滬杭高速鐵路雨棚鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系的研究

沈海興

(滬杭鐵路客運(yùn)專線股份有限公司，上海 200237)

1 雨棚防腐蝕涂料、防火涂料及其涂裝體系

1.1 防腐蝕涂層的作用

對(duì)于一般環(huán)境的鋼結(jié)構(gòu)而言，采用涂料防腐蝕是當(dāng)今防腐蝕中主要的也是最為有效的手段。它是通過(guò)涂裝施工形成一種物理或化學(xué)屏障——漆膜，阻止和隔絕腐蝕介質(zhì)水和空氣與鋼鐵表面接觸，達(dá)到保護(hù)鋼鐵的目的。在進(jìn)行涂裝設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下條件:鋼結(jié)構(gòu)的條件(Structure)、涂料配套體系(Paint)、鋼結(jié)構(gòu)的表面處理(Cleaning)和涂裝施工(Working)4個(gè)方面，簡(jiǎn)稱為SPCW。

為了保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)不受腐蝕，延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)使用壽命，國(guó)內(nèi)外常采用涂層進(jìn)行防腐蝕保護(hù)。防腐蝕涂料涂覆在鋼鐵表面，成膜固化后形成硬實(shí)的防腐蝕涂層，并通過(guò)涂層的以下作用防止鋼鐵表面腐蝕。

(1)屏蔽作用:鋼鐵表面電化學(xué)腐蝕的基本條件是在鋼鐵表面必須有水、氧、離子的存在和離子、電子的流通(導(dǎo)電)。防腐蝕涂層能阻止水、氧、離子透過(guò)涂層達(dá)到鋼鐵表面。其次涂層還能阻擋酸堿鹽及工業(yè)大氣的直接化學(xué)腐蝕。

(2)緩蝕作用:在防腐蝕涂層中(特別是底漆中)含有化學(xué)防銹顏料，當(dāng)有水存在時(shí)，能從這些防銹顏料中解離出緩蝕性離子，這些離子又能使腐蝕電池的一個(gè)電極或兩個(gè)電極極化(或稱鈍化)，抑制腐蝕進(jìn)行，故緩蝕作用能彌補(bǔ)屏蔽作用的不足，反過(guò)來(lái)屏蔽作用又能阻止緩蝕離子的流失，使緩蝕作用穩(wěn)定持久。

(3)陰極保護(hù)作用:在涂料涂層中如果有比鋼鐵更活潑的金屬(電位更低的金屬)粉末，如鋅粉或鋁粉等，它們能對(duì)鋼鐵形成犧牲陽(yáng)極，只要這些活潑的金屬粉末含量達(dá)到使金屬粉顆間及金屬粉與鋼鐵底材之間達(dá)到點(diǎn)接觸的程度，就能使鋼鐵免受腐蝕。

1.2 防火涂層的作用

為了提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限，一般都需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件進(jìn)行防火保護(hù)。最具典型的防火保護(hù)措施是涂敷防火涂料減緩火災(zāi)下的升溫，從而增加鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限。這種方法施工簡(jiǎn)便、質(zhì)量輕、耐火時(shí)間長(zhǎng)，而且不受鋼構(gòu)件幾何形狀限制，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

我國(guó)有80%左右的鋼結(jié)構(gòu)采用防火涂料保護(hù)，檢測(cè)帶防火涂層的鋼結(jié)構(gòu)耐火極限不但是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，也是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能的最重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料品種較多，通常根據(jù)高溫下的涂層變化分為膨脹型和非膨脹型兩大系列［1］。膨脹型防火涂料又稱為薄型防火涂料，厚度一般為2～7 mm。涂層厚度在3 mm以下的為超薄型;涂層厚度在3～7 mm的為普通型。其基料為有機(jī)樹(shù)脂，配方中還含有發(fā)泡劑、碳化劑等成分，遇火后自身會(huì)發(fā)泡膨脹，形成比涂層厚度大十幾倍到數(shù)十倍的多孔碳質(zhì)層。多孔碳質(zhì)層可以阻擋外部熱源對(duì)基材的傳熱，如同絕熱屏障，用于鋼結(jié)構(gòu)防火，耐火極限可以達(dá)到0.5～1.5 h。非膨脹型防火涂料又稱為厚型防火涂料，其涂層厚度為7～50 mm。

1.3 防腐涂層與防火涂層的兼容性

雖然現(xiàn)在室內(nèi)型防火涂料上可以不覆涂，但是考慮到站臺(tái)雨棚屬于半露天結(jié)構(gòu)，對(duì)防火涂料的耐久性要求較高。防火涂料的耐紫外光照射性能較差，因此導(dǎo)致了防火涂料的粉化、剝落等現(xiàn)象。經(jīng)已建站臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)雨棚現(xiàn)狀調(diào)查，防火涂料外加面漆時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題:(1)兼容性差;(2)附著力低;(3)防火涂料膨脹開(kāi)裂與面漆的剝落。因此針對(duì)這些問(wèn)題，進(jìn)行了有關(guān)二者結(jié)合情況的試驗(yàn)和分析，并發(fā)現(xiàn)在涂裝過(guò)程中，防火涂料的厚度均勻，與面漆結(jié)合較好，面漆表面光滑;同時(shí)防火涂料與面漆的附著力大于防火涂層層間附著力，可以提供防火涂料足夠的保護(hù)功能。

1.4 大型鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂料及其與防火涂料的配套體系

目前大量采用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件并兼有防火要求的建筑有體育場(chǎng)館，大型展覽館，火車站站臺(tái)雨棚、候車室等。通過(guò)對(duì)各種已建成的大型鋼結(jié)構(gòu)涂裝體系資料的調(diào)查總結(jié)可知，一般涂裝設(shè)計(jì)方案為［2］:鋼結(jié)構(gòu)表面噴射處理/底漆/環(huán)氧云鐵中間漆防火涂料(面漆)，涂層厚度根據(jù)腐蝕環(huán)境而定。要求底漆與鋼材表面拉開(kāi)法附著力不小于3.5 MPa。

防銹底漆的防腐功能主要通過(guò)防銹顏料發(fā)揮作用，常用的底漆有:環(huán)氧富鋅底漆、水性富鋅底漆、環(huán)氧磷酸鋅底漆、無(wú)機(jī)鋅底漆等;常用的中間漆一般都為環(huán)氧云鐵中間漆;防火涂料一般采用超薄型丙烯酸類防火涂料;面漆性能較好的有聚氨酯面漆，這也是使用最為廣泛的一種大眾化面漆。近年來(lái)，聚硅氧烷和氟碳涂料的發(fā)展迅速，在耐候性、色澤等方面有了進(jìn)一步提升，可作為高檔面漆。

2 造成腐蝕的大氣環(huán)境與機(jī)理分析

2.1 造成腐蝕的大氣中的氣候因素

根據(jù)文獻(xiàn)［3，4］，大氣中的氣候因素直接影響著大氣的腐蝕作用，其中包括大氣中的相對(duì)濕度、表面潤(rùn)濕時(shí)間、日照時(shí)間、氣溫、降雨、降塵等因素。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕環(huán)境分類

《大氣環(huán)境腐蝕性分類》(GB/T15957—1995)在1996年8月1日起正式實(shí)施，主要針對(duì)普通碳素鋼在不同大氣環(huán)境下的腐蝕類型及其與相對(duì)濕度、空氣中腐蝕性物質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系作了規(guī)定［3］。它可以作為碳素鋼結(jié)構(gòu)在各種大氣環(huán)境選擇防腐蝕涂料系統(tǒng)的依據(jù)。雨棚鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境主要是大氣腐蝕，涉及到所有的大氣腐蝕類型，其中腐蝕性最強(qiáng)的是工業(yè)大氣和海洋大氣。

2.3 滬杭高速鐵路雨棚鋼結(jié)構(gòu)的大氣腐蝕環(huán)境等級(jí)

(1)長(zhǎng)三角地區(qū)年平均氣溫變化 上海氣候中心一份最新研究報(bào)告［5］指出，最近50多年來(lái)長(zhǎng)江三角洲城市地區(qū)的氣溫在升高，特別是20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始變暖趨勢(shì)更加明顯。近年來(lái)，上海、杭州、嘉興等城市的年平均氣溫都在18℃左右［6］，氣溫越高，與相對(duì)濕度共同作用可加速鋼結(jié)構(gòu)腐蝕。

(2)長(zhǎng)三角地區(qū)降水變化與酸雨 長(zhǎng)江三角洲已成為我國(guó)兩個(gè)主要的酸雨控制區(qū)之一，幾乎整個(gè)長(zhǎng)三角地區(qū)都處于酸雨的威脅中，降水pH值逐年下降。2006年的統(tǒng)計(jì)表明［7］，上海、江蘇、浙江降水pH平均值分別為4.73、5.1和4.3，酸雨頻度分別為56.4%、38.6%和91.6%。三省市中浙江的酸雨發(fā)生頻率最高、強(qiáng)度最大、范圍最廣。

(3)相對(duì)濕度 根據(jù)2005年對(duì)上海、杭州周圍大氣環(huán)境調(diào)查［8］，年相對(duì)平均濕度約為60.6%，全年僅有3、4、11、12月份相對(duì)平均濕度低于60%，其余均處于60%～75%。

滬杭高速鐵路所處長(zhǎng)三角地區(qū)工業(yè)污染較大，根據(jù)近年來(lái)氣候以及大氣污染物排放等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，雨棚為露天結(jié)構(gòu)，因此在確定雨棚的腐蝕環(huán)境等級(jí)時(shí)，考慮長(zhǎng)三角地區(qū)的C3腐蝕環(huán)境等級(jí)基礎(chǔ)上，將雨棚腐蝕等級(jí)提升至國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO推出的ISO12944標(biāo)準(zhǔn)中的C4等級(jí)，并以ISO12944中建議的C4等級(jí)的涂料種類以及涂層厚度來(lái)進(jìn)行滬杭高速鐵路站臺(tái)雨棚的防腐涂層體系的對(duì)比篩選實(shí)驗(yàn)、分析。

3 影響防腐涂層劣化的因素分析

3.1 涂層劣化的過(guò)程與機(jī)理

鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂層在大氣環(huán)境下的劣化主要與腐蝕性離子在涂層內(nèi)部的傳輸、基體腐蝕、涂層起泡等因素有關(guān)，而有機(jī)涂層的微觀缺陷在此扮演了很重要的角色，因?yàn)樗鼈兊拇嬖诳梢约涌焖⒀?、其他腐蝕離子在涂層內(nèi)部的傳輸。這些微觀缺陷可能存在于涂層表面、涂層內(nèi)部或者從涂層表面直通到金屬基體。

3.2 長(zhǎng)三角地區(qū)既有雨棚鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕特點(diǎn)

長(zhǎng)三角地區(qū)所處大氣環(huán)境相似，調(diào)研目前滬寧鐵路和新長(zhǎng)鐵路現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)站房雨棚的涂層狀況，對(duì)滬杭高速鐵路建設(shè)中的站房雨棚鋼結(jié)構(gòu)的涂層設(shè)計(jì)與施工具有一定指導(dǎo)意義。

雨棚結(jié)構(gòu)大致可分為頂部露天結(jié)構(gòu)、頂部橫梁、站臺(tái)立柱等部位，通過(guò)調(diào)研結(jié)果可知。

(1)立柱 粉化，剝落，污染嚴(yán)重，有銹蝕出現(xiàn)，根據(jù)對(duì)涂層厚度的測(cè)試，涂層厚度在1 000 μm以上，防火涂料表面無(wú)面漆，防污染性差。而且根據(jù)觀察，經(jīng)常暴露在日曬雨淋條件下的涂層龜裂、剝落以及鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕較嚴(yán)重。

(2)頂部露天結(jié)構(gòu) 頂部雨棚擋板涂層粉化，剝落比較嚴(yán)重，集中出現(xiàn)在朝陽(yáng)的一面。說(shuō)明涂層的耐候性不高，因?yàn)檫@部分鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在日曬雨淋下，建議考慮采取重防腐措施。

(3)頂部橫梁 頂部橫梁涂層的剝落通常出現(xiàn)于某一處，集中于一根梁上，分析其原因?yàn)?該處涂層腐蝕環(huán)境較差，該根梁涂裝時(shí)表面處理不好或涂裝厚度薄。銹蝕處通常出現(xiàn)在焊接部位，一般為點(diǎn)狀銹蝕，因與焊渣處理的不完全從而導(dǎo)致涂層覆蓋不均勻有關(guān)。

根據(jù)調(diào)研的結(jié)果總結(jié)雨棚鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕特點(diǎn)為:

(1)因?yàn)楸砻嫣幚聿坏轿唬糠制崮て鹋莨钠?，從鋼結(jié)構(gòu)表面脫離;此時(shí)鋼結(jié)構(gòu)失去保護(hù)，容易出現(xiàn)銹蝕;

(2)日曬雨淋時(shí)間較長(zhǎng)的部位，涂層更容易失效、龜裂、粉化，既影響美觀，也會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)失去保護(hù)，縮短鋼結(jié)構(gòu)使用壽命;

(3)鉚釘、螺栓或其他連接物，焊接處，豁縫(特別是跳焊或靠在一起的表面);重疊表面(例如:水儲(chǔ)槽的頂板);定位拙劣或錯(cuò)綜安排的角鐵;螺紋狀區(qū)域;不相似的金屬;銳邊，特別是那些角落，或粗糙切割的板材;結(jié)構(gòu)輔助物等難以到達(dá)的區(qū)域也容易出現(xiàn)涂裝不當(dāng)，從而導(dǎo)致這些部位銹蝕。

在上述站臺(tái)涂層體系中，最突出的問(wèn)題是在防火涂料上并未再涂裝耐候性較好的面漆，雖然室外型防火涂料有一定的耐候性，但是在長(zhǎng)期的日曬雨淋下，為了確保涂層的使用年限，推薦使用與防火涂料配套性較好的面漆，面漆的耐候性以及抗污性將明顯提高涂層的美觀以及使用年限。

這幾處調(diào)研的站房基本在同一時(shí)期建造，距今在5年左右，按照對(duì)涂層使用壽命的預(yù)測(cè)與要求，涂層的使用壽命應(yīng)該在10年以上，目前看來(lái)涂層的劣化程度已經(jīng)不能確保對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)功能。這與涂層體系的設(shè)計(jì)密不可分。涂層體系設(shè)計(jì)的步驟應(yīng)該包括:涂層使用環(huán)境的污染等級(jí)調(diào)查—確定污染等級(jí)—根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定該污染等級(jí)適用的防腐涂層體系—試驗(yàn)涂層與防火涂料的配套性—選擇幾種合適的體系及不同廠家的涂料進(jìn)行涂料類型及廠家的篩選(防腐性能的差異)—制定涂層完整的施工手冊(cè)。

4 比對(duì)涂層體系及涂裝方式確定

4.1 比對(duì)涂層體系

確定涂層體系方案之前，必須掌握防腐蝕材料的性能在雨棚的使用環(huán)境下會(huì)發(fā)生如何變化，還必須判斷防腐蝕材料在設(shè)計(jì)壽命限期內(nèi)以怎樣的失效規(guī)律和速度達(dá)到使用年限。就是說(shuō)要按照雨棚的重要程度、養(yǎng)護(hù)管理的難易程度等合理選定防腐蝕材料，再在施工中進(jìn)一步確認(rèn)其性能。在此基礎(chǔ)上，對(duì)防腐蝕材料在雨棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命期限內(nèi)的劣化以合理的精度加以預(yù)測(cè)是很有必要的。根據(jù)上述對(duì)防腐蝕材料的分析，策劃養(yǎng)護(hù)管理計(jì)劃。

對(duì)于具體條件而言，選擇最合理的腐蝕防護(hù)系統(tǒng)并不是一件很簡(jiǎn)單的事情。在選擇過(guò)程中會(huì)涉及到諸多因素，并且最終的選定也可能只是一種折中的方案。

尤其必須考慮以下問(wèn)題:

(1)所選系統(tǒng)必須抵抗的外部條件(大氣環(huán)境條件);

(2)各種系統(tǒng)抵抗這種條件的能力;

(3)對(duì)于能夠提供必要防護(hù)的涂層，必須考慮其他問(wèn)題的特點(diǎn)(比如養(yǎng)護(hù)管理)，以提供一條經(jīng)濟(jì)的解決途徑。

根據(jù)涂層保護(hù)的機(jī)理，綜合滬杭高速鐵路站臺(tái)雨棚所處環(huán)境等級(jí)達(dá)到ISO12944中的C4等級(jí)，涂裝中影響涂裝質(zhì)量因素，以及現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)站臺(tái)腐蝕現(xiàn)狀等因素，確定實(shí)驗(yàn)用涂層的體系種類以及厚度如表1所示。

表1 防腐蝕底漆比對(duì)用體系種類及厚度

通過(guò)對(duì)不同廠家底漆的篩選以及底漆種類的篩選，面漆選用聚氨酯、聚硅氧烷、氟碳3種作對(duì)比，防火涂料則選用丙烯酸類防火涂料作比較。

4.2 涂裝方式

(1)底材表面處理

①鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)平整，底材處理前應(yīng)對(duì)銳角進(jìn)行打磨處理，使其R=2 mm(銳角打磨后的弧度)。

②在進(jìn)行噴砂或拋丸除銹前，應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面的氧化皮、焊渣、灰塵、毛刺、鐵銹、油污、水分、鹽分等污染物進(jìn)行徹底的清除。

③采用噴砂或拋丸法對(duì)基材表面進(jìn)行處理，按GB/T8923—88標(biāo)準(zhǔn)，使其達(dá)到Sa2.5級(jí);用目測(cè)法觀測(cè)，鋼材表面應(yīng)無(wú)可見(jiàn)的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹等。

④噴砂后表面粗糙度應(yīng)達(dá)到40～70 μm，采用觸針式粗糙度測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。

⑤經(jīng)噴砂或拋丸處理并達(dá)到規(guī)定要求的基面，經(jīng)真空吸塵、壓縮空氣吹凈或用干凈毛刷除塵后，在5 h內(nèi)涂上底漆。

(2)在經(jīng)過(guò)處理并達(dá)到規(guī)定要求的鋼結(jié)構(gòu)表面上，測(cè)量涂裝時(shí)溫度、濕度等，確定可以達(dá)到涂裝要求的各因素，采用高壓無(wú)氣噴涂，漆膜干燥24 h以上，進(jìn)行下次涂裝。每次復(fù)涂前，清潔表面。

4.3 結(jié)論

(1)防腐與防火材料兼容性良好，面漆的覆涂并不影響防火涂料的起泡，起泡時(shí)間與未覆涂前完全一致，在防火涂料完全碳化后，面漆也未從防火涂料上脫落。

(2)長(zhǎng)三角大氣環(huán)境腐蝕性分類為C3?？紤]到雨棚為露天結(jié)構(gòu)，因此在確定雨棚的腐蝕環(huán)境等級(jí)時(shí)，考慮長(zhǎng)三角地區(qū)的C3腐蝕環(huán)境等級(jí)基礎(chǔ)上，將雨棚腐蝕等級(jí)提升至ISO12944中的C4等級(jí)。

(3)大氣環(huán)境下的腐蝕主要表現(xiàn)為銹蝕。影響銹蝕速度的因素有:環(huán)境的溫度、濕度、大氣中的酸性污染物濃度、電解質(zhì)微粒漂浮物等。

(4)后續(xù)耐久性研究采用的對(duì)比涂層體系的種類及厚度確定為表2所示的耐久性體系。

表2 耐久性對(duì)比體系

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)調(diào)研分析滬杭高速鐵路沿線大氣環(huán)境，確定鋼結(jié)構(gòu)腐蝕環(huán)境等級(jí);考察長(zhǎng)三角地區(qū)典型客站鋼結(jié)構(gòu)涂裝劣化狀況和特征，為滬杭高速鐵路新建客站鋼結(jié)構(gòu)涂裝體系選擇和施工方法選定提供依據(jù);對(duì)涂裝體系的可維護(hù)性和維護(hù)材料、防火涂層與防腐涂層相容性進(jìn)行研究。隨著高速鐵路建設(shè)的快速推進(jìn)，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的日益廣泛，鋼結(jié)構(gòu)的防腐防火必定成為鐵路建設(shè)中的一道關(guān)鍵步驟，鋼結(jié)構(gòu)涂層體系的維護(hù)也會(huì)越來(lái)越受到重視，其直接影響人們的視覺(jué)美觀以及鋼結(jié)構(gòu)體系的使用壽命，對(duì)其的重視必將提高鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命以及鐵路的安全運(yùn)營(yíng)質(zhì)量。

［1］鄭洪雷.超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料概述［J］.安防科技，2009(1):58-60.

［2］劉秀生，劉海峰，邱大健等.站臺(tái)雨棚鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂料的施工［J］.材料保護(hù)，1998，31(9):30-32.

［3］Bellucci F.Nicodemol.Protective properties of epoxy-based organic coatings on mild steel［J］.Corrosion，1993，49(3):235.

［4］曹楚南主編.中國(guó)材料的自然環(huán)境腐蝕［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［5］錢 華，王冰妍.上海大氣環(huán)境質(zhì)量影響因素分析［J］.環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué)，2004，21(3):245-247.

［6］王體健，萬(wàn) 靜.長(zhǎng)江三角洲地區(qū)近50年的氣溫變化特征分析［J］.暴雨災(zāi)害，2008，27(2):109-113.

［7］徐曉斌，林偉立，顏鵬.1994～2006年長(zhǎng)江三角洲和東北平原酸性氣體濃度變化［J］.氣候變化研究進(jìn)展，2008，4(4):195-200.

［8］顧勇國(guó)，呂森林，顧建忠.上海市市區(qū)、郊區(qū)NO2，SO2和PM10的時(shí)空變化規(guī)律及相關(guān)性分析［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2006，26(5):203-205.