沪杭高速铁路雨棚钢结构防腐涂装体系的研究

沈海兴

(沪杭铁路客运专线股份有限公司，上海 200237)

1 雨棚防腐蚀涂料、防火涂料及其涂装体系

1.1 防腐蚀涂层的作用

对于一般环境的钢结构而言，采用涂料防腐蚀是当今防腐蚀中主要的也是最为有效的手段。它是通过涂装施工形成一种物理或化学屏障——漆膜，阻止和隔绝腐蚀介质水和空气与钢铁表面接触，达到保护钢铁的目的。在进行涂装设计时必须考虑以下条件:钢结构的条件(Structure)、涂料配套体系(Paint)、钢结构的表面处理(Cleaning)和涂装施工(Working)4个方面，简称为SPCW。

为了保护钢结构不受腐蚀，延长钢结构使用寿命，国内外常采用涂层进行防腐蚀保护。防腐蚀涂料涂覆在钢铁表面，成膜固化后形成硬实的防腐蚀涂层，并通过涂层的以下作用防止钢铁表面腐蚀。

(1)屏蔽作用:钢铁表面电化学腐蚀的基本条件是在钢铁表面必须有水、氧、离子的存在和离子、电子的流通(导电)。防腐蚀涂层能阻止水、氧、离子透过涂层达到钢铁表面。其次涂层还能阻挡酸碱盐及工业大气的直接化学腐蚀。

(2)缓蚀作用:在防腐蚀涂层中(特别是底漆中)含有化学防锈颜料，当有水存在时，能从这些防锈颜料中解离出缓蚀性离子，这些离子又能使腐蚀电池的一个电极或两个电极极化(或称钝化)，抑制腐蚀进行，故缓蚀作用能弥补屏蔽作用的不足，反过来屏蔽作用又能阻止缓蚀离子的流失，使缓蚀作用稳定持久。

(3)阴极保护作用:在涂料涂层中如果有比钢铁更活泼的金属(电位更低的金属)粉末，如锌粉或铝粉等，它们能对钢铁形成牺牲阳极，只要这些活泼的金属粉末含量达到使金属粉颗间及金属粉与钢铁底材之间达到点接触的程度，就能使钢铁免受腐蚀。

1.2 防火涂层的作用

为了提高钢结构的耐火极限，一般都需要对钢结构建筑构件进行防火保护。最具典型的防火保护措施是涂敷防火涂料减缓火灾下的升温，从而增加钢结构构件的耐火极限。这种方法施工简便、质量轻、耐火时间长，而且不受钢构件几何形状限制，具有较好的经济性和实用性。

我国有80%左右的钢结构采用防火涂料保护，检测带防火涂层的钢结构耐火极限不但是钢结构设计的重要依据，也是对钢结构防火涂料性能的最重要的评价标准。

钢结构防火涂料品种较多，通常根据高温下的涂层变化分为膨胀型和非膨胀型两大系列［1］。膨胀型防火涂料又称为薄型防火涂料，厚度一般为2～7 mm。涂层厚度在3 mm以下的为超薄型;涂层厚度在3～7 mm的为普通型。其基料为有机树脂，配方中还含有发泡剂、碳化剂等成分，遇火后自身会发泡膨胀，形成比涂层厚度大十几倍到数十倍的多孔碳质层。多孔碳质层可以阻挡外部热源对基材的传热，如同绝热屏障，用于钢结构防火，耐火极限可以达到0.5～1.5 h。非膨胀型防火涂料又称为厚型防火涂料，其涂层厚度为7～50 mm。

1.3 防腐涂层与防火涂层的兼容性

虽然现在室内型防火涂料上可以不覆涂，但是考虑到站台雨棚属于半露天结构，对防火涂料的耐久性要求较高。防火涂料的耐紫外光照射性能较差，因此导致了防火涂料的粉化、剥落等现象。经已建站台钢结构雨棚现状调查，防火涂料外加面漆时通常会出现如下问题:(1)兼容性差;(2)附着力低;(3)防火涂料膨胀开裂与面漆的剥落。因此针对这些问题，进行了有关二者结合情况的试验和分析，并发现在涂装过程中，防火涂料的厚度均匀，与面漆结合较好，面漆表面光滑;同时防火涂料与面漆的附着力大于防火涂层层间附着力，可以提供防火涂料足够的保护功能。

1.4 大型钢结构防腐蚀涂料及其与防火涂料的配套体系

目前大量采用钢结构构件并兼有防火要求的建筑有体育场馆，大型展览馆，火车站站台雨棚、候车室等。通过对各种已建成的大型钢结构涂装体系资料的调查总结可知，一般涂装设计方案为［2］:钢结构表面喷射处理/底漆/环氧云铁中间漆防火涂料(面漆)，涂层厚度根据腐蚀环境而定。要求底漆与钢材表面拉开法附着力不小于3.5 MPa。

防锈底漆的防腐功能主要通过防锈颜料发挥作用，常用的底漆有:环氧富锌底漆、水性富锌底漆、环氧磷酸锌底漆、无机锌底漆等;常用的中间漆一般都为环氧云铁中间漆;防火涂料一般采用超薄型丙烯酸类防火涂料;面漆性能较好的有聚氨酯面漆，这也是使用最为广泛的一种大众化面漆。近年来，聚硅氧烷和氟碳涂料的发展迅速，在耐候性、色泽等方面有了进一步提升，可作为高档面漆。

2 造成腐蚀的大气环境与机理分析

2.1 造成腐蚀的大气中的气候因素

根据文献［3，4］，大气中的气候因素直接影响着大气的腐蚀作用，其中包括大气中的相对湿度、表面润湿时间、日照时间、气温、降雨、降尘等因素。

2.2 钢结构腐蚀环境分类

《大气环境腐蚀性分类》(GB/T15957—1995)在1996年8月1日起正式实施，主要针对普通碳素钢在不同大气环境下的腐蚀类型及其与相对湿度、空气中腐蚀性物质的对应关系作了规定［3］。它可以作为碳素钢结构在各种大气环境选择防腐蚀涂料系统的依据。雨棚钢结构的腐蚀环境主要是大气腐蚀，涉及到所有的大气腐蚀类型，其中腐蚀性最强的是工业大气和海洋大气。

2.3 沪杭高速铁路雨棚钢结构的大气腐蚀环境等级

(1)长三角地区年平均气温变化 上海气候中心一份最新研究报告［5］指出，最近50多年来长江三角洲城市地区的气温在升高，特别是20世纪80年代中期开始变暖趋势更加明显。近年来，上海、杭州、嘉兴等城市的年平均气温都在18℃左右［6］，气温越高，与相对湿度共同作用可加速钢结构腐蚀。

(2)长三角地区降水变化与酸雨 长江三角洲已成为我国两个主要的酸雨控制区之一，几乎整个长三角地区都处于酸雨的威胁中，降水pH值逐年下降。2006年的统计表明［7］，上海、江苏、浙江降水pH平均值分别为4.73、5.1和4.3，酸雨频度分别为56.4%、38.6%和91.6%。三省市中浙江的酸雨发生频率最高、强度最大、范围最广。

(3)相对湿度 根据2005年对上海、杭州周围大气环境调查［8］，年相对平均湿度约为60.6%，全年仅有3、4、11、12月份相对平均湿度低于60%，其余均处于60%～75%。

沪杭高速铁路所处长三角地区工业污染较大，根据近年来气候以及大气污染物排放等数据统计，雨棚为露天结构，因此在确定雨棚的腐蚀环境等级时，考虑长三角地区的C3腐蚀环境等级基础上，将雨棚腐蚀等级提升至国际标准化组织ISO推出的ISO12944标准中的C4等级，并以ISO12944中建议的C4等级的涂料种类以及涂层厚度来进行沪杭高速铁路站台雨棚的防腐涂层体系的对比筛选实验、分析。

3 影响防腐涂层劣化的因素分析

3.1 涂层劣化的过程与机理

钢结构防腐蚀涂层在大气环境下的劣化主要与腐蚀性离子在涂层内部的传输、基体腐蚀、涂层起泡等因素有关，而有机涂层的微观缺陷在此扮演了很重要的角色，因为它们的存在可以加快水、氧、其他腐蚀离子在涂层内部的传输。这些微观缺陷可能存在于涂层表面、涂层内部或者从涂层表面直通到金属基体。

3.2 长三角地区既有雨棚钢结构的腐蚀特点

长三角地区所处大气环境相似，调研目前沪宁铁路和新长铁路现有钢结构站房雨棚的涂层状况，对沪杭高速铁路建设中的站房雨棚钢结构的涂层设计与施工具有一定指导意义。

雨棚结构大致可分为顶部露天结构、顶部横梁、站台立柱等部位，通过调研结果可知。

(1)立柱 粉化，剥落，污染严重，有锈蚀出现，根据对涂层厚度的测试，涂层厚度在1 000 μm以上，防火涂料表面无面漆，防污染性差。而且根据观察，经常暴露在日晒雨淋条件下的涂层龟裂、剥落以及钢结构的锈蚀较严重。

(2)顶部露天结构 顶部雨棚挡板涂层粉化，剥落比较严重，集中出现在朝阳的一面。说明涂层的耐候性不高，因为这部分钢结构长期暴露在日晒雨淋下，建议考虑采取重防腐措施。

(3)顶部横梁 顶部横梁涂层的剥落通常出现于某一处，集中于一根梁上，分析其原因为:该处涂层腐蚀环境较差，该根梁涂装时表面处理不好或涂装厚度薄。锈蚀处通常出现在焊接部位，一般为点状锈蚀，因与焊渣处理的不完全从而导致涂层覆盖不均匀有关。

根据调研的结果总结雨棚钢结构的腐蚀特点为:

(1)因为表面处理不到位，部分漆膜起泡鼓起，从钢结构表面脱离;此时钢结构失去保护，容易出现锈蚀;

(2)日晒雨淋时间较长的部位，涂层更容易失效、龟裂、粉化，既影响美观，也会使钢结构失去保护，缩短钢结构使用寿命;

(3)铆钉、螺栓或其他连接物，焊接处，豁缝(特别是跳焊或靠在一起的表面);重叠表面(例如:水储槽的顶板);定位拙劣或错综安排的角铁;螺纹状区域;不相似的金属;锐边，特别是那些角落，或粗糙切割的板材;结构辅助物等难以到达的区域也容易出现涂装不当，从而导致这些部位锈蚀。

在上述站台涂层体系中，最突出的问题是在防火涂料上并未再涂装耐候性较好的面漆，虽然室外型防火涂料有一定的耐候性，但是在长期的日晒雨淋下，为了确保涂层的使用年限，推荐使用与防火涂料配套性较好的面漆，面漆的耐候性以及抗污性将明显提高涂层的美观以及使用年限。

这几处调研的站房基本在同一时期建造，距今在5年左右，按照对涂层使用寿命的预测与要求，涂层的使用寿命应该在10年以上，目前看来涂层的劣化程度已经不能确保对钢结构的保护功能。这与涂层体系的设计密不可分。涂层体系设计的步骤应该包括:涂层使用环境的污染等级调查—确定污染等级—根据标准确定该污染等级适用的防腐涂层体系—试验涂层与防火涂料的配套性—选择几种合适的体系及不同厂家的涂料进行涂料类型及厂家的筛选(防腐性能的差异)—制定涂层完整的施工手册。

4 比对涂层体系及涂装方式确定

4.1 比对涂层体系

确定涂层体系方案之前，必须掌握防腐蚀材料的性能在雨棚的使用环境下会发生如何变化，还必须判断防腐蚀材料在设计寿命限期内以怎样的失效规律和速度达到使用年限。就是说要按照雨棚的重要程度、养护管理的难易程度等合理选定防腐蚀材料，再在施工中进一步确认其性能。在此基础上，对防腐蚀材料在雨棚钢结构设计寿命期限内的劣化以合理的精度加以预测是很有必要的。根据上述对防腐蚀材料的分析，策划养护管理计划。

对于具体条件而言，选择最合理的腐蚀防护系统并不是一件很简单的事情。在选择过程中会涉及到诸多因素，并且最终的选定也可能只是一种折中的方案。

尤其必须考虑以下问题:

(1)所选系统必须抵抗的外部条件(大气环境条件);

(2)各种系统抵抗这种条件的能力;

(3)对于能够提供必要防护的涂层，必须考虑其他问题的特点(比如养护管理)，以提供一条经济的解决途径。

根据涂层保护的机理，综合沪杭高速铁路站台雨棚所处环境等级达到ISO12944中的C4等级，涂装中影响涂装质量因素，以及现有钢结构站台腐蚀现状等因素，确定实验用涂层的体系种类以及厚度如表1所示。

表1 防腐蚀底漆比对用体系种类及厚度

通过对不同厂家底漆的筛选以及底漆种类的筛选，面漆选用聚氨酯、聚硅氧烷、氟碳3种作对比，防火涂料则选用丙烯酸类防火涂料作比较。

4.2 涂装方式

(1)底材表面处理

①钢结构表面应平整，底材处理前应对锐角进行打磨处理，使其R=2 mm(锐角打磨后的弧度)。

②在进行喷砂或抛丸除锈前，应对钢结构表面的氧化皮、焊渣、灰尘、毛刺、铁锈、油污、水分、盐分等污染物进行彻底的清除。

③采用喷砂或抛丸法对基材表面进行处理，按GB/T8923—88标准，使其达到Sa2.5级;用目测法观测，钢材表面应无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈等。

④喷砂后表面粗糙度应达到40～70 μm，采用触针式粗糙度测定仪进行测定。

⑤经喷砂或抛丸处理并达到规定要求的基面，经真空吸尘、压缩空气吹净或用干净毛刷除尘后，在5 h内涂上底漆。

(2)在经过处理并达到规定要求的钢结构表面上，测量涂装时温度、湿度等，确定可以达到涂装要求的各因素，采用高压无气喷涂，漆膜干燥24 h以上，进行下次涂装。每次复涂前，清洁表面。

4.3 结论

(1)防腐与防火材料兼容性良好，面漆的覆涂并不影响防火涂料的起泡，起泡时间与未覆涂前完全一致，在防火涂料完全碳化后，面漆也未从防火涂料上脱落。

(2)长三角大气环境腐蚀性分类为C3。考虑到雨棚为露天结构，因此在确定雨棚的腐蚀环境等级时，考虑长三角地区的C3腐蚀环境等级基础上，将雨棚腐蚀等级提升至ISO12944中的C4等级。

(3)大气环境下的腐蚀主要表现为锈蚀。影响锈蚀速度的因素有:环境的温度、湿度、大气中的酸性污染物浓度、电解质微粒漂浮物等。

(4)后续耐久性研究采用的对比涂层体系的种类及厚度确定为表2所示的耐久性体系。

表2 耐久性对比体系

5 结语

本文通过调研分析沪杭高速铁路沿线大气环境，确定钢结构腐蚀环境等级;考察长三角地区典型客站钢结构涂装劣化状况和特征，为沪杭高速铁路新建客站钢结构涂装体系选择和施工方法选定提供依据;对涂装体系的可维护性和维护材料、防火涂层与防腐涂层相容性进行研究。随着高速铁路建设的快速推进，钢结构应用的日益广泛，钢结构的防腐防火必定成为铁路建设中的一道关键步骤，钢结构涂层体系的维护也会越来越受到重视，其直接影响人们的视觉美观以及钢结构体系的使用寿命，对其的重视必将提高钢结构的使用寿命以及铁路的安全运营质量。

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