高鐵車站鋼結構雨棚防火涂層病害的分析與研究

曹偉峰 中國鐵路上海局集團有限公司上海房建公寓段

1 概況

據(jù)鐵路總公司統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示運營的高鐵站有1 100 多座，供電處正在進行銹蝕病害情況摸底調(diào)查，防火涂料存在不同程度的空鼓、脫落、開裂等涂層嚴重缺陷，病害的集中區(qū)域在露天雨棚鋼結構的屋面及鋼結構立柱。

高鐵車站通常都是占地面積大，建筑體量大、金屬屋面及鋼結構跨度大，就拿京滬高客運專線來說，沿途露天鋼結構雨棚銹蝕嚴重，一直在不斷地修補式的整治，病害產(chǎn)生的原因在哪里？

以一個車站鋼結構雨棚整治工程為例，中國鐵路上海局集團上海房建公寓段接迎上海進出口博覽會契機對上海虹橋站52 736.5 m2鋼結構雨棚涂裝進行整治，以工程結束后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鋼結構雨棚立柱展開面積為6 237.8 m2，面漆脫落及鋼結構銹蝕的展開面積約為973 m2，占立柱總體展開面積的15.6%。上部管桁架的展開面積為46 498.7 m2，面漆脫落及鋼結構銹蝕的展開面積約為2 232 m2，占管桁架總體展開面積的4.8%。通過以上數(shù)據(jù)的對比可以看出立柱的漆膜脫落及鋼結構銹蝕的情況要遠遠差于上部管鋼架的病害情況。

按照GB 51249-2017《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》及TB 10063-2016《鐵路工程設計防火規(guī)范》的規(guī)定，線間鋼結構立柱12 m 耐火等級為二級，耐火極限2 hrs 需要涂裝鋼結構防火涂料進行結構防火保護，而上部管桁架不需要涂裝防火涂料，這是造成立柱上漆膜病害情況遠差于上部管桁架的主要原因。

所以對雨棚立柱上涂裝的防火涂料及外部條件進行分析，對研究立柱漆膜脫落嚴重的現(xiàn)象的研究有著重要的幫助。

2 鋼結構防火涂料的定義與分類

2.1 鋼結構防火涂料的定義

防火涂料就是涂覆在被涂物的表面，能夠降低被涂物材料表面的可燃性、阻滯火災的迅速蔓延，或是涂覆于結構材料表面，用于提高構件耐火極限的一類物質(zhì)。它具有普通涂料的裝飾性，更重要的是涂料本身具有的特性決定了它有防火保護的功能。

根據(jù)GB14907-2018《鋼結構防火涂料》的定義，施涂于建（構）筑鋼結構表面，能形成耐火隔熱保護層以提高鋼結構耐火極限的涂料，稱之為鋼結構防火涂料。

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，推動了建筑業(yè)的發(fā)展，鋼結構由于其高強、高韌性、抗震、可塑性強等優(yōu)點，在機場、體育館、大型商場、高鐵車站等高層及大跨度建筑上得到了廣泛的應用。鋼材雖然屬于不燃燒材料，但它極易導熱，一般來說，可以認為鋼材的機械強度隨溫度的升高而迅速降低，當建筑鋼材的溫度達到540℃時，鋼材的支撐強度下降40%，失去支撐能力，而當普通火災發(fā)生時，僅需10 min，火場的溫度即可高達700℃，此時裸露的鋼構件不可避免的發(fā)生變形，導致建筑物坍塌。因此，對鋼結構作防火保護極為重要，其保護措施有很多，在實際工程中應用最廣泛且最經(jīng)濟有效的方法是涂裝鋼結構防火涂料。它具有普通涂料的裝飾性，更重要的是當火災發(fā)生時，在高溫下具有一定的隔熱效果，延緩鋼結構升溫速度，為人員疏散和消防救火贏得寶貴的時間。

2.2 鋼結構防火涂料的分類

嚴格意義上來說，所有的鋼結構防火涂料都可分為膨脹型和非膨脹性鋼結構防火涂料，而膨脹型鋼結構防火涂料又分為有機型和無機型，其中有機型應用更廣泛。

2.2.1 有機膨脹型鋼結構防火涂料的防火機理

有機膨脹型鋼結構防火涂料中通常含有“三大料”：酸源、碳源、氣源。三者缺一不可，它們在膨脹發(fā)泡和阻火隔熱過程中起著協(xié)同效應。當有機膨脹型鋼結構防火涂料受熱時，酸源會催化碳源脫水成炭化物，同時氣源在受熱時會釋放出惰性氣體，這些惰性氣體會使得炭化物形成蓬松多孔、有封閉結構的炭層，該炭層可以阻止熱源將熱量傳導至基材，另外多孔炭層可以阻止氣體擴散，同時阻止外部氧氣擴散至基材表面，這樣就延緩了鋼材的升溫。這種防火涂料的主要特點是裝飾性好，粘結強度高。

2.2.2 無機膨脹型防火涂料的防火機理

無機膨脹型防火涂料是以水玻璃為基料和發(fā)泡基體，添加其它材料所組成的防火涂料。涂層受熱時，堿金屬硅酸鹽所含的結晶水及水玻璃中氧鏈上羥基的脫水作用而使得涂層共融變軟，并且粘度較大，這時由于分解產(chǎn)生的氣體不能自由的排出，使得涂層產(chǎn)生了氣泡，形成了具有隔熱功能的多孔質(zhì)體——硅酸鹽泡沫狀隔熱層。這種防火涂料的主要特點是無毒，以及較低的原材料成本。

2.2.3 非膨脹型鋼結構防火涂料的防火機理

非膨脹型鋼結構防火涂料遇熱時涂層基本上不發(fā)生體積變化，形成釉狀熔融保護層。它能起隔絕氧氣的作用，使氧氣不能與鋼材接觸，繼續(xù)加熱，粘稠涂層會脫水并與其它填料的高溫凝聚相產(chǎn)物一起形成隔氧的釉狀涂層。釉狀涂層中常常含有吸熱載體，熱容較高、升溫速度較慢，但因涂層結構致密，有利于接觸傳熱。這種防火涂料的主要特點是耐火性能優(yōu)異，但裝飾性差、粘結強度低，易空鼓、開裂、脫落，造成安全隱患。

3 雨棚鋼結構立柱漆膜病害的原因分析

目前國內(nèi)大部分高鐵車站常規(guī)設計的防火涂料為水泥基厚漿型防火涂料，屬于非膨脹型鋼結構防火涂料，雖然防火效果滿足要求，但其還具有粘結強度低、耐水性差、吸水性大等缺陷，同時，外部環(huán)境的因素同樣對防火涂層失效有著巨大的影響，經(jīng)過調(diào)研，以下兩種因素是雨棚鋼結構立柱涂層產(chǎn)生病害的主要原因。

3.1 設計的配套性不合理

車站鋼結構在設計防腐防火保護的階段，應用經(jīng)驗不足及對涂層保護的產(chǎn)品的不了解，設計方案存在一定的缺陷性。大跨度的鋼結構雨棚及立柱存在熱脹冷縮、形變系數(shù)較大的問題，防腐涂料選擇需要具有優(yōu)異的機械性能適應變形及熱脹冷縮。另外，在配套防火涂料的設計忽略了高速通過列車震動性，大多數(shù)設計中選擇了滿足2.5 h耐火極限厚漿型鋼結構涂料，其附著力差，涂層達到18 mm-25 mm 的涂成熱脹冷縮系數(shù)與鋼結構本身及裝飾性的膩子材料完全不一樣，導致空鼓開裂現(xiàn)象較多。設計的涂層產(chǎn)品體系防腐涂層與防火中涂配套性差，整體涂層相容性數(shù)據(jù)要求缺失。

3.2 施工趕進度漆膜質(zhì)量差

“三分涂料，七分施工?！狈栏苛袭a(chǎn)品在建設時期，從鋼結構工廠到建設工地，安裝時間長，產(chǎn)品施工工藝的沒有能在規(guī)定的時間內(nèi)及時進行涂裝，還存在趕工期，涂層的涂裝養(yǎng)護時間不夠，尤其厚漿型防火涂料養(yǎng)護周期至少28 天以上，但在施工過程中往往被忽略，過早涂裝面漆，將水分密封在涂層內(nèi)，給涂層的失效埋下隱患。

高鐵建設工程中都是露天施工，存在雨雪天氣，往往為了趕工期進度，沒有規(guī)避開這些不設施涂裝的環(huán)境，對當時已經(jīng)失效涂層沒有及時鏟掉重新涂裝，導致線路開通沒有幾年便開始銹蝕脫落，在存在焊接部位的連接處這些問題更加突出。

3.3 雨水的侵蝕

腐蝕產(chǎn)生最主要的原因是濕度，金屬屋面的防水不到位或者失效給支撐鋼結構造成腐蝕產(chǎn)生及加劇，排水管往往在下雨時候?qū)⒂晁刂繉記_刷下來。

非膨脹型鋼結構防火涂料的涂裝過程中，經(jīng)常需要使用膩子來找平涂層缺陷，然而防火涂料的熱脹冷縮系數(shù)與找平的環(huán)氧膩子、面漆完全不同，一旦立柱表層面漆涂層破損，防火涂層雖具備著一定的耐水性，但長期受雨水侵蝕，會造成防火涂層開裂進水，使得防腐涂料長期處于堿性水的浸泡，加劇了鋼結構的腐蝕速率，最終腐蝕到鋼結構本身，形成鐵銹，鐵銹的粘結強度很低，防火涂料比重大，因此產(chǎn)生了脫落及坑蝕現(xiàn)象。

據(jù)根據(jù)收集南北分界的高鐵車站分析對照，南方及沿海城市的腐蝕速率更快，結構腐蝕更厲害。

3.4 行車震動導致防火涂料荷載大，附著力差

高鐵行車會產(chǎn)生震動，立柱部位的振幅遠大于上部管桁架，而非膨脹型鋼結構防火涂料的粘結強度較低，抗震動性較差，日積月累的行車震動導致了非膨脹型鋼結構防火涂層的脫落，致使鋼結構表面外露，進一步造成了鋼結構腐蝕。

GB 14907-2018《鋼結構防火涂料》非膨脹型鋼結構防火涂料的附著力標準≥0.15 MPa，高鐵時速350 km/h通過高鐵車站時及常規(guī)的車輛運行的高頻振動，根據(jù)我們試驗≥2.0 MPa能滿足高鐵行駛抗震動性的要求。

上海虹橋站站臺鋼結構雨棚立柱采用的就是非膨脹型鋼結構防火涂料，同京滬高線路同期開通的無錫東站等采用膨脹型鋼結構防火涂料的站臺鋼結構雨棚相比，上海虹橋站雨棚鋼結構立柱的涂層病害要嚴重的多。對比來看，涂裝防火涂料的立柱與網(wǎng)架結構對比的話，網(wǎng)架較少見漆膜空鼓脫落及開裂，網(wǎng)架主要問題為銹蝕，立柱主要問題為開裂、空鼓、脫落及更嚴重的銹蝕，甚至產(chǎn)生了結構性破壞坑蝕現(xiàn)象。

4 病害的預防及整治

通過上文的分析，高鐵車站鋼結構立柱漆膜脫落及鋼結構的銹蝕的主要原因在于鋼結構防火涂料?？梢酝ㄟ^以下幾個方面來預防和整治。

4.1 優(yōu)化防火涂裝體系的設計

高鐵車站雨棚防火涂料不可采用非膨脹型鋼結構防火涂料，此類設計應在后續(xù)新建高鐵車站中杜絕。建議使用膨脹型鋼結構防火涂料代替，膨脹型鋼結構防火涂料具有更高的粘結強度、裝飾性和耐水性，更高的粘結強度使得涂層有更好的高鐵抗震動性，同時膨脹型鋼結構防火涂料更加致密，使得涂層具有較好的耐水性，進一步防止涂層脫落和基材腐蝕。

4.2 加強日常的檢查與維修

作為車站雨棚設備的管理部門的房建單位，在日常車站的巡檢中發(fā)現(xiàn)漆膜脫落的情況下，應該及時的進行面漆修補，及時的阻止雨水的侵蝕破壞防火涂層的耐水性。

此外應將鋼結構雨棚防腐涂層的修補納入房建單位的日常檢修的項目里來，日常定期鋼結構面漆的修補會避免鋼結構涂層的進一步的銹蝕病害。

4.3 徹底整修，防腐防火一體化實施

以鋼結構為主的車站及線路橋梁的高鐵工程中，早期沒有足夠引起對防火涂料質(zhì)量的重視和關注，大多采用厚漿型砂漿類防火涂料，粘結力差，容易造成開裂、空鼓及脫落的現(xiàn)象，以及鋼結構荷載增大，對我們高鐵安全運行造成了很大的不良影響。常規(guī)維修，都是局部哪里破損涂裝面漆，這樣是掩耳盜鈴，反而加劇了鋼結構的進一步腐蝕，會給結構安全帶來巨大的隱患。

由于既有高鐵車站運行中，都是天窗點施工維修，鋼結構正常養(yǎng)護不做，該檢不檢，檢了不修，修了都是摸雪花膏式樣涂裝面漆掛白措施，遠看“桃花流水”，近看“齜牙咧嘴”，這樣維保措施反而加劇了銹蝕，像給爛了屁股下面包上不透風的尿不濕。濕度遠遠超過70%，銹蝕發(fā)生變得更加迅速。

鋼結構發(fā)生點腐蝕或者小面積腐蝕，要徹底清理底材，重新涂裝配套產(chǎn)品體系才能有效防止腐蝕的加劇。要在產(chǎn)品的選擇上，從防腐防火一體化的產(chǎn)品去解決，一是要保證旅客生命的安全性的高性能防火涂料，二是要考慮高耐候性使用年限的長久性的防腐配套底中面漆，相容性優(yōu)異。

4.4 建立雨棚鋼結構的定期維修技術標準

鐵路總公司的領導已經(jīng)意識到了雨棚鋼結構病害的影響，多次召開專業(yè)會議及試點項目探索，鑒于目前我們還沒有一套行之有效的維修技術標準，行業(yè)的同仁也在積極著手標準的起草及制定。

建立完善高鐵雨棚鋼結構涂層防腐防火一體化養(yǎng)護維修的技術標準和工藝標準，重點大大提高涂層的耐久性，防火安全的有效性以及施工過程的快捷性，進一步提高天窗點的有效利用率。

當然，高鐵車站雨棚腐蝕成本是巨大的，但是腐蝕防火防護有效措施到位，25%-40% 病害損失可以避免，減少腐蝕損失，上海鐵路局上海房建段倡導“理念重視，專項資金，集中整治，施工專業(yè)。主動防腐、安全防火，綠色防腐，長效使用！”