克勞斯·巴赫曼

鐵銹毀壞橋梁、侵蝕建筑、傾覆貨船：僅僅在德國，這個(gè)沉默的金屬吞噬者每年就能造成高達(dá)1000多億歐元的損失?？茖W(xué)家和工程師們正努力與之作斗爭，研發(fā)新的保護(hù)涂層和能早期識(shí)別銹跡的探測器。與此同時(shí)，鐵銹色卻也被一些人認(rèn)為是高貴的象征，在時(shí)尚藝術(shù)界占據(jù)了一席之地。

1980年5月21日將近11點(diǎn)，只聽一聲巨響，飛揚(yáng)的塵土升入天空，德國柏林會(huì)議廳600噸重的弧形屋頂突然坍塌，擊斷了入口處的樓梯，掩埋了大門口，造成五人受傷、一名記者死亡。1999年12月12日，“埃里卡”號(hào)油輪在法國布列塔尼附近海域遭遇卷起12米高浪的風(fēng)暴，斷為兩截后沉沒，造成約兩萬噸重油外泄入海，海岸遭到污染，數(shù)萬海鳥死亡。

這兩場災(zāi)難看上去毫不相干，實(shí)際上卻有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是它們都由鐵銹造成。從化學(xué)上看，鐵銹是鐵的氧化物，是鐵和空氣中的氧氣與水共同作用后的產(chǎn)物。鐵銹可謂腐爛之兄弟、霉菌之手足，無所不在，看似微乎其微，毀滅力量卻不可小覷。自從人類在火和木炭的幫助下讓鐵元素?cái)[脫巖石和氧的包裹以來，鐵銹就一直是個(gè)讓人頭疼的問題。一旦條件合適，被鑄造、鍛造或軋平的鐵又會(huì)重新銹跡斑斑，因?yàn)榈厍蛏献畛Ｒ姷奈镔|(zhì)氧氣和第四常見的物質(zhì)鐵太容易發(fā)生反應(yīng)了。而鐵銹這個(gè)沉默的攻擊者會(huì)侵蝕人類成果，毀壞高樓大廈，破壞橋梁和車輛?！霸陟o靜的深夜，你可以聽到一輛福特車生銹的聲音?！泵绹藧圻@么調(diào)侃。法國人則多年來一直戲稱他們的埃菲爾鐵塔為“銹塔”。

聯(lián)合國下屬機(jī)構(gòu)世界腐蝕組織以抵抗“悄悄毀滅”為己任，計(jì)算出建筑用金屬材料的腐蝕造成的年開支——約占發(fā)達(dá)國家國內(nèi)生產(chǎn)總值的3%。這樣看來，2018年，德國的此項(xiàng)開支高達(dá)1000多億歐元。而且，這里的“腐蝕”可能還只是專指狹義上的“鐵的銹蝕”。據(jù)專家估計(jì)，如果建筑商、工程師和技術(shù)人員始終堅(jiān)持防銹，就可以避免大約25%到30%的損失。

| 邪惡的鐵銹 |

2019年9月的一個(gè)陰天，在德國阿斯拉爾市附近薩爾蘭線高速公路的伯恩巴赫谷橋上，一輛載重汽車停在應(yīng)急車道，車上吊著一個(gè)工作臺(tái)，上面站著三名身穿橘色工作服的建筑工程師。他們是黑森州道路管理局的員工。根據(jù)德國法律規(guī)定，所有工程建筑必須每六年進(jìn)行一次“大檢”，需細(xì)細(xì)檢查所有建筑構(gòu)件?！按髾z”過去三年后，則是一次“小檢”，重點(diǎn)檢查之前查出的缺陷。這次在伯恩巴赫谷橋上進(jìn)行的工作便是“小檢”。

在德國，橋梁安全問題十分令人擔(dān)憂。在高速公路和聯(lián)邦主干道上，共有約39500座橋梁保證道路通暢，此外還有更小公路上的數(shù)萬座橋，鐵道上也有超過2.5萬座橋。所有橋梁建筑中都有鋼鐵，比如起支撐作用的建筑構(gòu)件或嵌入混凝土中的鋼筋。一些橋梁存在大量缺陷，早已無法承受交通荷載。

尤其令交通規(guī)劃師們擔(dān)憂的是預(yù)應(yīng)力混凝土制橋梁。在德國，高速公路和主干道上70%的橋梁面積都采用預(yù)應(yīng)力混凝土施工工藝建成。建筑師們熱愛這種似乎能擺脫重力限制的建筑方式，可以讓房子高高聳立，也能在山谷和河流上大膽架構(gòu)拱形結(jié)構(gòu)。

預(yù)應(yīng)力混凝土的穩(wěn)定性更高，原因在于其中的鋼絲和鋼絞線。但上世紀(jì)六七十年代德國大力擴(kuò)建基礎(chǔ)設(shè)施之時(shí)，道路建設(shè)者們還沒有很好地掌握這種方法。他們使用了易腐鋼筋，將橋梁尺寸定得太小，以至于很容易出現(xiàn)裂縫，水分滲入后就極易生銹，有些橋建完不到20年就不得不拆除或翻新。德國交通部已為橋梁的現(xiàn)代化和加固投入數(shù)十億歐元資金，接下來還需要數(shù)十億歐元。

薩爾蘭線高速公路也誕生于預(yù)應(yīng)力混凝土施工工藝應(yīng)用初期，它將萊茵–魯爾經(jīng)濟(jì)區(qū)和萊茵–美因大都會(huì)區(qū)連接起來，在山區(qū)路段穿過了大量山谷：從多特蒙德市到阿沙芬堡市的約260公里路程上，共有73座橋，平均每3.5公里就有一座。

伯恩巴赫谷橋就是其中之一，它是一座箱梁橋，即車道下有鋼鐵或混凝土制成的長型中空桁架作為橫梁：長191米、高24米，建于1971年。全德國范圍內(nèi)的《道路信息庫——建筑》記錄了每座橋的現(xiàn)狀。對(duì)于阿斯拉爾市附近的這座山谷橋，則寫著：雙向行駛均不合格，缺陷數(shù)超過203處，包括裂縫、錯(cuò)位、中空、水分滲透……但這并不意味著伯恩巴赫谷橋隨時(shí)可能倒塌，而只是在提醒相關(guān)部門有必要及時(shí)采取行動(dòng)。

雖然已有記錄，但常規(guī)管控仍然不能松懈。諾貝特·洛爾綁好攀登用繩索，站在工作臺(tái)末端的升降梯里上升兩米，正好來到箱梁下。在距離橋頭四米處，洛爾手拿錘子不停地敲打，剝落的混凝土中很快就出現(xiàn)了生銹的鋼筋。幸運(yùn)的是，它們是工程師們所說的“松弛的鋼筋”，即那些為加固混凝土而加入的鋼筋，而不是會(huì)影響橋梁安全的“繃緊的鋼筋”，所以還無需過于擔(dān)心。如果橋梁穩(wěn)定性受到威脅，工程師們就會(huì)立即封鎖該路段。

洛爾用紅色粉筆畫圈，在橋上標(biāo)記。47歲的阿奇姆·霍夫曼在所謂的“裂紋素描”中用短波浪線標(biāo)記裸露在外的鋼筋。這種素描是用帶有地點(diǎn)和范圍的縮寫符號(hào)來記錄建筑物缺陷。實(shí)際上，對(duì)于鐵和鋼來說，混凝土是完美的“不銹”環(huán)境——酸堿值高于12，和氨水相近。“在這樣的強(qiáng)堿性環(huán)境中，鋼筋不會(huì)生銹。”霍夫曼說。

但是，橋梁會(huì)老化，多種作用機(jī)制可能為鐵銹的生成掃清障礙，比如碳化作用。幾年內(nèi)，空氣中的二氧化碳會(huì)越來越深入建筑材料中，一些成分之間會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，酸性環(huán)境范圍逐漸擴(kuò)大。建筑工程師霍夫曼說：“如果酸堿值變成8，鋼筋生銹將不可避免。而且，混凝土孔隙越多，碳化作用就越嚴(yán)重。”再加上水分，鐵就會(huì)被腐蝕。水分會(huì)不可避免地通過細(xì)縫鉆入，而對(duì)于伯恩巴赫谷橋這樣的建筑來說，縫隙可真是太多了。

橋梁質(zhì)檢員們?cè)谙淞合鹿ぷ髦畷r(shí)，橋上仍然車來車往。這里原本預(yù)計(jì)每天只過車3萬輛，而現(xiàn)在每天要通過約6萬輛車，其中超過20%是載重汽車，有的重達(dá)44噸。有數(shù)據(jù)表明，每輛載重汽車給橋梁造成的壓力堪比2萬到4萬輛小轎車。更麻煩的是，此處的交通量還有不斷上漲的趨勢。

薩爾蘭線高速路還有個(gè)問題，那就是很多山谷橋梁都朝北?！岸毂仨毴龇纼鳆}，才能保持道路的通車能力?！被舴蚵f，“而防凍鹽是建筑鋼材之大敵?！甭入x子會(huì)通過縫隙和氣孔向內(nèi)滲入，在氧氣和水分的共同作用下將金屬侵蝕出洞。最危險(xiǎn)的地方在于：即使內(nèi)里已被鐵銹大肆侵蝕，建筑表面卻常常沒有錯(cuò)位和裂痕，看不出損壞。

工作臺(tái)緩慢開動(dòng)，顛簸不停。橋體下20米處是穿過灌木叢蜿蜒流淌的伯恩巴赫河。對(duì)于這些建筑質(zhì)檢員來說，測量時(shí)首先要保證不會(huì)頭昏眼花。在第一個(gè)橋墩后，米夏爾·赫爾德乘著小型升降梯上升，在離橋頭58米處發(fā)現(xiàn)了一處空心點(diǎn)。為清除松動(dòng)的建材，赫爾德使用了沖擊電鉆?！耙呀?jīng)很不結(jié)實(shí)了?！彼麑?duì)同事喊道。碎屑不斷掉落，現(xiàn)在這個(gè)洞已有20厘米深。赫爾德拍照記錄下來?？雌饋砗茉愀?，赫爾德卻還相對(duì)放松，這處損害位于橋梁拱形的邊緣位置，對(duì)于橋梁的承載能力并不重要，雖然最好還是要修復(fù)一下。四小時(shí)后，三人結(jié)束了工作。第二天，他們還會(huì)檢查橋梁的其他部分，追蹤鐵銹的蹤跡。

| 鐵銹的研究史 |

對(duì)我們來說，環(huán)境中氧氣占比高達(dá)20%似乎理所當(dāng)然，但實(shí)際上并非從來如此。在遠(yuǎn)古時(shí)代，這種氣體以自由態(tài)存在，含量非常微少。直到大約30億年前——具體時(shí)間點(diǎn)還有爭議，海洋中的藍(lán)藻帶來了新的物質(zhì)交換方式：它們利用太陽能將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物，光合作用應(yīng)運(yùn)而生。作為此過程的副產(chǎn)品，氧氣在空氣中的含量越來越高。這種物質(zhì)對(duì)當(dāng)時(shí)占主導(dǎo)的生物有毒，但顯然仍有生命戰(zhàn)勝了這一危機(jī)，比如我們?nèi)祟惡推渌幸揽窟@種氣體完成新陳代謝的生物。所以說，鐵銹是我們能自由呼吸的代價(jià)。

全世界大量的化學(xué)家、物理學(xué)家和工程師艱難而持久地對(duì)抗著這種安靜的毀滅者。他們尋找能抗氧化的新合金，在原子層面觀察被腐蝕的金屬內(nèi)部到底發(fā)生了什么，研發(fā)新的保護(hù)涂層和能早期識(shí)別出銹跡的探測器。

杜塞爾多夫馬普研究所鐵研究部門的科學(xué)家們也是其中的一份子。他們的實(shí)驗(yàn)室位于一棟磚砌建筑中——盡管考慮到研究對(duì)象，似乎鋼鐵建筑才更合適。在這里，鋼鐵工人火花四濺的粗野世界和材料研究者們的精巧精確結(jié)合起來。在車間大廳，技術(shù)工人融合鐵和釩、鉻、鉬或錳等元素，制造出新的合金。在實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家們通過原子探頭斷層攝影觀察金屬內(nèi)部，識(shí)別各種原子類型的排列方式，同時(shí)追蹤這種無所不在的金屬吞噬者的痕跡。一眼看去，鐵銹的產(chǎn)生遵循一個(gè)簡單的原則：潮濕的空氣加上鐵，就生成了氧化鐵，也就是我們俗稱的“鐵銹”。“但是，如果更仔細(xì)地觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，鐵和鋼的銹蝕其實(shí)是一件更復(fù)雜的事情?！鳖I(lǐng)導(dǎo)“腐蝕”工作小組的電化學(xué)家米夏爾·羅威爾德爾說。它之所以復(fù)雜，是因?yàn)殍F銹層同時(shí)由鐵和氧氣的很多不同化合物以及所謂的“氫氧化物離子”構(gòu)成。它們有著磁鐵礦、針鐵礦、纖鐵礦等響當(dāng)當(dāng)?shù)拿?hào)。“所有這些銹蝕產(chǎn)物的體積都比純鐵大數(shù)倍，而這讓鐵銹變得非常危險(xiǎn)?！绷_威爾德爾說。它會(huì)像生面團(tuán)一樣發(fā)酵膨脹，產(chǎn)生大量能量，可能讓混凝土開裂。

此外，還有大量雨水和冷凝水滲入孔隙。羅威爾德爾解釋道，潮濕和干燥階段的轉(zhuǎn)換決定了鐵銹層的組成。它是一個(gè)多形式、可變化的對(duì)手，不斷侵蝕著我們的基礎(chǔ)設(shè)施。

然而，比起鐵銹生成的細(xì)節(jié)，科學(xué)家們研究得更多的是防銹方法。一個(gè)經(jīng)典的方法是鍍鋅。用數(shù)毫米厚的鋅層來保護(hù)鋼鐵是一種傳統(tǒng)的策略，因?yàn)殇\比鐵更便宜，也更容易和氧氣、水分發(fā)生反應(yīng)。就算鋅層有了劃痕，鐵也不會(huì)被腐蝕，因?yàn)殇\被氧化后產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)品會(huì)再次覆蓋在劃痕處。

一般來說，鋅層上還會(huì)再加上另一個(gè)保護(hù)層，比如漆。在涂裝時(shí)常常還會(huì)植入防腐蝕的物質(zhì)，比如能在鋅層受損時(shí)對(duì)之進(jìn)行修復(fù)的磷酸鋅。這種方法有個(gè)劣勢：濕度會(huì)逐漸耗盡磷酸鋅，哪怕其實(shí)根本沒用上它們。為使磷酸鋅在長期的損耗中也足量存在，必須在涂層中大量使用它們，因此它們也可能大量進(jìn)入環(huán)境，造成不必要的環(huán)境負(fù)擔(dān)，比如重金屬污染。

羅威爾德爾表示，這一點(diǎn)必須變得更加智能。他們正在研發(fā)的保護(hù)膜能自主確定是否發(fā)生了腐蝕，只有真正發(fā)生腐蝕時(shí)才會(huì)釋放有效物質(zhì)。就像我們體內(nèi)的修復(fù)大軍——血小板和免疫細(xì)胞，只有身體受傷時(shí)，它們才會(huì)被激發(fā)。

在羅威爾德爾的實(shí)驗(yàn)室中，“開爾文探測器”正不停地測量電壓，如果漆層下發(fā)生了腐蝕，電壓值就會(huì)下降。研究者們?cè)谄釋又兄踩肓酥悄堋坝衔镔|(zhì)”。它們被裝入能感受到電壓改變的小箱子中，必要時(shí)管道會(huì)打開，結(jié)束金屬侵蝕的物質(zhì)就會(huì)被釋放出來。與此同時(shí)，馬普研究所的科學(xué)家們還在研究一種能重建受損漆層的方法?！斑@樣，我們就實(shí)現(xiàn)了真正的‘自愈’。”羅威爾德爾說。

從汽車的例子，我們可以看出，這些鋼鐵守護(hù)者的努力是值得的。上世紀(jì)80年代，車廂底部的銹孔或行李艙蓋的紅色焦痂都還似乎不可避免，對(duì)于司機(jī)來說，會(huì)涂漆和用焊接機(jī)是必備的技能。而現(xiàn)在，汽車生產(chǎn)商擔(dān)保其產(chǎn)品8年到30年不生銹。防銹策略很簡單：完美的鍍鋅鐵板和改良漆，避免出現(xiàn)水分匯集的設(shè)計(jì)，比如門上凹槽。至少在汽車上，這個(gè)紅色的攻擊者已經(jīng)像只拔了牙的老虎，威風(fēng)不再了。

| 美麗的鐵銹 |

并非對(duì)每個(gè)人而言，鐵銹都是可怕的幽靈，有些人十分喜愛這種紅棕色的焦痂，認(rèn)為它是高貴的象征，甚至用鐵銹色為他們的汽車刷漆。

鐵銹標(biāo)志著過去，是活過的證明。和一個(gè)越來越被數(shù)字化、虛幻化主導(dǎo)的世界不同，這種未經(jīng)加工的被侵蝕金屬象征著冷酷的物質(zhì)現(xiàn)實(shí)。而在每年迎來數(shù)萬訪客的弗爾克林根鋼鐵廠，這種感受達(dá)到了頂點(diǎn)，毀滅性和具有美感的鐵銹之間的矛盾十分尖銳。這里隨處可見管道、升降機(jī)、煉鐵爐、煉焦?fàn)t、大廳和作業(yè)臺(tái)，色彩豐富亮眼：新鮮的銹斑呈橙色，待其老化，就會(huì)變成紅棕色、棕色直至青紫色。訪客們熱愛這些色調(diào)，喜歡放松地在這里自由漫步。

1994年，聯(lián)合國教科文組織將弗爾克林根鋼鐵廠列為世界文化遺產(chǎn)。1986年，這家百年鋼鐵大廠停產(chǎn)，弗爾克林根人忍受著失業(yè)帶來的沮喪和痛苦，希望能拆掉這個(gè)銹跡斑斑的龐然大物。如今，大批文物保護(hù)者們來到薩爾州學(xué)習(xí)如何改建和維護(hù)鋼鐵建筑。

58歲的建筑師兼城市規(guī)劃師安得利亞斯·提姆自2009年起領(lǐng)導(dǎo)著弗爾克林根鋼鐵廠的文物建筑部門。他的辦公室是曾經(jīng)的煉鐵爐辦公室。提姆表示，鐵銹有好歹之分，“好的鐵銹是一層氧化膜，能夠保護(hù)金屬不受進(jìn)一步攻擊。壞的鐵銹是會(huì)貯藏水分的‘酥皮銹’，會(huì)對(duì)我們的生活產(chǎn)生巨大的影響。只要下雨，這種鐵銹就會(huì)增加?！?/p>

世界教科文組織的要求讓文物保護(hù)者們面臨一個(gè)實(shí)際上無解的任務(wù)：完整而真實(shí)地維護(hù)這一世界文化遺產(chǎn)。這就意味著，他們必須維持這些鐵銹的狀態(tài)，但它們同時(shí)也可能毀掉一切。提姆知道，如果他毫不插手、絕不干涉，就會(huì)導(dǎo)致建筑物坍塌；如果他想完全維持原狀，就必須放棄真實(shí)性。

這意味著什么？煉鐵爐辦公室旁邊是爐料廳，以前儲(chǔ)藏著1.2萬噸原材料。提姆指向一根支柱說：“我們不得不切下一截，換上新的。”柱子被腐蝕得太厲害了，建筑物的安全受到了威脅，但為了維持原樣，他們?nèi)匀贿x擇了和原先的化學(xué)成分盡量接近的鋼鐵作為替代物。

這位建筑師覺得自己有點(diǎn)像外科醫(yī)生。他說：“為拯救病人的生命，外科醫(yī)生有時(shí)必須冷酷無情，甚至很殘忍，比如截掉病人的一條腿?！?/p>

在鋼鐵廠還生產(chǎn)時(shí)，銹蝕根本不成問題。煉鐵爐、煉焦?fàn)t、熱風(fēng)爐的超高溫讓濕氣無處藏匿，也就無法生出“壞銹”。到停產(chǎn)時(shí)，這個(gè)鋼鐵廠產(chǎn)出了數(shù)百萬噸鐵和鋼。這種金屬被作為鋼梁用在建筑物中，作為金屬線來圍籬笆，作為鋼盔在凡爾登的戰(zhàn)壕中佩戴，也作為彈殼帶來了死亡。它們中很多都走過了鐵元素的經(jīng)典道路：和地球環(huán)境接觸，回到氧氣的懷抱，重回本初，成為鐵銹。

[編譯自德國《地球》]

編輯：周丹丹