Особенности применения стали Кортен в строительстве

Стали, устойчивые к атмосферной коррозии, представляют собой обычные конструкционные стали, легированные медью и фосфором. Такая сталь создаёт защитный оксидный слой, замедляющий процесс коррозии в условиях, когда сталь может свободно увлажняться и высыхать на открытом воздухе. Ранее эти марки стали использовались в основном в промышленных конструкциях. Однако в последнее время их популярность значительно возросла в фасадных решениях и ландшафтном дизайне, архитекторы считают цвет Кортен очень привлекательным. Кроме того, сталь Кортен является экологичным материалом, так как она не требует отдельной антикоррозионной обработки.

Общая информация о стали Кортен

История создания стали Кортен

Атмосферостойкие стали были разработаны в США в начале ХХ века, когда было замечено, что стальной лист, легированный медью, намного более устойчив к атмосферной коррозии, чем обычны лист из углеродистой стали. Компания U.S. Steel провела обширные исследования, проверяя физические свойства и устойчивость к атмосферной коррозии множества листов с различными химическими составами, в результате которых была разработана сталь Кортен и запатентована в 1933 году.

Изначально сталь Кортен использовалась в качестве материала для бункерных конструкций в угольных вагонах, поскольку является более устойчивой к механическим нагрузкам и коррозии, чем обычная углеродистая сталь.

Позднее сталь Кортен нашла широкое применение в стальных конструкциях, в которых нормальная углеродистая сталь поддавалась преждевременной коррозии из-за совместного воздействия погоды, воды и примесей, появляющихся при промышленном производстве.

Мост Shanks Millennium, Великобритания

Сегодня Кортен используется в транспортных контейнерах, мостовых конструкциях и различном технологическом оборудовании в химической и нефтехимической промышленности. Кортеновская сталь также часто используются в опорах линий электропередач, столбах освещения или погрузочно-разгрузочном оборудовании, конструкциях шасси грузовиков, резервуаров для воды, дымоходов и строительной промышленности.

В зависимости от применения, сталь Кортен может использоваться сама по себе или окрашиваться. При правильном использовании необработанная сталь Кортен быстро образует плотный и жесткий слой оксида, который предотвращает прогрессирующее ржавение. С другой стороны, окрашенные конструкции Кортен имеют более длительные интервалы подкрашивания в процессе технического обслуживания, так как слой жесткого окисида проявляется на любых поврежденных участках лакокрасочного покрытия, при этом коррозия не может прогрессировать под краской, как это обычно происходит с окрашенной углеродистой сталью.

Свойства стали Кортен

Углеродистая сталь представляет собой высокоактивный металл по сравнению с, например, нержавеющей сталью и медью. По этой причине любая влага или атмосферный кислород, получающий доступ к поверхности неокрашенной углеродистой стали, быстро вызывает окисление и образование гидроксида железа. Этот процесс обычно называют коррозией. По мере того, как поверхность стали многократно увлажняется, происходит ржавление, что может существенно ухудшить свойства стальной конструкции. Кортен также окисляется в процессе контакта с воздухом и влажностью. Однако механизм окисления в сталях Кортен отличается от ржавления конструкционных сталей. Когда кортеновская сталь многократно увлажняется и высыхает, на его поверхности образуется плотный и очень жёсткий оксидный слой. Этот слой предотвращает развитие коррозии в нормальных погодных условиях, поэтому стали Кортен называются атмосферостойкими.

Текстура стали Кортен

С момента патентования Cor-Ten было проведено более 30 000 испытаний с целью оптимизации химического состава стали и достижения наилучших показателей погодоустойчивости. В зависимости от марки сталь Cor-Ten может содержать до 10 легирующих элементов. Хром, никель, медь и фосфор улучшают стойкость стали к атмосферной коррозии. Кремний, титан, молибден и ванадий еще больше увеличивают плотность оксидного слоя, взаимодействуя с медью и хромом. Сегодня существует ряд марок стали, объединенных общим запантентованным названием Cor-Ten.

Химический состав сталей Кортен, %

Процесс коррозии на поверхности стали можно описать с помощью электрохимических реакций. Когда сталь становится влажной, на поверхности создаются небольшие локальные очаги. Окисление железа происходит в анодной точке (-), а восстановление – в катодной точке (+):

Fe -> Fe₂ + 2e (1)

½O₂ + H₂O + 2e -> 2OH (2)

Общая реакция окисления железа представляет собой сумму подреакций:

Fe + ½O₂ + H₂O -> Fe (OH)₂ (3)

Гидроксид железа далее окисляется в оксигидроксид железа, который считается наиболее распространенным состоянием ржавчины:

2Fe (OH)₂ + ½O₂ -> 2FeO(OH) + H₂O (4)

На практике влажная фаза и сухая фаза на поверхности стали чередуются. Во время влажной фазы ржавчина восстанавливается в оксид железа (II, III), магнетит (5), а во время сухой фазы магнетит восстанавливается в оксигидроксид железа, гетит, липидо кроссит (6):

Fe₂ + 8FeO (OH) + 2e -> 3Fe₃O₄ + 4H₂O (5)

2Fe₃O₄ + 3H₂O + ½ O₂ -> 6FeO(OH) (6)

Восстановительные условия, преобладающие на поверхности стали, происходят когда поры ржавчины заполняются водой. Окисление происходит, когда внешняя поверхность ржавчины высыхает. Это означает, что ржавчина, создаваемая атмосферными условиями, состоит из нескольких состояний железа, главным образом магнетита Fe₃O₄ и оксигидроксида железа FeO(OH).

На атмосферную коррозию стали также влияют воздушные примеси, в том числе двуокись серы и триокись серы. Когда температура воздуха находится ниже кислотной точки росы, оксиды растворяются в конденсирующейся воде, производя серную кислоту, H₂SO₄:

SO₂ + H₂O + ½O₂ -> H₂SO₄ (7)

SO₃ + H₂O -> H₂SO₄ (8)

Оксид железа (ржавчина) катализирует превращение SO₂ в серную кислоту. Серная кислота реагирует со сталью, образуя сульфат железа (FeSO₄), который может быть дополнительно окислен до сульфата трехвалентного железа, Fe2(SO4)3 и оксогидроксида железа, FeO(OH):

H₂SO₄ + Fe + ½O₂ -> FeSO₄ + H₂O (9)

12 FeSO₄ + 2H₂O + 3O₂ -> 4Fe₂(SO₄)₃ + 4FeO(OH) (10)

Сульфат железа может быть дополнительно гидролизован в оксигидроксид железа и серную кислоту:

Fe₂(SO₄) + 4H₂O -> 2FeO(OH) + 3H₂SO₄ (11)

Теоретически серная кислота может снова появиться в реакциях окисления. Это также подтверждается тем, что в условиях присутствия оксидов, образующих кислоту, коррозия стали происходит относительно быстро. Такие условия наиболее вероятны в промышленной и городской среде.

Многие испытания на коррозионную стойкость, проведенные в течение более чем трех десятилетий, показали, что стойкость стали Кортен к атмосферной коррозии значительно выше, чем сопротивляемость обычных углеродистых сталей. Кортен показывает особенно высокую коррозионную стойкость в промышленной среде, где скорость протекания коррозии составляет лишь одну пятую от скорости коррозии углеродистой стали или даже меньше. Значительная разница в скоростях коррозии наиболее заметна после 5-10 лет эксплуатации, когда на поверхности стали образовался плотный и очень жёсткий оксидный слой, защищающий её от коррозии. Скорость коррозии сильно зависит от условий окружающей среды. В качестве эталонных значений можно использовать следующие скорости коррозии, рассчитанные на основе изменения веса образцов после десяти лет эксплуатации:

Цвет оксидного слоя варьируется от красновато-коричневого до темно-фиолетового в зависимости от условий окружающей среды. Цвет стали Кортен меняется от бархатистых бронзовых тонов до насыщенно-коричневого.

Изменения цвета оксидного слоя на стали Кортен во времени в сельской среде

Изменения цвета оксидного слоя на стали Кортен во времени в промышленной среде

Покраска стали Кортен

Сталь Кортен может быть окрашена любой краской, предназначенной для антикоррозионной обработки стали. Исследования показали, что долговечность алкидного лакокрасочного покрытия на стали Кортен в 1,5-2 раза больше чем на углеродистой стали. На рисунке ниже (слева) показан внешний вид окрашенных образцов Кортен и углеродистой стали после пробного использования в течение 15 лет в условиях морского климата. В правой части рисунка показаны окрашенные образцы, подверженные воздействию промышленной среды в течение нескольких лет. Сталь Кортен не показывает признаков ржавчины под лакокрасочным покрытием, состоящим из цинк-хроматной грунтовки и виниловой краски.

Более длительный срок службы лакокрасочного покрытия на стали Кортен объясняется тем, что при появлении царапины на поверхности покрытия образуется плотный оксидный слой, который не позволяет проникать ржавчине под краску, как это происходит с обычной углеродистой сталью.

Обработка и патинирование стали Кортен

С изделиями из стали Кортен необходимо обращаться очень внимательно. Следует избегать повреждений поверхности, а брызги от сварки, как и другие загрязнения поверхности должны быть удалены. Стали Кортен могут храниться на открытом воздухе при условии свободной циркуляции воздуха между листами, так чтобы поверхности, которые могут намокнуть, смогли быстро высохнуть. При долговременном открытом хранении изделий следует поместить их под накрытие, а листы и другие компоненты должны быть отделены друг от друга, чтобы обеспечить равномерную циркуляцию воздуха между ними. Это гарантирует равномерное патинирование и отсутствие образования коррозионных пятен.

Благодаря созданию однородного защитного слоя (патины) на поверхности, стали Кортен могут быть оставлены неокрашенными. Для образования равномерной патины, когда внешний вид имеет решающее значение, необходимо провести тщательную предварительную очистку поверхностей –травление, пескоструйную обработку или шлифовку.   При этом пятна смазки и защитного масла, шлак и окалина предварительно должны быть удалены. После пескоструйной обработки поверхность считается достаточно чистой, если её шероховатость равномерна.

В случае необходимости сокращения срока образования патины сталь Кортен может быть подвергнута процессу ускоренного окисления, который осуществляется в несколько этапов:

1. Обезжиривание.
2. Удаление оксидного слоя.
3. Нанесение активатора окисления.
4. Нанесение фиксирующей смывки.

Процесс ускоренного патинирования Кортен позволяет получить желаемый оттенок стали в течение всего нескольких дней.

При необходимости фиксации цвета и приостановки естественного процесса патинирования сталь Кортен может быть покрыта глянцевым или матовым защитным лаком. При этом стоит учесть, что срок службы такого лакового покрытия составляет всего несколько лет, что приводит к необходимости его последующего периодического обновления.

Загрязнения при сварке, такие как окалина и выплески, замедляют процесс патинирования. Стандарт ISO 8501-1 определяет степень ржавчины для оценки чистоты поверхности. Степень очистки поверхности обычной углеродистой стали, подлежащей окраске, должна составлять не менее Sa 2 1/2, St 2, в то время как для патинирования стали Кортен достаточной степенью очистки является Sa 2 / St 2.

Сварка стали Кортен

Для сварки стали Кортен могут быть применены все обычные методы: дуговая сварка металлическим плавящимся электродом или флюсовым электродом, дуговая сварка под флюсом, сварка MIG/MAG и контактная сварка.

Сварка стали Кортен

Для обеспечения устойчивости сварного шва к атмосферным воздействиям он должен содержать тот же сплав металла, что и основной металл.

Наиболее часто используемые сплавы наплавленного металла содержат никель и медь. Нелегированный наплавленный металл может использоваться в том случае, когда сварной шов имеет форму канавки или скругления и при использовании дуговой сварки под флюсом процесс диффузии обеспечивает высокое легирование сварочного материала основным металлом. Атмосферостойкий наплавленный металл должен использоваться при изготовлении многопроходных сварных швов на поверхностных участках атмосферостойких сталей.

Рекомендуемые сварочные материалы для стали COR-TEN A и COR-TEN B 

Сварка в атмосфере активного газа (цельная проволока)

Дуговая сварка с флюсовым сердечником

Дуговая сварка покрытыми электродами

Дуговая сварка под флюсом с погруженной дугой

Болтовые соединения

Болтовые соединения атмосферостойких сталей должны быть достаточно плотными, чтобы предотвратить щелевую коррозию внутри стыка и коррозию соединяемых материалов. Расстояние между болтами вдоль края стыка не должно быть больше 14-ти толщин самого тонкого соединяемого элемента и не превышать 20 см. Расстояние между болтом и кромкой стыка не должно быть более 8-ми толщин самого тонкого соединяемого элемента и не превышать 15 см.

В качестве материала болта рекомендуется использовать сталь Cor-Ten X, так как ее коррозионная устойчивость равна стойкости к коррозии соединяемых сталей, а цвет патинированных болтов будет идентичен основному материалу. Также могут быть использованы болты с цинковым или кадмиевым покрытием, но обычно так делать не рекомендуются, поскольку покрытие будет изнашиваться относительно быстро в результате электрохимических реакций между покрытием болта и сталью Кортен. Малые крепёжные элементы, винты и т.д. могут быть изготовлены из стали Cor-Ten A или неокисляемых металлов, таких как латунь или бронза. В этом случае электрохимическая коррозия не проявится, поскольку площадь благородного металла будет намного меньше площади стали Кортен.

Применение стали Кортен

Сталь Кортен, как уникальный материал, отлично подходит для применения в условиях, когда устойчивость к атмосферной коррозии или выразительный внешний вид имеют первостепенное значение. Плотная, самовосстанавливающаяся оксидная патина на стали Кортен обеспечивает длительный срок службы и уникальный дизайн конструкций. Сталь Кортен отлично подходит для облицовки фасадов или устройства каркасов зданий, архитектурных композиций, ограждений, сооружения мостов, контейнеров, резервуаров, дымоходов и т.д.

Университет Leeds Beckett, Великобритания

Сталь Кортен относительно устойчива к абразивному износу, вызванному погрузкой и разгрузкой. Однако длительный абразивный износ материала может сократить срок его службы.

Отличная коррозионная стойкость и прочность стали Кортен также сохраняются в условиях повышенных рабочих температур. При этом Кортен обеспечивает лучшие свойства, например, большую окалиностойкость, чем обычные конструкционные стали. Сталь Кортен может использоваться в менее критичных условиях для сосудов высокого давления, когда не требуется использование закалённых Cr-Mo сталей. Максимальная рабочая температура стали марки Cor-Ten A составляет +540 °C. При более высоких температурах текучесть и прочность на разрыв, а также ударная вязкость этой марки стали значительно ухудшаются. Сталь марки Cor-Ten B не рекомендуется для использования в качестве несущих конструкций, если рабочая температура превышает +425 °C.

Открытая концертная площадка с облицовкой Кортен, Crystal Palace Park, Великобритания

Отличная стойкость лакокрасочного покрытия на стали Кортен позволяет существенно экономить затраты на эксплуатацию, поскольку интервалы между окрашиваниями для технического обслуживания стали Кортен длиннее, чем у углеродистой стали.

Это обеспечивается способностью стали Кортен образовывать плотный и жесткий слой оксида над любыми очагами повреждения лакокрасочного покрытия, который предотвращает коррозию стали под финишным лакокрасочным покрытием. Например, по данным одной из крупнейших компании по аренде контейнеров, затраты на техническое обслуживание и ремонт окрашенных контейнеров из углеродистой стали в четыре раза выше, чем у контейнеров из стали Кортен.

Скульптура LOVE, США

Применение стали Кортен в архитектуре

При выборе Кортен в качестве облицовочного материала следует учитывать, что в результате процесса патинирования вода, контактирующая со сталью Кортен, будет становиться ржавой в течение первых двух лет. «Ржавую» воду необходимо собирать и отводить так, чтобы она не загрязняла другие используемые материалы. Материалы, которые при слабом загрязнении «ржавой» водой, могут быть легко очищены:

• Полуматовое или глянцевое эмалевое покрытие.
• Воздушно- или термически отвержденное, моющееся органическое покрытие.
• Анодированный или простой алюминий.
• Нержавеющая сталь.
• Неопрен.
• Керамическая и глазурованная плитка.
• Стекло.

Некоторые материалы окрашиваются легко, поэтому их очистка затруднительна или невозможна. По этой причине важно тщательно взвешивать целесообразность использования со сталью Кортен следующих материалов:

• Бетон и цементный раствор.
• Неокрашенная горячеоцинкованная сталь.
• Неглазурованный кирпич.
• Матовая эмаль.
• Камень.
• Дерево.

При использовании стали Кортен с другими материалами необходимо обеспечить, чтобы в месте соединения металлов не возникала щелевая коррозия и не накапливалась вода или грязь.

Стальные листы с цинковым покрытием или другие материалы с цинковым покрытием не должны непосредственно контактировать с неокрашенной сталью Кортен, так как цинк, являющийся более активным металлом, будет подвергаться воздействию электрохимической коррозии.

Стыковочные швы между различными материалами и сталью Кортен должны быть заполнены герметиком. Особое внимание следует обратить на то, что многие герметики, такие как полиуретановые пены и другие вещества, содержащие антипирены, поглощают воду. Поэтому использование таких веществ вместе со сталью Кортен может привести к серьезным коррозионным повреждениям.

Крепление горизонтального шва фасадной кассеты с использованием кислотостойких крепежных изделий

Архитектурные элементы

Строительные изделия из стали Кортен

Сталь Кортен – это натуральный материал, который получает свой цвет и защитный поверхностный слой в результате процесса окисления. Изменения, сделанные на поверхности стали светом, влажностью воздуха и временем, делают его еще более интересным материалом. Патина придаёт Кортен выразительный бронзовый оттенок, который идеально дополняет кирпичные поверхности.

Кортен характеризуется матовой поверхностью, которая уменьшает отражения, характерные для других металлов и скрывает возможную неровность поверхности.

Кортен экономичный материал, который стоит всего на 20-25% больше, чем обычная углеродистая сталь. А поскольку Кортен не нуждается в финишной обработке поверхности, то общая стоимость производимых продуктов из Кортена является чрезвычайно привлекательной.

Кроме того, сталь Кортен является экологичным материалом, поскольку полностью пригодна для повторного использования и не требует покрытия. Поэтому её общее воздействие на окружающую среду чрезвычайно мало в течение всего жизненного цикла.

Коттедж, Чехия

Цвет и блеск поверхности

Сталь Кортен создает на поверхности слой жесткого оксида, который предотвращает коррозию. Локальные климатические условия, а также продолжительность времени патинирования влияют на цвет поверхности. Цвет меняется от теплого оранжево-коричневого до красновато-коричневого и, наконец, темно-коричневого цвета.

Способность менять цвет со временем делают сталь Кортен одним из наиболее уникальных и запоминающихся материалов.

Перед доставкой на строительную площадку элементы из стали Кортен рекомендуется выдержать для образования патины, когда поверхность станет однородной по цвету без ржавых пятен.

По достижению желаемого оттенка остановить изменения цвета стали Кортен можно с помощью химической обработки поверхности или нанесения лакового покрытия. При этом стоит учесть, что после нанесения лака поверхность может потерять свой характерный вид и матовость.

Вентилируемые фасады Кортен могут быть смонтированы также и до начала процесса патинирования. Сжатые сроки строительства часто делают это единственным возможным вариантом, поскольку выбор материалов происходит на такой поздней стадии проекта, что на предварительное патинирование не остаётся времени.

При использовании непатинированных фасадов Кортен нужно быть готовым к первоначальной пятнистости поверхности и ржавому внешнему виду здания.

Коттедж, Словакия

Особенности применения стали Кортен

Кортен – это активный материал по своей природе. Стоит учитывать, что процесс патинирования делает его тоньше, поэтому следует избегать применения материала толщиной менее 0,5 мм.

При этом для обеспечения высокого качества при производстве профилей чрезвычайно важна высокая точность размеров.

Обязательным требованием для процесса патинирования является цикличное увлажнение и высыхание поверхности. Если поверхность долгое время остается влажной, она будет ржаветь. Наиболее уязвимыми частями являются горизонтальные поверхности конструкций, а также поверхности, которые расположены слишком близко друг к другу. В начале процесса патинирования вода, стекающая по конструкции, может накапливаться на горизонтальных поверхностях. При этом ржавчина, содержащаяся в воде, будет удерживать поверхность влажной и процесс коррозии не прекратится. Если две поверхности расположены слишком близко друг к другу, то влага останется между материалами, что может вызвать щелевую коррозию.

Поэтому при проектировании фасадов из стали Кортен необходимо обеспечить контролируемый отвод воды, а также достаточную вентиляцию конструкций. Вода ни при каких обстоятельствах не должна задерживаться на поверхности. Вентиляционный зазор должен быть достаточно широким, не менее 30 мм. Все примыкания к цоколю, неровностям, а также прилегающим к ним конструкциям (балконам, козырькам и т.д.) должны быть выполнены так, чтобы вентиляционный зазор оставался открытым. Наклонные длинные нащельники в местах примыкания не должны позволять воде, стекающей по конструкции фасада, попадать на поверхности других материалов. С карниза и крыши вода должна отводиться максимально централизованно, предпочтительно с помощью скрытой системы водоотвода для предотвращения загрязнений, вызываемых проточной водой.

В процессе патинирования следует избегать устройства обширных нависающих конструкций, поскольку в тени после установки фасада образование патины происходит медленнее.

Электрохимическая несовместимость, а также особенности, связанные с проточной водой, являются факторами, которые ограничивают выбор материалов, используемых вместе со сталью Кортен. При этом в качестве материала для крепления рекомендуется использование нержавеющей стали. При комбинировании различных материалов всегда должна быть обеспечена тщательная изоляция мест их соединений. Самым безопасным выбором в качестве прилегающих материалов являются материалы с гладкой и твердой поверхностью, а также электрохимически совместимые материалы и материалы, которые не окрашиваются цветом воды, стекающей по конструкциям из стали Кортен.

Предварительное патинирование Кортен

В случае применения фасада из стали Кортен с наружным остеклением или в условиях отсутствия возможности цикличного увлажнения-высыхания, рекомендуется использовать предварительное патинирование.

Предварительное патинирование позволяет получить материал с эстетически оконченным внешним видом, а также избежать большинства сложностей, связанных со стеканием воды с конструкции Кортен на примыкающие материалы.

Если предварительная патинирование организовать невозможно, сталь Котен должна быть тщательно очищена от окалины, масла и других загрязнений, а после установки Котен следует промыть, чтобы процесс патинирования начался равномерно.

Baltic Square Office Building, Финляндия

Экологические аспекты

Экологическая ценность стали Кортен будет ещё более подчеркнута в будущем, поскольку критерии классификации окружающей среды станут жёстче. Некоторые материалы для покрытия могут быть полностью запрещены в качестве строительных материалов, что вызовет проблемы, когда обработка поверхности требует обновления или технического обслуживания. Этот риск не распространяется на Кортен. Поскольку тут покрытие не требуется, Кортен можно переплавить и использовать повторно.

Проектирование из стали Кортен

Общие требования

Особые свойства стали Кортен могут быть использованы в конструкциях, имеющих длительный срок службы и почти не требующих технического обслуживания. Тем не менее, следует учитывать особые требования этой стали при проектировании. Следует обратить внимание на конструкцию мест стыков и узлов, чтобы облегчить процесс патинирования стали Кортен и избежать появления электрохимической и щелевой коррозии. Также важно правильно выбрать конкретную марку стали Кортен, наиболее подходящую для рассматриваемого применения, поскольку между свойствами различных марок существуют значительные различия.

Особенности проектирования

Следует избегать образования горизонтальных поверхностей при проектировании и монтаже, так как отслаивающиеся продукты окисления, в особенности с тыльной стороны листа, легко накапливаются в местах загибов, где они удерживают влагу, что может привести к неконтролируемой коррозии. Если же избежать появления горизонтальных поверхностей невозможно, то необходимо обеспечить эффективный отвод воды, например, с помощью устройства дренажных отверстий. Также узлы соединения должны быть спроектированы таким образом, чтобы они не образовывали поверхностей, которые могут собирать воду.

Основной особенностью соединения элементов является тщательное предотвращение щелевой и электрохимической коррозии. Устройство зазора шириной не менее 1 мм между соединяемыми панелями предотвращает щелевую коррозию, вызванную капиллярным подсосом воды. При меньшем зазоре капиллярные силы могут втягивать воду в зазор и вызвать коррозию. Самый простой способ предотвратить образование электрохимических пар заключается в использовании дистанционных пластин между частями соединяемых элементов.

В случае использования конструкций из стали Кортен под фасадной облицовкой, необходимо обеспечить достаточную вентиляцию для процесса патинирования, который основан на циклическом увлажнении и высыхании стали. Вентилируемый зазор должен быть устроен по всей длине фасада и иметь ширину не менее 30 мм.

Ударная вязкость

Характер разрушения стали является важным фактором в несущих конструкциях, особенно при их наружном применении. Достаточная ударная вязкость материала обеспечивает пластичное разрушение вместо хрупкого.

Использование фосфора в качестве легирующего элемента повышает погодоустойчивость стали, но высокая ударная вязкость не может быть достигнута, если содержание фосфора превышает 0,025% или содержание серы более 0,020%.

Содержание фосфора во всех марках стали Кортен, за исключением Cor-Ten B-D, составляет 0,07-0,15%. По этой причине COR-TEN B-D соответствует минимальным требованиям по ударной вязкости согласно EN 10025.

Проектировщик определяет ударную вязкость (класс качества) стали в соответствии с Eurocode ENV 1993-1-1:1992, приложением C. Сталь марки D (J2) обычно используется в несущих конструкциях наружного применения. Факторы, способствующие хрупкому разрушению, включают низкие температуры и ударную нагрузку.

Сварка

Ударная вязкость сварных соединений в наружных несущих конструкциях должна быть подтверждена.

Предел текучести сталей Кортен не превышает 350 Н/мм², поэтому для обеспечения свариваемости специальные меры не требуются. Однако, если толщина свариваемого листа превышает 25 мм, то необходима проверка.

Свариваемость сталей Кортен практически аналогична свариваемости конструкционных сталей такого же класса прочности. Для сварки стали Кортен (как Кортен с Кортен, так и Кортен с другими конструкционными сталями) могут использоваться все обычные методы: дуговая сварка металла с помощью покрытого или флюсового электрода, дуговая сварка под флюсом, сварка MIG/MAG и контактная сварка.

Рекомендуемые сварочная проволока и электроды (ESAB)

* не содержит медь

Перед сваркой необходимо удалить с поверхности листа оксидную плёнку шириной 10-20 мм. При использовании непрерывной и точечной сварки шов должен быть заполнен лаковой шпатлевкой.

Коррозионная стойкость обеспечивается за счет использования атмосферостойкой основы наплавленного металла, состав которого аналогичен составу основного металла, например, проволоки и электродов, которые содержат медно-никелевый сплав. Предел текучести наплавленного металла обычно должен быть на 5% выше предела текучести основного металла. В угловых сварных соединениях с катетом шва до 4 мм, а также при стыковых сварных швах шириной менее 4 мм, металл шва обычно становится достаточно легированным с помощью основного металла и легирующие присадки не требуются. Многопроходные сварные швы могут быть частично выполнены из углеродистых стальных сварочных материалов и завершены при помощи электродов из низколегированной стали, которые обладают атмосферостойкими характеристиками.

Атмосферостойкие стали содержат легирующие элементы, такие как хром, медь и никель, что повышает прочность стали. По этой причине, при большой толщине листа требуется несколько больший предварительный нагрев по сравнению с обычными конструкционными сталями. Рабочая температура и потребность в предварительном нагреве устанавливается на основе общей толщины листа, которая определяется как общая толщина составного листа. Сварные соединения должны быть проверены в соответствии со стандартом EN 3834 c соблюдением требований, указанных в чертежах.

Потребность в предварительном нагреве / рабочая температура сталей Cor-Ten B и B-D

Формуемость

Сталь Кортен поддаётся резке и гибке аналогично обычным конструкционным сталям. Атмосферостойкая сталь с лучшей способностью к изгибу – Cor-Ten AF. Радиус изгиба открытых профилей составляет (2-3) х толщину листа, в зависимости от толщины. Минимальная ширина заготовки, которая может быть согнута, составляет 50 мм. Радиус изгиба трубчатых профилей составляет 2,5 х толщину стенки. Однако, следует отметить, что могут появляться сложности при производстве труб, если отношение диаметра к толщине стенки мало (D / t < 10).

Минимально допустимый внутренний радиус изгиба сталей Кортен в зависимости от толщины листа, мм

Пешеходный мост, США

Прочностные характеристики

Механические свойства сталей Кортен

Нижний предел текучести сталей Кортен равен R_el = 345 Н/мм², а предел прочности составляет Rm = 485 Н/мм². При этом коррозия может значительно влиять на листы малой толщины. В промышленной среде коррозия уменьшает толщину листа Cor-Ten B примерно на 0,16 мм за десять лет, а Cor-Ten A – на 0,12 мм. Это означает, что прочность тонких листов значительно уменьшается, особенно если коррозии подвержены обе стороны листа.

По этой причине рекомендуется учитывать припуск на коррозию номинальной толщины материала. Хорошая атмосферная стойкость стали Cor-Ten обеспечивается самим материалом при условии его попеременного увлажнения и высыхания. Если это невозможно, то конструкция нуждается в антикоррозионной обработке, например окраске.

Прогнозируемый допуск на коррозию стали Кортен при наружном применении

Сертификаты на материалы атмосферостойких сталей составляются в соответствии со требованиями стандарта EN 10204.

Термическая обработка

Сталь Cor-Ten, как правило, не требует дополнительной термической обработки после сварки. В случае изготовления особо ответственных несущих конструкций из толстых листов, когда проведение термической обработки инициировано заказчиком, рекомендуется проводить:

• Отжиг для снятия остаточных напряжений при температуре +550…+600 °С (цель +580 °С) с выдержкой 2 минуты на 1 мм толщины, но не менее 30 минут, и медленным охлаждением в печи.
• Нормализацию при температуре +860…+940°С (цель +910°С) с выдержкой 1 минута на 1 мм толщины, но не менее 15 минут, и охлаждением на воздухе.

Крепёжные материалы для Кортен

Как правило, кислотостойкая сталь является самым надежным материалом для крепления стали Кортен. Нержавеющая сталь марки AISI 304 также может использоваться для самонарезающих шурупов при условии использования резинового уплотнителя. Можно использовать крёпеж с покрытием, уменьшающим трение и коррозию, например, Ruspert. Для болтовых соединений также разработана сталь марки Cor-Ten X.

В болтовых соединениях следует избегать зазоров между болтом и соединяемым элементом. Герметичность соединения может быть обеспечена при помощи использования подходящего уплотнителя. В качестве такого материала рекомендуется использовать неопрен с твердостью не менее 65 единиц по шкале Шора А и пределом прочности на разрыв не менее 6 Н/мм². Неопрен обладает высокой устойчивостью к озону, ультрафиолетовому излучению, химикатам и износу. Неопреновые листы обычно доступны в толщине 0,5 – 30 мм, а также с возможностью порезки в размер и с самоклеящимся покрытием. В случае необходимости обеспечения газонепроницаемости, в качестве уплотнителя следует использовать бутилкаучук.

В местах соединений с осевым зазором следует использовать тефлоновую ленту (политетрафторид, ПТФЭ).

Для мелкого крепежа, такого как самонарезающие шурупы, между головкой и шайбой, используются резиновые прокладки из EPDM. В качестве дистанцирующего элемента для заполнения пространства между листом и крепёжным элементом могут использоваться втулки. Такие втулки сжимаются с обеих сторон предварительно просверленного отверстия, а также предотвращают прокручивание крепежного элемента.

Дистанцирующие элементы следует использовать также и с другими материалами, поскольку все металлы одинаково подвержены щелевой коррозии. Кроме того, при соединении различных металлов возникает вероятность появления электрохимической коррозии. При этом рекомендуемая толщина уплотнителя должна составлять не менее 1,0 мм.

Виды материалов, которые могут быть использованы между сталями Кортен

Крепление конструкций каркаса из стали Кортен

Огнестойкость Кортен

При пожаре сталь Кортен ведет себя также, как обычная конструкционная сталь. Огнезащита Кортен обычно не требуется, поскольку атмосферостойкая сталь в основном используется в конструкциях наружного применения.

В случае применения Кортен в несущих колоннах, наиболее целесообразным способом огнезащиты является использование композитной конструкции из стальной трубы с заполнением железобетоном. Размеры конструкции должны быть подобраны так, чтобы исключить необходимость применения любого вида огнезащиты. Колонны и балки могут использоваться без какой-либо огнезащиты, если они расположены на достаточном расстоянии от окон или каким-либо иным образом защищены от нагревания. Однако в этих случаях часто требуется отдельная проверка.

Окрашивание Кортен

Окрашивание стали Кортен рекомендуется, если условия эксплуатации конструкции каким-либо образом могут препятствовать развитию естественного образования слоя патины или она остается влажной в течение длительного времени. Срок службы окрашенных сталей Кортен примерно в два раза превышает срок службы обычных углеродистых сталей.

Конструктивные решения

В этом разделе показан пример использования тонколистовой стали Кортен при устройстве фасадных конструкций в Baltic Square Office Building в Финляндии.

Основным принципом проектирования является обеспечение свободного процесса последовательного увлажнения и высыхания.

Если поверхность в течение длительного времени будет оставаться влажной, то процесс коррозии начнёт прогрессировать и материал, в конечном итоге, может проржаветь насквозь. Вода, попадающая в стык между соединяемыми поверхностями, может привести к появлению щелевой коррозии.

Высыхание поверхностей Кортен и минимизация окрашивания, вызванного стеканием ржавой воды с внешней облицовки, были обеспечены благодаря применению следующих принципов при проектировании:

• Все горизонтальные поверхности расположены под наклоном для исключения возможность скопления на них воды.
• Все элементы из стали Кортен отделены друг от друга и от других металлических частей с помощью неопреновых или подобных изолирующих материалов. Это обеспечивает приток воздуха с каждой стороны.
• Все крепежные элементы выполнены из кислотостойкой стали. Используются изолирующие втулки между крепежом и изделиями из стали Кортен.
• Сведено к минимуму использование стали Кортен в непосредственной близости от пешеходных маршрутов из-за возможности стекания ржавой воды со стальных поверхностей.
• Устроено организованное отвод ржавой воды с поверхностей.
• Обеспечено техническое сопровождение на строительной площадке для реализации предусмотренных проектных решений.

На рисунках 1-3 показаны решения, используемые при внешней кассетной облицовке стены для обеспечения высыхания металлических поверхностей.  На рисунке 4 показаны решения по применению дизайнерского профиля на вентилируемом фасаде. Остекление двойного фасада здания Baltic Square Office Building не проводилось до тех пор, пока не было достигнуто частичное патинирование стали Кортен. На рисунке 5 показаны неправильные решения, которые не позволяют стали высыхать, в результате чего в тонком стальном листе может появиться сквозная коррозия.

Рис. 1 Горизонтальный стык фасадных кассет Кортен, вертикальный разрез (слева). Вертикальный стык фасадных кассет Кортен, горизонтальный разрез (справа).

Рис. 2 Нижняя кромка фасадной конструкции с кассетой Кортен, примыкание к цоколю и отвод воды (слева). Примыкание фасадной конструкции с кассетой Кортен к окну, вертикальный разрез по низу окна (справа).

Рис. 3 Примыкание фасадной конструкции с кассетой Кортен к окну, вертикальный разрез по верху окна (слева). Парапетная планка фасада из кассет Кортен, вертикальный разрез (справа).

Рис. 4 Фасадная облицовка дизайнерским профилем из стали Кортен, не подверженная атмосферному воздействию (например, позади двойного фасада), вертикальный разрез по примыканию к окну (слева) и вертикальный разрез по стене (справа)

Рис. 5 Неправильная подконструкция и горизонтальный стык кассет из стали Кортен.

1. Кассета из стали марки Cor-Ten A толщиной 1,5 мм. Изгибы исключают появление горизонтальных поверхностей.

2. Подконструкция из стали марки Cor-Ten A толщиной 1,0 мм. Несущая подконструкция открытого шва формирует водосточный жёлоб. Места соединения желобов герметизируются, например, бутиловым составом и вода свободно отводиться в нижней части стеновой конструкции.

3А. Крепёжный шуруп AISI 316 (например Spedec Sx 3/10 — S16 — 5.5×28) + хлоропреновая каучуковая шайба.

3B. Крепежный шуруп AISI 316 (например Spedec Sx 3/15 – S16 — 5.5×38) + хлоропреновая каучуковая шайба.

4. Втулка под шурупом (например Teknikum 738 720, черная). В случае её отсутствия свободная вентиляция прекращается.

5. При необходимости, бутиловая лента используется между направляющей и несущей подконструкцией в качестве дистанцирующего слоя.

6. Подконструкция (например ветрозащитный гипсокартонный лист).

7. Наружный отлив из стали Кортен толщиной 1,0 мм.

8. В местах стыка под наружным подоконным отливом устанавливаются опорные элементы из стального листа с покрытием Hiarc и бутиловой лентой (цвет RR 32, темно-коричневый).

9. Темный цвет цоколя скрывает пятна от стекания ржавой воды. Водоотвод должен осуществляться организовано.

10. Парапетная планка из стали Кортен толщиной 1,0 мм, минимальный уклон 1:20. Крепление осуществляется к влагостойкой фанере с помощью самонарезающих шурупов в вертикальную плоскость. Карнизные планки изолируются бутиловой лентой.

11. Капельник из стали с покрытием Hiarc.

12. Вентиляционная решетка из стали Кортен.

13. Дизайнерский профиль из стали марки Cor-Ten A толщиной 1,0 мм. Дизайнерские профили стыкуются внахлест с изоляцией.

14. Подконструкция из стали марки Cor-Ten A толщиной 1,0 мм.

15. Крепежный шуруп AISI 316 (например Spedec Sx 3/10 — S16 — 5.5×28) + хлоропреновая каучуковая шайба.

16. В случае необходимости между подконструкцией и несущей стеной используется дистанцирующая бутиловая лента.

17. Подконструкция (например ветрозащитный гипсокартонный лист).

18. Хлоропреновая каучуковая лента между дизайнерским профилем и подконструкцией.