阶段因受各种环境的影响,可能会产生一定的缺陷和故障,为保证神像的长期供奉,需定期对表皮进行检查维护,发现问题及时维修,检查维护的主要内容及主要维修方法如下:

  (1)项目表面及内部钢结构的防腐涂层:如发现起皮、老化或脱落需清洗后重新按原方法原材料涂刷防腐涂料。

  (2)项目内部的焊缝:如发现裂纹则需补焊维修,如裂纹较大或较多则需根据实际情况制定可行的维修方案进行维修。

  5.5 小结

  铜钣金工艺的特点,可以形成复杂的神像曲面造型;可以通过焊接实现无缝的表面,达到建筑师希望的效果;复杂的几何形状在工厂加工,精度有保证;重量较轻,对主体结构影响小;运输和吊装方便表面涂装工艺成熟,耐候性好;可以通过后期维护保持外观效果。具有相当的应用前景。

  6 总结

  随着文化建筑的兴起,铜作为一个重要历史和自然元素在建筑的历史舞台上注定要大放异彩,而钣金工艺的系统设计制作日益完善和成熟,铜表面的处理技术也在不断创新,是解决建筑立面耐久和防腐蚀设计的新思路。同样,我们也可以考虑针对薄型铝板和不锈钢板采用钣金工艺设计来突破常规,期待本文能抛砖引玉,带动整个建筑表皮的创新,为行业发展做出贡献。

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