鐵路車站雨棚鋼立柱防火涂料劣化機理研究

伊鐘毓，杜 瑋，左強新，王 濤 ，封 雷，孫 岳

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2. 中國鐵路北京局集團有限公司石家莊站，河北石家莊 050004）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是鋼結(jié)構(gòu)外表涂刷的重要防火材料，其種類較多。根據(jù)防火涂料的厚度可分為厚型防火涂料、薄型防火涂料、超薄型防火涂料。目前，鐵路車站雨棚鋼立柱普遍采用的是厚型無機防火涂料。鐵路車站雨棚鋼立柱防火涂料應(yīng)按照CECS 24-90《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和原中國國家鐵路總公司客站總指函[2010]61號《關(guān)于加強站房、雨棚外露鋼結(jié)構(gòu)細部制作及涂裝質(zhì)量控制的通知》要求的施工工藝和施工條件組織施工。而隨著鐵路車站雨棚鋼立柱服役年限的延長，大部分車站雨棚鋼立柱開始出現(xiàn)了涂層脫落和銹蝕現(xiàn)象，進入維修期。防火涂料脫落、掉塊問題不但影響旅客出行體驗，還會造成重大的安全隱患，故分析防火涂料的劣化脫落原因是十分必要的。

本文在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)場取回脫落的防火涂料掉塊進行面漆附著力測試、燃燒測試以及微觀分析，對其整體性能進行評價，研究其劣化機理，分析防火涂料劣化的原因，為鋼立柱防火涂料劣化研究提供參考及理論依據(jù)。

2 鐵路車站雨棚鋼立柱防火涂料病害情況

隨著雨棚鋼立柱使用年限的延長，鋼結(jié)構(gòu)整體涂層存在不同程度的外表銹蝕、局部涂層脫落和面漆粉化情況。如圖1所示，部分雨棚鋼立柱防火涂層附著力減弱，造成開裂、空鼓及脫落現(xiàn)象，或呈現(xiàn)塊狀脫落。病害的發(fā)生不但影響美觀，而且產(chǎn)生了極大的安全隱患。涂層脫落處有些位置的鋼結(jié)構(gòu)基材已經(jīng)完全暴露在環(huán)境中，并且已經(jīng)產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，隨著服役年限的繼續(xù)增加，銹蝕還會產(chǎn)生進一步的拓展，影響整體鋼結(jié)構(gòu)的強度。

圖1 雨棚鋼立柱防火涂料脫落情況

雨棚鋼立柱防火涂料病害發(fā)生位置分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。如圖2所示，靠近鐵軌一側(cè)或通過線防火涂料脫落情況較為嚴重，而外側(cè)或停車線的防火涂料脫落情況則相對較輕，這是由于列車通過時引起振動及風(fēng)荷載不同，導(dǎo)致脫落情況不同。線間露天雨棚柱常年受風(fēng)吹、日曬、雨淋，日積月累造成面漆與防火涂層、防火涂層與底漆間粘結(jié)強度下降、涂層開裂，雨水經(jīng)裂縫滲入內(nèi)部，隨氣溫?zé)崦浝淇s，導(dǎo)致涂層脫落。相比之下，受雨棚遮擋保護的雨棚柱，受外部影響較小，很少發(fā)生涂層脫落現(xiàn)象。

圖2 通過線雨棚鋼立柱防火涂料脫落情況

站房雨棚立柱在出廠時，為防止銹蝕，常常會在表面涂刷一層防銹漆，導(dǎo)致防火涂料的施工界面較為復(fù)雜，界面狀態(tài)如圖3所示，故鐵路鋼結(jié)構(gòu)涂裝施工環(huán)境相對非鐵路鋼結(jié)構(gòu)工程受影響干擾多。若此層底漆處理不徹底，或基材銹蝕嚴重，會導(dǎo)致防火涂料與基材的附著力不足，從而脫落。

3 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料劣化機理分析

為進行鋼結(jié)構(gòu)防劣化機理分析，從現(xiàn)場提取兩種樣塊，一種為防火涂料脫落的掉塊，另一種為鋼立柱出廠時在表面上涂刷防銹漆的碎片。

分別對鋼立柱防銹漆進行成分分析，對現(xiàn)場取回脫落樣塊進行面漆附著力、燃燒性能測試及微觀分析。其中現(xiàn)場掉塊的厚度在3～8 mm之間，厚度不均勻，具體厚度分布如圖4所示。

圖4 脫落掉塊厚度

3.1 鋼立柱表面防火涂料成分分析XRF

對如圖5所示碎片中的鋼立柱防銹漆進行X射線熒光光譜分析（XRF）以及紅外光譜分析，得出其元素含量如表1所示，根據(jù)其元素成分比例，判斷防銹漆的類型。

表1 鋼立柱防火涂料XRF分析 %

圖5 鋼立柱出廠時所附著的防銹漆碎片

由XRF分析可知，樣品中有較高含量的Zn。從紅外光譜如圖6所示的結(jié)果可知，3 000 cm-1處附近出現(xiàn)O-H伸縮振動，1 600 cm-1處附近為C-H伸縮振動，1 500 cm-1附近為苯環(huán)伸縮振動，829 cm-1處為C-O-C的伸縮振動峰。由以上分析結(jié)果推導(dǎo)可得，該防銹漆為環(huán)氧富鋅漆。

圖6 鋼立柱表面防火涂料紅外光譜

3.2 面漆附著力實驗

現(xiàn)場取樣的防火涂料掉塊為厚型防火涂料，厚度約為7 mm，料塊外觀如圖7所示，對其進行面漆附著力實驗。

圖7 現(xiàn)場取樣的脫落的防火涂料塊

在脫落涂料塊表面取3個點，按照GB/T 14907-2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》中規(guī)定的方法進行附著力測試。結(jié)果顯示，3個點的附著力均大于2.30 MPa，全部為內(nèi)聚破壞，結(jié)果證明面漆的附著力符合標準。由此可得，防火涂料脫落的發(fā)生是由于防火涂層與底層或基材附著力不足導(dǎo)致的。實驗結(jié)果表明，為測試防火涂料附著力的大小，應(yīng)對涂層進行現(xiàn)場拉拔試驗，并深入到基材表面進行測試，這樣即可測試涂層體系與基材附著力的大小。

3.3 燃燒實驗

對現(xiàn)場取回的脫落防火涂料掉塊進行燃燒實驗，使用酒精噴燈燃燒防火涂料表面，約30 s后防火涂料即被燒穿。經(jīng)燃燒實驗后的掉塊表面形態(tài)如圖8所示。實驗結(jié)果表明，在自然環(huán)境中長時間服役，部分防火涂料已經(jīng)失去防火效果。

圖8 脫落的防火涂料燃燒性能分析

3.4 微觀分析

為從微觀角度分析防火涂料的劣化機理，對掉塊樣品進行了X射線衍射分析（XRD）、熱重分析（TG）及掃描電子顯微鏡能譜儀（SEM-EDS）能譜分析。

3.4.1 XRD 分析

對防火涂層進行X射線衍射分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 防火涂層XRD分析

通過XRD分析得知，其中間層出現(xiàn)了二氧化硅 、二氧化鈦 、碳酸鈣 、云母的晶體結(jié)構(gòu)，說明防火涂料配方中含有二氧化硅、二氧化鈦、碳酸鈣（氧化鈣）、云母等助劑。

3.4.2 TG 分析

對防火涂料掉塊進行熱重分析，結(jié)果如圖10所示。在238 ℃左右涂料中的樹脂類組分開始快速分解，在704 ℃附近，碳酸鈣等組分發(fā)生分解。分析結(jié)果表明，該防火涂料組分以無機物為主。

圖10 防火涂料掉塊的熱重分析圖

3.4.3 SEM-EDS 分析

對樣塊防火涂層進行SEM分析，從SEM圖中可以看出涂層中含有纖維狀物質(zhì)、片狀物質(zhì)、顆粒物質(zhì)。SEM圖像如圖11所示。

圖11 防火涂層的SEM圖像

對樣塊防火涂層進行EDS分析，所含元素比例如表2所示，片狀物質(zhì)含有硅、鋁、氧、鉀元素等，與云母粉元素含量一致，故可推導(dǎo)出片狀物質(zhì)為云母粉。纖維狀物質(zhì)主要含有硅、鋁、氧元素等，故可推導(dǎo)出纖維物質(zhì)為硅酸鋁纖維。底層出現(xiàn)的鐵銹成分，證明鋼結(jié)構(gòu)在涂刷防火涂料時或者經(jīng)長時間服役，基材已生銹，這可能是涂料附著力低下的原因之一。

表2 防火涂層的EDS能譜分析 %

對涂層底面進行高倍的SEM分析，結(jié)果如圖12所示。

圖12 防火涂層底部的高倍SEM圖像

其表面有很多孔洞類結(jié)構(gòu)，致密性不高，這也可能導(dǎo)致涂層的附著力不強，出現(xiàn)脫落。

4 總結(jié)

綜上所述，導(dǎo)致站房雨棚鋼立柱防火涂料劣化原因有以下幾個方面。

（1）試驗的防火涂料面漆附著力符合標準，故推測脫落是由于涂裝體系本身與基材的附著力不高，導(dǎo)致其在較長服役時間后產(chǎn)生脫落。

（2）列車高速通過站房時會產(chǎn)生高頻的振動，加之雨水、日曬等自然環(huán)境的侵蝕，以及滲入水分隨氣溫?zé)崦浝淇s等這些因素，加速了涂料劣化脫落的過程。

（3）基材表面存在鋼立柱出廠時的防銹漆，且部分表面已經(jīng)產(chǎn)生銹跡。這就在涂裝體系本身與基材附著力不足這一基礎(chǔ)上，進一步降低其涂裝體系與基材的附著力，導(dǎo)致防火涂料劣化脫落。

根據(jù)以上結(jié)果，建議后續(xù)施工及檢查時，將附著力拉拔試驗做到基材表面，以測試防火涂料與基材的附著力是否合格。并對已進行耐環(huán)境實驗后的防火涂料進行燃燒實驗，測試其模擬自然服役環(huán)境后，涂料的耐火性能是否達標。