只有学霸才能答得出这一题
■ 编者按：
学霸们请听题：锈蚀每天都发生在我们周围。含氧和水的环境腐蚀作用把金属变成难以回收的氧化物废渣，它是个残忍的敌人，从不休息，自由女神像也难逃它的魔爪。目前在拯救自由女神像的过程中出现了以下几个难点：
1. 除锈团队选择将钢铁骨架与铜质外层固定起来的框架设计，但两种金属一旦接触，就会发生腐蚀。
2. 自由女神左手捧着的书由“锈得很厉害”的支架勉强支撑，王冠也没好到哪儿去，火炬更是“锈迹斑斑”。火炬部分存在“明显的结构坍塌风险”。
3. 数百万游客肺部呼出的水蒸气在雕像内部浓缩成的水，以及雕像王冠七个尖角之一刺入举起的肱二头肌形成的那个大孔处流下的水，经过铆钉的小孔或糟糕设计的排水口，钻进了雕像里。
假如你是除锈团队中的一员，你会提出哪些建议来解决上述问题？
这座曾是世界上最高钢铁建筑的雕像正在生锈，成因充满谜团。来自法国和美国的七位建筑学家与工程师开始对她的过去进行调查，把细节拼凑到一起。可以肯定的是，它曾经被很多机构以各种方式管理过，虽然有时管理得并不到位。
她矗立在贝德罗岛的伍德堡上，建成于1886年，在经过两周的无人监管后，最初由隶属于财政部的美国灯塔委员会管理。该机构管理了十五年，随后在她被宣布成为国家纪念碑之前，战争部接管了二十三年。又是九年过去，她的监管权转移到国家公园管理局手上。也就是说，在长达半个世纪里，她都没有得到任何机构的专门照看。
1937年，国家公园管理局与公共事业振兴署（Works ProgressAdministration）一起替换了一些生锈的结构。优秀的维护人员使用与原来类似的钢材进行了替换，但因为所有工作都是在雕像内部进行的，所以他们用了自攻螺钉而非铆钉，因此可以说这事被他们搞砸了。
在那之后，雕像没有得到过更好的维护。直到1964年8月之前，这座纪念碑都没有官方的负责人，只是有过一名管理助理、三名助理负责人、一名代理助理负责人和一名部门管理人员（其中没有一人任职超过两年半）。1977年1月，莫菲特终于到任了。
除锈团队的美国成员包括理查德·海登（Richard Hayden）、蒂埃里·德斯庞特（Thierry Despont）、爱德华·科恩（Edward Cohen），他们认为需要更多有关雕像历史的细节，因此造访了由雕像建筑师弗里德利·奥古斯特·巴特勒迪（Frédéric-AugusteBartholdi）以及工程师亚历山大·古斯塔夫·艾菲尔（Alexandre-Gustave Eiffel）完成的其他雕像。
他们前往位于法国科尔马的巴特勒迪博物馆，查阅了1885年的笔记、文件、模型以及日记。他们没有看到建筑图，但发现巴特勒迪根本没有计划开放雕像内部，这就有些棘手了，因为美国人最喜欢的就是这一点。此外，他们发现了艾菲尔的手稿，其中包括雕像框架的计算过程，解释了二十七万磅的钢铁如何支撑十六万磅的铜。
将钢铁骨架与铜质外层固定起来的框架设计非常精巧，但巴特勒迪也明白这风险很高。实际上，他已经选择了另一个出自欧仁·埃马纽埃尔·维奥莱-勒-杜克（Eugène Emmanuel Viollet-le-Duc）之手的方案，雕像的臀部以下都用沙子填充。然而，维奥莱-勒-杜克在1879年就逝世了，因此巴特勒迪只好选择艾菲尔的方案。
艾菲尔的设计之所以有风险，是因为两种金属不能真正相互接触，一旦接触，就会发生腐蚀，这是路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）在一个世纪前就已经证实的现象，还被命名为“伽伐尼腐蚀”。实际上这也是电池工作的原理：电子从较弱，也就是电负性较高的金属传递到较强的金属上，而较弱的金属就会被破坏，这也是电池不能永远续航的原因。
具体到自由女神像这个案例中，电势差只有大约1/4伏特，这甚至无法点亮最小的灯泡，但持久性却超过任何一枚电池。艾菲尔知道这一风险，并计划用虫胶浸渍的石棉来隔离铁、铜两种金属。在那个时代，这已经是最先进的技术了，而且他很有信心。他表示：“关于这件作品的维护，基于处在这座建筑内部时，所有元素的细节都可以看到，所以很容易将其保持在良好状态。”
《科学美国人》对此有不同看法，在雕像完工后的一个月曾撰文告诫：“需要担心五种危险，分别是地震、风、闪电、伽伐尼腐蚀和人。”巴特勒迪反击道：“我丝毫不怀疑，只要得到关照与维护，这座地标性建筑将会比埃及的那些更持久。”然而事情却不像他预料的那样，一部分原因是他从没考虑过上漆的问题。
如今已经不知道是谁第一个在雕像内部上漆了，总之，这事发生在1911年，涂抹的是一层黑色的煤焦油。到了1932年，一位模仿者又在这层漆上面厚厚地涂了一层铝涂料；1947年，又有人在其上覆盖了一层搪瓷，这种材料可以有效地擦除其表面的涂鸦。莫菲特到任以前，至少还有六个人干过这样的事情，于是涂抹在雕像内部的漆一层接一层。
为了维护雕像，莫菲特也加入了他们的行列。他甫一到任，工作中就有一项是在雕像内部涂上一层浅绿色的含铅油漆。本应该挂上“高腐蚀风险”警告标语的位置，却多了许多层涂料。这些涂料几乎和铜一般厚，而且还在钢铁骨架与铜质外层间保存了水分，这恰恰是艾菲尔和巴特勒迪提醒过需要避免的问题。
铜与铁之间有一层水就如同两种金属相互接触一样糟糕。所以美国团队的第一个发现就是：雕像已经成了一枚巨大的电池。最后，腐蚀还产生了大量“废料”。在某些位置，涂料已经成为维持结构的唯一材料。
与此同时，团队中的法国成员们也开始收集数据，但更多是科学数据而非历史数据。他们在雕像表面安装了大量风力表，内部则装了142个拉力仪和加速器。数以百万计的游客在雕像内部的封闭空间里呼吸，夏天时温度又常常超过49℃，因此他们在内部安装了二氧化碳检测仪与湿度仪。
他们用X射线对框架的裂缝进行扫描诊断；而在位于法国桑丽思的机械行业技术中心，他们又对泡在泥浆中的钢架样品进行疲劳与冲击测试，观察裂缝是如何形成又是如何扩大，以及金属在风力引起的动态应力下的响应。他们使用超声波测距仪对铜质外层的厚度进行测量，而且拍摄下300片铜板的照片。
1981年12月，“法-美自由女神像修复委员会”完成了初步诊断报告，证实了莫菲特对丹佛方面所谓“基本完好”的怀疑。1983年7月14日，该委员会发表了一份如同杂志一般厚的报告，足足有三十六页，其中提出了四种修复建议。
这些建议只是在提高游客可接近度与环境的程度方面有所区别，如楼梯、电梯及休息平台。除此以外，有关建筑维修方面的建议非常一致：“确保建筑的整体性，并且在可以预见的未来，避免更多的电解作用。”他们说的电解就是指锈蚀。
工程师们发现，雕像的每一个部分都存在锈蚀现象，或至少对此有影响。仅有铜质外层还能够抵抗，虽然有些铆钉孔洞和其他损伤，但还是被认为属于“正常”范围内。一旦钢架开始锈蚀，恶化过程就会失控。
当支架上有一个点开始生锈时，那么这个点就会膨胀，继而使铜质外层与铁质骨架之间的弹性铰链点（可以允许铜的轻微膨胀与收缩）无法活动，然后铜会发生扭曲，并最终将铆钉顶开，使铜质外层承受更强的拉力。这个过程被称之为“顶升”，就像是一种链式反应。
特别是由于雕像内外的压力差，更多铆钉被顶开，这也意味着更多水分进入，自由女神像几乎是在吸水。雕像的1.2万根骨架铆钉中，有1/3出现松动、损坏或脱落，而支架则有差不多一半发生锈蚀。石棉绝缘层早已瓦解，实际上已经因毛细作用吸收水分并加剧破坏进程。
因此，支架的一些拱肋厚度已经只剩1/3。雕像长袍与脚部下方的桁架梁则“严重锈蚀”；从照片上看，它们似乎被什么金属海狸咀嚼过一般。自由女神左手捧着的书也由“锈得很厉害”的支架勉强支撑，王冠也没好到哪儿去。楼梯被腐蚀的状况也很严重，右臂的支架也是如此，火炬更是“锈迹斑斑”。所有骨架的锈蚀问题都被认为已经“危害”到系统功能的发挥。根据这份报告，火炬部分存在“明显的结构坍塌风险”，这实在是一件难以启齿的事。
数百万游客肺部呼出的水蒸气在雕像内部浓缩成的水，以及雕像王冠七个尖角之一刺入举起的肱二头肌形成的那个大孔处流下的水，经过铆钉的小孔或糟糕设计的排水口（最初的设计是为了将水排出），钻进了雕像里。在冬天，雕像防水性差的问题就尤其突出，因为人们很容易就在雕像内部发现雪的踪迹。水也会从火炬的位置进入雕像，这从一开始就是个灾难。
1886年，当雕像在美国组装，或者说是重新组装时，巴特勒迪要求在火炬上安装八束灯光，以点亮镀金的铜火焰。就在雕像揭幕仪式前一周，也就是10月28日，美国陆军工程部通知他调整灯光设计方案，因为原有方案会干扰港口的舰船导航系统。美国灯塔委员会海军上尉约翰·米利斯（John Millis）决定在火炬上切出两排舷窗，这样就可以从内部进行点亮了。
不过，这样的亮度有限，只是在曼哈顿岛上可以看到，巴特勒迪揶揄这火焰只是“萤火虫之光”。到了1892年，上面一排舷窗的直径被扩大到18英寸，随后用玻璃封闭，并在上方加装了一扇天窗，巴特勒迪对此仍不满意。
又过了24年，也就是巴特勒迪去世后的12年，一位名叫约翰·格曾·博格勒姆（John Gutzon Borglum）的艺术家对大部分火炬进行了雕刻，共切出250个矩形，安装了250块琥珀色玻璃。博格勒姆也曾雕刻过拉什莫尔山。后来，有位金属雕工写道，火炬现在就像“一只形状诡异的中国灯笼”，火炬从内到外也像一只巨大的鸟笼。窗户上有漏洞，下方的通风孔则是鸟类完美的入口，各种锈蚀问题也因此而生。
修复雕像支架的工作被证明是史上最具挑战性的任务。铁架的状况实在太糟糕，所谓修复的概念都已名存实亡——所有的零件都被一个一个地替换了，包括 1825 根特制的肋梁。这些肋梁每根重达二十五磅，长六尺。
此 外， 所 有 用 于 连 接 铁 架 与 铜 层 的 紧 固 件 也 被 替 换 了， 包 括2000 多只 U 型锁扣，接近 4000 只螺栓以及 1.2 万只铜铆钉。铆钉都预先上了漆，否则修复好的自由女神就会像长满了水痘一样。
因为铁架已经太脆弱，所以这些工作只能分批进行，以避免造成结构过载。雕像被划分为四个象限，一次同时从每个象限各抽出一根肋梁，并立刻用支架撑住外面的铜。这些肋梁被送到了雕像基座旁边的金属铸造车间，火炬也是在那里完成再造的。铸造车间生产出的新肋梁与原来的肋梁完全一致，并通以三万安培的电流持续五分钟，直到温度达到 1310℃，此时就变得易于弯曲了。
将肋梁弯曲到合适的形状后，放到水中淬火，然后喷砂、贴标签、包装，再送往曼哈顿，用硝酸进行处理，使其表面生成抗腐蚀的钝化层。从抽离到替换，整个过程需要三十六个小时，其中有一个小时是通过手工调整新的肋梁以支撑雕像的形状。工人们连轴工作了六个月，每周也只能铸造七十根肋梁。
原先用于隔离外层与支架的石棉也被取出来了，代之以特富龙胶带。德拉蒙德之前发现的那些裂缝，如今工人们采用了硅胶进行修补，而且还是家用型硅胶。为了使水蒸气形成后不再凝结，一套湿度控制系统也适时地安装上。在支架的其中一根主梁上，工人们厚厚地涂了三层涂料。这是一种由美国航天局开发的无机锌涂料，并已在夏威夷、俄勒冈州阿斯托里亚以及旧金山金门大桥进行过测试。（ 锌比铁更活泼些，因此会在支架前发生锈蚀，就如同铁与铜接触时发生锈蚀一样。）
生产厂家开发了这一涂料的水性款，否则溶剂型的涂料挥发出的可燃性气体足以使雕像变成一个巨大的煤气罐。在涂料的表面，他们又添加了一层环氧树脂，这样涂鸦就会比较容易清除。当工程师们抵达雕像肩部的时候，保护主义者们获得了最终的胜利。女神的肩膀移位了 1.5 英尺，而头部则偏移了 2 英尺——这属于组装失误。尽管骨架压力已经超负荷并且过于有弹性，工程师们还是更倾向于用支架固定而非重建。
最终，在 1986 年 7 月 4 日，一柄新的火炬被运送到合适的位置。火炬是严格按照巴特勒迪的原始方案精心设计的 ：实心的火焰由外侧灯光点亮 ；而且这次使用的也不仅仅是铜，火焰表面还覆盖了一层金箔。
金箔下的铜片由 2600 根铆钉固定拼接，经过焊接、磨平、涂油脂、化学蚀刻、上底漆等步骤，最后又抹了三层清漆——自 18世纪以来，这是用于生产小提琴的“秘方”工艺——而金箔则是在最外层清漆还未干透的时候粘接的。在下方坠饰的出气孔外，还安装了防鸟网。
选自《锈蚀：人类最漫长的战争》
本文经出版社授权刊载
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《锈蚀：人类最漫长的战争》 【美】乔纳森·瓦尔德曼 著 2017年09月 广西师范大学出版社 |
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