國內(nèi)現(xiàn)役高鐵站站臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)雨棚防護(hù)涂層失效情況分析

夏子雅，張文學(xué)

（中鐵建工集團(tuán)有限公司建筑工程研究院，北京 100160）

自2002年開始建設(shè)高速鐵路以來，中國高鐵飛速發(fā)展，當(dāng)前我國高速鐵路營業(yè)里程和在建里程規(guī)模均居世界第一，“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)已具雛形[1-2]。作為高速鐵路系統(tǒng)的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，高鐵站對發(fā)揮高鐵系統(tǒng)的運(yùn)營效率及整合城市交通具有重要意義。隨著結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國高鐵站設(shè)計(jì)及施工的水平達(dá)到新高度，高鐵站已成為許多城市的新地標(biāo)。

由于強(qiáng)度高、塑性及抗震性能好、新穎美觀、施工周期短等特點(diǎn)，高鐵站站房及站臺(tái)雨棚廣泛采用鋼結(jié)構(gòu)體系。然而在大氣環(huán)境下，鋼材很容易發(fā)生腐蝕。調(diào)查顯示，我國每年由于腐蝕造成的損失占國民經(jīng)濟(jì)的5% ~ 6%[3]。合理應(yīng)用腐蝕防護(hù)技術(shù)，對減少因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。建筑鋼結(jié)構(gòu)通常采用的防腐蝕技術(shù)是涂覆防腐蝕涂層。與室內(nèi)或隱蔽鋼結(jié)構(gòu)相比，站臺(tái)雨棚鋼結(jié)構(gòu)處于露天或半露天環(huán)境，服役環(huán)境惡劣，涂層失效以及鋼結(jié)構(gòu)銹蝕問題突出[4]。上述鋼結(jié)構(gòu)病害對我國高速鐵路整體形象的傳播非常不利，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響行車或旅客安全，鋼結(jié)構(gòu)的安全鑒定及維修維護(hù)已逐步被各鐵路局提上日程[5-10]。據(jù)報(bào)道[7]，徐州東站無柱雨棚箱梁、立柱，上海虹橋站雨棚鋼結(jié)構(gòu)，溫州南站雨棚鋼結(jié)構(gòu)均因涂層開裂剝落、鋼結(jié)構(gòu)嚴(yán)重銹蝕而進(jìn)行過維護(hù)整治。

鐵路總公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前國內(nèi)運(yùn)營的高鐵車站已有1 100多座。由于早期高鐵站大多采用鋼結(jié)構(gòu)體系，站臺(tái)雨棚鋼結(jié)構(gòu)的涂層維護(hù)將成為我國鐵路發(fā)展過程中需要解決的重要課題。本文系統(tǒng)地總結(jié)了我國高鐵站鋼結(jié)構(gòu)雨棚使役過程中防護(hù)涂層的失效及鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕情況，分析了病害出現(xiàn)的原因以及關(guān)于高鐵站鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)及維護(hù)需要深入研究的問題，并對未來需進(jìn)一步研究的方向提出了建議。

1 國內(nèi)高鐵站雨棚鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層配套及其使役情況

1.1 高鐵站鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層的配套設(shè)計(jì)

建筑鋼結(jié)構(gòu)通常采用的防腐涂層配套體系包括富鋅底漆、環(huán)氧云鐵中間漆(MIO)和面漆，如圖1a所示。其中，面漆除需具備一定的耐候性外，還要有較好的裝飾性和機(jī)械性能；環(huán)氧云鐵中間漆因片狀云母氧化鐵平行重疊排列，能夠有效減緩?fù)饨绺g介質(zhì)向基材的滲入，具有優(yōu)良的屏蔽性和耐候性。富鋅底漆的陰極保護(hù)作用是該防腐涂層體系的第三道屏障，當(dāng)腐蝕介質(zhì)滲透到底漆時(shí)，鋅粉與鋼基材之間形成原電池，由于鋅的電極電位更低，鋅粉作為陽極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)(Zn → Zn2++ 2e?)，氧氣在鋼基材上發(fā)生還原反應(yīng)(O2+2H2O + 4e?→ 4OH?)，鋼基材得到保護(hù)。

另一方面，鋼結(jié)構(gòu)不耐火，超過一定溫度后承載力會(huì)急劇下降。為推遲火災(zāi)發(fā)生時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的垮塌，給人員逃生和火災(zāi)的撲救贏得時(shí)間，通常要涂裝防火涂料[11]。各類鋼結(jié)構(gòu)建筑(如民用建筑、廠房、倉庫等)的耐火等級要求根據(jù)其使用功能、重要性、火災(zāi)撲救難度等來確定。防腐涂層與防火涂層配套使用(如圖1b所示)是當(dāng)前建筑鋼結(jié)構(gòu)的重要防護(hù)手段，兩者之間的兼容性研究也是鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層研究的重要課題之一[12-14]。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層配套體系(a)和防腐防火涂層配套體系(b)的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagrams showing the structures of anticorrosive coating system (a) as well as anticorrosive and fire-resistant coating system (b) for steel structures

高鐵站鋼結(jié)構(gòu)的涂裝工藝通常是在工廠進(jìn)行噴砂、拋丸除銹(除銹等級要求達(dá)到 Sa2.5級)后，涂裝底漆或中間漆，待現(xiàn)場安裝完畢后，對焊接部位、損傷部位及漏涂部位進(jìn)行手工或動(dòng)力工具除銹(除銹等級要求達(dá)到St3級)，補(bǔ)涂防腐底漆、中間漆，最后統(tǒng)一涂裝防火涂料和面漆。根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》：站臺(tái)立柱雨棚采用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用無防火保護(hù)的金屬構(gòu)件；無站臺(tái)柱雨棚采用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，距軌面12 m以上可采用無防火保護(hù)的金屬構(gòu)件。故站臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)雨棚常規(guī)防護(hù)涂層體系有如下兩種：

(1) 無防火要求的涂裝：富鋅底漆2遍 + 環(huán)氧云鐵中間漆1遍 + 面漆2遍。

(2) 有防火要求的涂裝：富鋅底漆2遍 + 環(huán)氧云鐵中間漆1遍 + 防火涂料 + 面漆2遍。

1.2 現(xiàn)役高鐵站站臺(tái)雨棚鋼結(jié)構(gòu)的病害情況

當(dāng)前，國內(nèi)高鐵站鋼結(jié)構(gòu)雨棚有兩種形式，即站臺(tái)立柱雨棚和無站臺(tái)柱雨棚(又稱線間立柱雨棚)。站臺(tái)立柱雨棚結(jié)構(gòu)簡單，鋼柱直接立于站臺(tái)上，由于頂部有屋面遮擋，鋼柱、鋼梁等均處于半露天環(huán)境中。無站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚跨度大，支撐雨棚的柱子設(shè)立在站臺(tái)外、股道間，鋼柱及其頂部的鋼梁、桁架、檁條等均處于露天環(huán)境中，對涂層體系的耐久性要求更高。

1.2.1 站臺(tái)立柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚防護(hù)涂層的使役情況

站臺(tái)立柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚涂層失效的一個(gè)表現(xiàn)為漆膜生銹，即漆膜表面出現(xiàn)銹點(diǎn)。該病害主要發(fā)生在焊接以及鋼梁的棱邊等處(見圖2a1、2a2)，這些部位均易出現(xiàn)涂層缺陷。其他部位若涂層較薄或存在缺陷，也會(huì)出現(xiàn)銹點(diǎn)，如圖2a3所示的鋼柱表面。這是因?yàn)橥繉颖砻婊騼?nèi)部存在缺陷或涂層厚度較小時(shí)，其抗?jié)B透性較弱，不能為鋼結(jié)構(gòu)提供很好的屏障作用，水、氧氣和腐蝕性離子會(huì)慢慢擴(kuò)散到涂層與鋼鐵基體界面，形成微觀腐蝕原電池，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生點(diǎn)蝕。

面涂層附著力差也是此類雨棚存在的問題，如圖2b1所示。面漆為現(xiàn)場涂裝，受涂裝環(huán)境、涂裝前待涂表面處理等級以及涂裝工藝等因素的影響，涂層附著力差導(dǎo)致脫落的現(xiàn)象比較普遍。另外，涂層選擇不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致涂層脫落，如圖2b2所示的不銹鋼天溝表面面涂層脫落便是一例。

圖2 現(xiàn)役站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚的涂層情況：(a1)?(a3)漆膜生銹；(b1)、(b2)涂層剝落Figure 2 Failure of protective coatings on steel structures of platform canopies in service:(a1–a3) rusting on coating surface; and (b1, b2) exfoliation of coating

屋面漏雨引起的涂層失效、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕病害如圖3所示?？梢钥闯?，病害部位有明顯的水痕，雨水流過后，屋面與鋼梁縫隙中的雨水處于滯留狀態(tài)，鋼梁表面涂層在雨水的長期作用下起泡、開裂，導(dǎo)致鋼基材發(fā)生腐蝕。

圖3 金屬屋面漏雨引起的涂層失效、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的情況Figure 3 Failure of coating and corrosion of steel structure caused by leakage of rain from metallic roof

1.2.2 無站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚防護(hù)涂層的使役情況

由于鋼柱及其頂部鋼結(jié)構(gòu)處于露天環(huán)境中，無站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚的涂層失效、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕問題明顯比站臺(tái)立柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚嚴(yán)重。而且，受高速鐵路運(yùn)營時(shí)間的影響，股道上方鋼結(jié)構(gòu)維修施工只能在天窗點(diǎn)(一般為凌晨 0?4點(diǎn))進(jìn)行，維修工作實(shí)施難度大。考慮到無柱雨棚的維護(hù)成本問題，近幾年規(guī)模較小的高鐵站的建設(shè)已重新采用傳統(tǒng)的站臺(tái)立柱雨棚樣式。需要說明的是，對于無站臺(tái)柱雨棚，屋面遮擋部位鋼梁、桁架、檁條等同樣存在與站臺(tái)立柱雨棚鋼結(jié)構(gòu)一樣的漆膜生銹和面漆剝落問題，本部分只對此類雨棚的露天鋼結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行介紹。

如前所述，無站臺(tái)柱雨棚立柱部位有防火要求，露天環(huán)境對防火涂層的耐久性要求很高，立柱防火涂層大片剝落是此類雨棚鋼結(jié)構(gòu)最主要的問題(見圖 4)。防火涂層大面積剝落導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)耐火性能得不到保障，而且直接暴露在大氣中的底漆或中間漆因耐候性較差，可能導(dǎo)致涂層剝落部位鋼柱大面積生銹，見圖4b?4d。另外，列車頻繁經(jīng)過的情況下，涂層可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)疲勞，再加上“列車風(fēng)”的作用，防火涂層在列車經(jīng)過及?？繒r(shí)可能會(huì)繼續(xù)脫落，影響旅客乘降及行車安全。

圖4 現(xiàn)役無站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚鋼柱的涂層失效情況Figure 4 Failure of steel columns of the in-service canopies without platform columns

頂部露天鋼結(jié)構(gòu)涂層剝落、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的情況如圖5所示。對于露天桁架梁，涂層失效后，由于壁厚不大，腹桿易因銹穿而發(fā)生斷裂，存在一定的安全隱患。

圖5 現(xiàn)役無站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚的鋼柱頂部鋼結(jié)構(gòu)涂層剝落、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的情況Figure 5 Exfoliation of coating and rusting of steel structures on top of the in-service canopies without platform columns

從圖6可以看出，節(jié)點(diǎn)位置鋼結(jié)構(gòu)銹蝕較嚴(yán)重。節(jié)點(diǎn)連接主要有焊接和栓接兩種方式。焊縫部位的底漆和中間漆需要現(xiàn)場涂裝，受施工條件限制，附著牢固的銹層很難被清除干凈，直接涂裝常規(guī)富鋅漆會(huì)嚴(yán)重影響漆膜附著力和鋅粉的電化學(xué)保護(hù)效果，在風(fēng)吹日曬雨淋的作用下，焊縫部位涂層往往較早失效，腐蝕問題相對嚴(yán)重。對于栓接節(jié)點(diǎn)，若涂層存在缺陷或損傷，很容易發(fā)生縫隙腐蝕[15]。

圖6 現(xiàn)役無站臺(tái)柱雨棚鋼結(jié)構(gòu)露天節(jié)點(diǎn)的涂層情況：(a)柱頂節(jié)點(diǎn)；(b)伸縮縫連接節(jié)點(diǎn)；(c)樹狀柱節(jié)點(diǎn)Figure 6 Coatings on different steel structure joints of in-service canopies without platform columns under open air condition:(a) joint at the top of steel column; (b) expansion joints; and (c) top joint of tree-shaped steel column

1.2.3 防腐涂層失效及鋼結(jié)構(gòu)銹蝕演化的過程

通過以上對病害情況的分析可以看出，站臺(tái)雨棚防護(hù)涂層主要存在如下問題：涂裝缺陷較多，局部防腐涂層抗?jié)B透性差；防火涂料或面涂層附著力不夠；補(bǔ)涂部位底漆附著力不夠。上述問題均會(huì)導(dǎo)致防腐涂層體系耐蝕性變差，在服役過程中過早地出現(xiàn)失效。由于涂層存在微觀缺陷，涂裝前基體表面存在牢固銹層，以及防火或面涂層脫落而導(dǎo)致的防腐涂層失效及鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的演化過程如圖7所示。

圖7 防腐涂層失效、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕演化示意圖Figure 7 Schematic diagram presenting the evolution of the failure of coating and the rusting of steel structure

2 建議

綜上所述，高鐵站臺(tái)雨棚露天鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層的病害主要包括：立柱防火涂料大片脫落、脫落部位鋼結(jié)構(gòu)生銹；頂部鋼梁、桁架防腐涂層開裂、剝落，鋼結(jié)構(gòu)生銹，節(jié)點(diǎn)連接處銹蝕嚴(yán)重；屋面遮擋部位鋼結(jié)構(gòu)涂層病害較輕，主要是漆膜生銹、面漆剝落等情況。上述病害的出現(xiàn)不僅與現(xiàn)場涂裝不規(guī)范有關(guān)，還可能與防護(hù)涂層耐候性低于使役環(huán)境要求相關(guān)。針對當(dāng)前高鐵站鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)及維護(hù)問題，具體建議如下：

(1) 對于需要現(xiàn)場除銹的補(bǔ)涂工藝，手工或動(dòng)力工具除銹很難達(dá)到 St3級，除嚴(yán)格控制及加強(qiáng)檢查外，研發(fā)可帶銹涂裝的功能涂料可有效預(yù)防補(bǔ)涂部位涂層過早失效。

(2) 防火涂料附著力差、立柱防火涂料大片脫落可能是現(xiàn)場涂裝不規(guī)范或養(yǎng)護(hù)時(shí)間不夠?qū)е碌?，也可能是防腐涂層與防火涂料配套不合理，從而影響到底漆或中間漆與防火涂層的粘結(jié)性，還可能是因?yàn)檫x用的防火涂層在特定環(huán)境(露天、振動(dòng)和“列車風(fēng)”作用)下的耐久性達(dá)不到要求。按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《色漆和清漆 涂料配套性和再涂性的測定》進(jìn)行防腐、防火涂層的配套性試驗(yàn)及規(guī)范施工，可以避免因配套不合理和施工不規(guī)范導(dǎo)致的涂層脫落。對于因性能達(dá)不到使役要求而導(dǎo)致的涂層脫落，可考慮采取加網(wǎng)施工措施，增強(qiáng)防火涂層的附著力。另外，研發(fā)適用于特定環(huán)境的高耐久性防火涂層或防腐防火一體化涂層[16-17]也是解決途徑。

(3) 對于高鐵站雨棚立柱、管桁架等鋼結(jié)構(gòu)(尤其是線間立柱和股道上方鋼結(jié)構(gòu))的涂裝整治，受施工條件和高鐵運(yùn)營時(shí)間限制，除銹不徹底是涂裝整治過程中最突出的問題。因此，研發(fā)可帶銹涂裝涂料或研制高效除銹專用設(shè)備或工具是相關(guān)工作人員的主要任務(wù)。

3 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)問題已成為我國高鐵站站臺(tái)雨棚創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一個(gè)制約因素。本文對國內(nèi)現(xiàn)役高鐵站臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)雨棚腐蝕情況進(jìn)行了考察，歸納了不同結(jié)構(gòu)形式站臺(tái)雨棚鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層的病害情況，分析了病害出現(xiàn)的原因，并探討了高鐵站鋼結(jié)構(gòu)雨棚防護(hù)及維護(hù)需要深入研究的幾個(gè)問題。希望相關(guān)工作者、研發(fā)人員能夠針對上述問題開發(fā)相應(yīng)技術(shù)，共同助力中國高鐵站的建設(shè)。