高鐵車站鋼結(jié)構(gòu)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(tuán)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(jìn)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(yán)重缺陷，病害的集中區(qū)域在露天雨棚鋼結(jié)構(gòu)的屋面及鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)跨度大，就拿京滬高客運專線來說，沿途露天鋼結(jié)構(gòu)雨棚銹蝕嚴(yán)重，一直在不斷地修補(bǔ)式的整治，病害產(chǎn)生的原因在哪里？

以一個車站鋼結(jié)構(gòu)雨棚整治工程為例，中國鐵路上海局集團(tuán)上海房建公寓段接迎上海進(jìn)出口博覽會契機(jī)對上海虹橋站52 736.5 m2鋼結(jié)構(gòu)雨棚涂裝進(jìn)行整治，以工程結(jié)束后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鋼結(jié)構(gòu)雨棚立柱展開面積為6 237.8 m2，面漆脫落及鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)銹蝕的情況要遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于上部管鋼架的病害情況。

按照GB 51249-2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》及TB 10063-2016《鐵路工程設(shè)計防火規(guī)范》的規(guī)定，線間鋼結(jié)構(gòu)立柱12 m 耐火等級為二級，耐火極限2 hrs 需要涂裝鋼結(jié)構(gòu)防火涂料進(jìn)行結(jié)構(gòu)防火保護(hù)，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(yuǎn)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(jìn)行分析，對研究立柱漆膜脫落嚴(yán)重的現(xiàn)象的研究有著重要的幫助。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的定義與分類

2.1 鋼結(jié)構(gòu)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(zāi)的迅速蔓延，或是涂覆于結(jié)構(gòu)材料表面，用于提高構(gòu)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(hù)的功能。

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

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，推動了建筑業(yè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)由于其高強(qiáng)、高韌性、抗震、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點，在機(jī)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(yīng)用。鋼材雖然屬于不燃燒材料，但它極易導(dǎo)熱，一般來說，可以認(rèn)為鋼材的機(jī)械強(qiáng)度隨溫度的升高而迅速降低，當(dāng)建筑鋼材的溫度達(dá)到540℃時，鋼材的支撐強(qiáng)度下降40%，失去支撐能力，而當(dāng)普通火災(zāi)發(fā)生時，僅需10 min，火場的溫度即可高達(dá)700℃，此時裸露的鋼構(gòu)件不可避免的發(fā)生變形，導(dǎo)致建筑物坍塌。因此，對鋼結(jié)構(gòu)作防火保護(hù)極為重要，其保護(hù)措施有很多，在實際工程中應(yīng)用最廣泛且最經(jīng)濟(jì)有效的方法是涂裝鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。它具有普通涂料的裝飾性，更重要的是當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，在高溫下具有一定的隔熱效果，延緩鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)防火涂料的分類

嚴(yán)格意義上來說，所有的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料都可分為膨脹型和非膨脹性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，而膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料又分為有機(jī)型和無機(jī)型，其中有機(jī)型應(yīng)用更廣泛。

2.2.1 有機(jī)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機(jī)理

有機(jī)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)。當(dāng)有機(jī)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的炭層，該炭層可以阻止熱源將熱量傳導(dǎo)至基材，另外多孔炭層可以阻止氣體擴(kuò)散，同時阻止外部氧氣擴(kuò)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(jié)強(qiáng)度高。

2.2.2 無機(jī)膨脹型防火涂料的防火機(jī)理

無機(jī)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(jié)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(jié)構(gòu)防火涂料的防火機(jī)理

非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)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(hù)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(jié)構(gòu)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(jié)強(qiáng)度低，易空鼓、開裂、脫落，造成安全隱患。

3 雨棚鋼結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)防火涂料，雖然防火效果滿足要求，但其還具有粘結(jié)強(qiáng)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(jié)構(gòu)立柱涂層產(chǎn)生病害的主要原因。

3.1 設(shè)計的配套性不合理

車站鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計防腐防火保護(hù)的階段，應(yīng)用經(jīng)驗不足及對涂層保護(hù)的產(chǎn)品的不了解，設(shè)計方案存在一定的缺陷性。大跨度的鋼結(jié)構(gòu)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(jī)械性能適應(yīng)變形及熱脹冷縮。另外，在配套防火涂料的設(shè)計忽略了高速通過列車震動性，大多數(shù)設(shè)計中選擇了滿足2.5 h耐火極限厚漿型鋼結(jié)構(gòu)涂料，其附著力差，涂層達(dá)到18 mm-25 mm 的涂成熱脹冷縮系數(shù)與鋼結(jié)構(gòu)本身及裝飾性的膩子材料完全不一樣，導(dǎo)致空鼓開裂現(xiàn)象較多。設(shè)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(jìn)度漆膜質(zhì)量差

“三分涂料，七分施工。”防腐涂料產(chǎn)品在建設(shè)時期，從鋼結(jié)構(gòu)工廠到建設(shè)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(jìn)行涂裝，還存在趕工期，涂層的涂裝養(yǎng)護(hù)時間不夠，尤其厚漿型防火涂料養(yǎng)護(hù)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(shè)工程中都是露天施工，存在雨雪天氣，往往為了趕工期進(jìn)度，沒有規(guī)避開這些不設(shè)施涂裝的環(huán)境，對當(dāng)時已經(jīng)失效涂層沒有及時鏟掉重新涂裝，導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)水，使得防腐涂料長期處于堿性水的浸泡，加劇了鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕速率，最終腐蝕到鋼結(jié)構(gòu)本身，形成鐵銹，鐵銹的粘結(jié)強(qiáng)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(jié)構(gòu)腐蝕更厲害。

3.4 行車震動導(dǎo)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(yuǎn)大于上部管桁架，而非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的粘結(jié)強(qiáng)度較低，抗震動性較差，日積月累的行車震動導(dǎo)致了非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層的脫落，致使鋼結(jié)構(gòu)表面外露，進(jìn)一步造成了鋼結(jié)構(gòu)腐蝕。

GB 14907-2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的附著力標(biāo)準(zhǔn)≥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(jié)構(gòu)雨棚立柱采用的就是非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)防火涂料的站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚相比，上海虹橋站雨棚鋼結(jié)構(gòu)立柱的涂層病害要嚴(yán)重的多。對比來看，涂裝防火涂料的立柱與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(yán)重的銹蝕，甚至產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性破壞坑蝕現(xiàn)象。

4 病害的預(yù)防及整治

通過上文的分析，高鐵車站鋼結(jié)構(gòu)立柱漆膜脫落及鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕的主要原因在于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。可以通過以下幾個方面來預(yù)防和整治。

4.1 優(yōu)化防火涂裝體系的設(shè)計

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

4.2 加強(qiáng)日常的檢查與維修

作為車站雨棚設(shè)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(yīng)該及時的進(jìn)行面漆修補(bǔ)，及時的阻止雨水的侵蝕破壞防火涂層的耐水性。

此外應(yīng)將鋼結(jié)構(gòu)雨棚防腐涂層的修補(bǔ)納入房建單位的日常檢修的項目里來，日常定期鋼結(jié)構(gòu)面漆的修補(bǔ)會避免鋼結(jié)構(gòu)涂層的進(jìn)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(jié)構(gòu)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(guān)注，大多采用厚漿型砂漿類防火涂料，粘結(jié)力差，容易造成開裂、空鼓及脫落的現(xiàn)象，以及鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的進(jìn)一步腐蝕，會給結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)正常養(yǎng)護(hù)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(yuǎn)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(fēng)的尿不濕。濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過70%，銹蝕發(fā)生變得更加迅速。

鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的定期維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路總公司的領(lǐng)導(dǎo)已經(jīng)意識到了雨棚鋼結(jié)構(gòu)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)的同仁也在積極著手標(biāo)準(zhǔn)的起草及制定。

建立完善高鐵雨棚鋼結(jié)構(gòu)涂層防腐防火一體化養(yǎng)護(hù)維修的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)一步提高天窗點的有效利用率。

當(dāng)然，高鐵車站雨棚腐蝕成本是巨大的，但是腐蝕防火防護(hù)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(dǎo)“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！”