某工程鋼結(jié)構(gòu)框架防腐、防火涂料脫落原因分析

周梅君

（福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350025）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、強度高、綠色環(huán)保、便于制作、施工便捷、標準化、抗震性能好等諸多優(yōu)點，在現(xiàn)階段砂、石等自然資源日益緊張的情況下，鋼結(jié)構(gòu)在各種工程中得到廣泛應(yīng)用。但依然存在鋼材自身耐火極限低、防腐性能差、低溫時脆性變大、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定性不足等缺點[1-2]。工程中通常通過加強鋼結(jié)構(gòu)的防腐、防火性能，來提高鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能與耐火極限，例如通過加入適量的銅、鎳等合金元素來改善鋼材自身的防腐性能；或是通過在鋼材表面施涂防腐、防火涂料防護層，使鋼材表面形成一道保護膜，以此來加強鋼結(jié)構(gòu)的防腐、防火效果[3]。本文通過對某主體為鋼結(jié)構(gòu)框架的建筑在建項目施工過程中出現(xiàn)部分鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料、防火涂料出現(xiàn)大面積脫落的現(xiàn)象進行試驗分析，可為鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕、防火涂料在鋼構(gòu)件表面的施工和維護提供工程經(jīng)驗和后續(xù)處理思路。

1 工程概況

某工程于2020年8月份開工，總建筑面積約80 000 m2，其中，地上面積約60 000 m2，地下面積約20 000 m2。建筑地上7層，地下2層。主體為鋼結(jié)構(gòu)框架。運輸至現(xiàn)場施工前，鋼框架柱已在工廠完成除銹并涂裝防腐涂料，現(xiàn)場施工時，先在鋼柱上涂裝1道環(huán)氧云鐵防銹漆，厚度約50μm，之后再施涂1道室內(nèi)非膨脹型防火涂料，設(shè)計厚度30mm。在施工完環(huán)氧云鐵防銹漆和室內(nèi)非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料后，發(fā)生室內(nèi)鋼柱防腐涂料、防火涂料大面積脫落的情況，脫落情況如圖1所示，鋼柱表面的防腐涂料起皮脫落，防火涂料脫落。

2 試驗

在現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料脫落，未脫落部分出現(xiàn)起皮，并且未脫落部分用小刀撥開涂層，涂層內(nèi)表面和鋼材表面有油漬；按照GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準》要求進行涂層厚度檢測，防腐涂料涂層厚度為150～200μm，防火涂料涂層厚度為30 mm左右；按照GB/T 9286—2021《色漆和清漆劃格試驗》對現(xiàn)場未脫落的防腐涂料進行劃格試驗，試驗部位的附著力為4～5級，基本全部脫落，不符合GB 50205—2020規(guī)定的劃格試驗結(jié)果應(yīng)≤1級的要求。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，初步判斷涂料脫落可能是由于涂層附著力較差、涂料不相容和基層處理不規(guī)范引起的。

2.1 試驗材料與主要儀器設(shè)備

將現(xiàn)場脫落的防火涂料塊狀物、未施工的原包裝室內(nèi)非膨脹型防火涂料、原包裝環(huán)氧云鐵防銹漆帶回實驗室進行涂料物理性能和涂料相容性試驗。試驗主要儀器設(shè)備見表1。

表1 試驗主要儀器設(shè)備

2.2 試驗方法

（1）現(xiàn)場脫落防火涂料塊狀物粘結(jié)強度試驗

從現(xiàn)場脫落的防火涂料塊狀物中抽取5塊試樣，按照GB 14907—2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》中6.4.4條進行粘結(jié)強度試驗。

（2）未施工的原包裝室內(nèi)非膨脹型防火涂料相關(guān)試驗

將未施工的原包裝室內(nèi)非膨脹型防火涂料按照GB 14907—2018中6.4.1～6.4.6條進行在容器中狀態(tài)、干燥時間、初期干燥抗裂性、粘結(jié)強度、抗壓強度、干密度試驗。

（3）未施工的原包裝環(huán)氧云鐵防銹漆相關(guān)試驗

將未施工的原包裝環(huán)氧云鐵防銹漆按照JG/T 224—2007《建筑用鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料》中6.2、6.3、6.6、6.8、6.12～6.14條進行容器中狀態(tài)、施工性、干燥時間、耐水性、附著力（劃格法）、耐彎曲性、耐沖擊性試驗，按照GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉開法附著力試驗》進行拉開法附著力試驗。

（4）環(huán)氧云鐵防銹漆與室內(nèi)非膨脹型防火涂料相容性試驗

按照設(shè)計要求的涂層厚度，根據(jù)GB/T 1727—1992《漆膜一般制備法》和GB 14907—2018的要求，在鋼板上噴涂環(huán)氧云鐵防銹漆，待其實干后，再噴涂室內(nèi)非膨脹型防火涂料，養(yǎng)護至規(guī)定時間后，觀察涂層是否出現(xiàn)起泡、發(fā)皺、開裂、溶脹等現(xiàn)象。按照GB 14907—2018中6.4.4條進行粘結(jié)強度試驗。按照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性測定法》中甲法的規(guī)定進行該樣板的耐水試驗，耐水時間為7 d，觀察并記錄該樣板表面是否出現(xiàn)變色、起皺、起泡、剝落等現(xiàn)象。

3 結(jié)果與討論

按照2.2的試驗方法進行現(xiàn)場脫落的防火涂料塊狀物粘結(jié)強度試驗、未施工的原包裝室內(nèi)非膨脹型防火涂料相關(guān)試驗、未施工的原包裝環(huán)氧云鐵防銹漆相關(guān)試驗、環(huán)氧云鐵防銹漆與室內(nèi)非膨脹型防火涂料相容性試驗。試驗結(jié)果見表2～表4。經(jīng)測試，現(xiàn)場脫落的防火涂料塊狀物的粘結(jié)強度平均值為0.43 MPa，符合GB 14907—2018中對室內(nèi)非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的要求。

表2 室內(nèi)非膨脹型防火涂料性能測試結(jié)果

表4 環(huán)氧云鐵防銹漆與室內(nèi)非膨脹型防火涂料的相容性試驗結(jié)果

由表2可以看出，該非膨脹型防火涂料的物理性能符合GB 14907—2018要求。

由表3可以看出，該環(huán)氧云鐵防銹漆的拉開法附著力符合GB 50205—2020的要求，其他項目均符合JG/T 224—2007的要求。

表3 環(huán)氧云鐵防銹漆性能測試結(jié)果

本工程使用的室內(nèi)非膨脹型防火涂料的初期干燥抗裂性和粘結(jié)強度檢測結(jié)果表明，該防火涂料具有較強的抗開裂性能和較好粘結(jié)性能；干密度符合要求，表明該防火涂料不會因為自身質(zhì)量超標的原因?qū)е峦繉用撀洹?/p>

此外，在鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料的各項物理性能中，附著力是一項非常重要的技術(shù)指標，附著力直接影響涂層的使用壽命，附著力的本質(zhì)是一種包含涂層本身內(nèi)聚力、涂膜內(nèi)應(yīng)力和涂膜與基材粘結(jié)力的一種界面作用力。在本工程中，選用環(huán)氧云鐵防銹漆作為增強防火涂料和鋼材附著力的中間層，從原理上來講，環(huán)氧云鐵防銹漆中的環(huán)氧樹脂含有較多的活性基團，如羥基官能團上的活潑氫能與鋼材表面的某些極性物質(zhì)形成共價鍵，可以增強環(huán)氧云鐵防銹漆涂層與鋼材表面的附著力；此外，環(huán)氧云鐵防銹漆中的云母氧化鐵呈片狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相對于顆粒狀的其他物質(zhì)在涂料施涂過程中更易平鋪于涂層間，形成一種鱗片狀態(tài)，可阻止或延緩水分子滲入進涂層內(nèi)部，進而可提高涂層的附著力[4]。本工程中選用的環(huán)氧云鐵防銹漆本身的物理性能沒有問題，2種不同試驗方法得到的附著力結(jié)果都能符合相關(guān)標準要求，有可能現(xiàn)場基材處理不當導(dǎo)致附著力下降。

現(xiàn)場調(diào)研時將未脫落的防腐涂層用小刀撥開，涂層內(nèi)表面和鋼材表面有油漬，GB 50205—2020對鋼材表面處理情況有明確規(guī)定：涂裝前鋼材表面的除銹等級應(yīng)滿足設(shè)計要求并且符合國家現(xiàn)行標準的規(guī)定。處理后的鋼材表面不應(yīng)存在油污、水、焊疤、焊渣、灰塵和毛刺等，因為基材表面處理程度對涂層附著力有很大的影響[5]，而不同的防腐涂料對除銹等級的要求也不同，根據(jù)JGJ/T 251—2011的相關(guān)規(guī)定，新建工程重要構(gòu)件的除銹等級不應(yīng)低于Sa2.5，且承重結(jié)構(gòu)一般不應(yīng)采用手工除銹[6]。通常工程上采用物理方法或化學方法來進行鋼材的表面處理，其中，手工和動力工具除銹（St）可以達到St2和St3級，利用鋼丸或石英砂噴射或拋射除銹（Sa）可以達到Sa1、Sa2、Sa2.5、Sa3級[7]。不同除銹方法的本質(zhì)是通過加強涂料與鋼材表面的浸潤能力，使得涂料在金屬表面充分浸潤、鋪展，進而增強涂層與基材表面的附著力。而現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果顯示鋼板表面有油漬，阻礙了涂層與鋼材表面的近距離接觸，導(dǎo)致涂層附著力下降，引起涂層脫落。

此外，防火涂料對施工環(huán)境的溫濕度也有比較嚴格的要求，不宜在陰雨天施工[8]。而該工程的防腐涂料施工時，正值雨季，空氣濕度大，使得水汽滲入涂層，導(dǎo)致基材與涂層之間出現(xiàn)細微空隙，也有可能引起涂層脫落。

由表4可以看出，在實驗室進行的環(huán)氧云鐵防銹漆與室內(nèi)非膨脹型防火涂料的相容性試驗未出現(xiàn)異常。同時，在進行粘結(jié)試驗時發(fā)現(xiàn)，是非膨脹型防火涂料的內(nèi)聚破壞，可能是環(huán)氧云鐵防銹漆中存在的羥基與非膨脹型防火涂料表面的活潑氫發(fā)生交聯(lián)、小分子助劑互相滲透，使得二者接觸面之間的化學結(jié)合和附著力變強。如果防火涂料與防銹漆不相容，防火涂料未浸潤防銹漆表面，產(chǎn)生疏松結(jié)合面，在遇到外界環(huán)境變化時有可能引起結(jié)合面間的空氣收縮或膨脹，進而導(dǎo)致防火涂層開裂或起泡，甚至引起脫落[9]。因此，在鋼結(jié)構(gòu)防腐、防火涂料施工時，相容性的把控至關(guān)重要。此外，本工程所用的是水泥基非膨脹型防火涂料，此類涂料對施工的要求更為嚴格，通常需要按時分道施工以防止涂料流墜、涂層空鼓或開裂。

4 結(jié)語

（1）在環(huán)氧云鐵防銹漆和室內(nèi)非膨脹型防火涂料物理性能符合相關(guān)標準要求、二者相容性未出現(xiàn)問題的情況下，現(xiàn)場出現(xiàn)大面積的防腐、防火涂料脫落的現(xiàn)象，可能原因是現(xiàn)場涂料施工前鋼構(gòu)件表面處理未達標，導(dǎo)致防腐涂層與鋼材表面附著力降低，進而引發(fā)涂層脫落、起皮等現(xiàn)象。

（2）現(xiàn)場施工時要注意非膨脹型防火涂料的種類，不同種類的非膨脹型防火涂料對施工工序有不同的要求，有可能是未按照產(chǎn)品說明進行施工導(dǎo)致工程質(zhì)量出現(xiàn)問題。在確保原材料符合標準、設(shè)計要求的前提下，鋼結(jié)構(gòu)防腐、防火涂層的高質(zhì)量施工對鋼構(gòu)件的使用壽命至關(guān)重要。

（3）環(huán)氧類防銹漆由于其存在較多的活性官能團，與鋼材和非膨脹型防火涂料具有較好的相容性。