铁路站房钢结构防火涂装耐候性控制技术研究

郝树林

摘    要：随着我国对铁路站房规模及造型新颖的追求和发展，钢结构在其建设中得到了广泛应用，钢结构防火涂装对其是防火保护最常用的技术手段。文章以新建京张铁路清河站為例，对防火涂料的作用机理进行了概述，剖析了铁路站房钢结构防火涂料脱落的主要原因，并提出钢结构防火涂装耐候性控制技术要点，较好地使新建清河站钢结构防火涂装质量得以确保，达到了预期目标。

关键词：铁路站房;钢结构防火涂装;耐候性;控制技术

1  前言

钢结构防火涂装具有工序复杂、施工过程控制因素多、内在质量及观感效果要求高等特点，新建京张铁路清河站采用合理、创新手段，现场对厚涂型防火涂装进行拉伸荷载力学试验，计算防火涂装粘结强度，以判断防火涂装的附着力是否满足要求，为提高钢结构防火涂装的耐候性提供了理论依据，取得了良好效果。

2  防火涂料作用机理

钢结构虽然是不燃材料，但在火灾高温的作用下，其力学性能（如屈服强度、弹性模量等）却会随温度升高而降低，在550℃左右时降低幅度更为明显，易丧失承重能力而发生倒塌。防火涂料经过喷涂的方式附着于钢结构表面，并在钢结构表面形成了一层耐火隔热的薄膜，阻滞火灾的迅速蔓延，其作用用于保护钢构件，从而提高钢结构的耐火极限。

3  提高铁路站房防火涂装耐候性能的必要性

3.1  铁路站房钢结构体量和面积大

为了加快全面进入高铁时代，我国涌现出大量的高铁站房，新建高铁站房大多均采用大跨度钢结构结构形式。大型钢结构铁路站房的出现，不仅使铁路站房在外观上达到了气质磅礴的效果，而且可极大程度地增加站房的层高、跨度和使用空间等。

3.2  铁路站房防火等级要求高

铁路站房属于大型人员密集公共场所，客流量大，一旦发生火灾将会造成大量人员伤亡和经济财产损失，严重影响铁路运输秩序，因其防火等级要求高，防火涂装的耐候性不容忽视。

3.3  铁路站房防火涂装作业环境条件相对复杂

3.3.1  站房结构形式复杂

为满足铁路站房独特的空间形态和建筑功能需求，大跨度、大柱网、大悬挑的空间结构形式越来越复杂，给钢结构防火涂装施工带来一定困难。

3.3.2  防火涂装多处于室外环境

铁路站房的候车大厅、进出站雨棚和其他大跨度悬挑部分等钢结构防火涂装多处于室外环境，导致了防火涂装的耐候性能下降，耐候性差是造成防火涂层在室外环境中脱落较严重的根本原因。

3.3.3  必要的涂装间隔时间难以得到保障

铁路站房建设期间，站房、站场、站前、站后工序交叉作业多，工期影响大，尤其是涉及既有线施工过渡的车站建设，因其施工困难，钢结构涂装工序必要的间隔时间在施工中难以得到保障。

3.4  铁路站房防火涂料脱落造成影响大

3.4.1  维修工作困难

由于站房钢结构维护人员技术力量薄弱、维修要点停电困难等诸多现实原因，对站房钢结构日常专业维护、维修工作难以实现。室外防火涂装在受到风力、雨雪、粉尘等污染侵蚀后，涂装体系局部产生的开裂、脱落问题难以进行及时处理，是导致脱落问题恶化速度呈现加快趋势的主要原因。

3.4.2  影响行车安全

站房、雨棚等钢结构防火涂层随时间推移及恶劣气候影响，粘结能力不断下降，高铁运营速度快（200km/h以上），防火涂料如遇列车振动荷载影响出现脱落，掉下来砸到列车挡风玻璃，将会影响行车安全。

3.4.3  消防安全社会关注大

公共场所火灾频发，人员伤亡、财产损失较大，消防安全问题越来越成为人们日益注重的焦点。铁路站房是旅客乘降窗口，客流量大、人员密集，消防安全社会关注大。

4  铁路站房钢结构防火涂料脱落主要原因分析

4.1  原材料选用不正确

防火涂料的品种多样，铁路站房室内、室外不同场所采用的钢结构防火涂料品种大不相同，施工中容易混淆，错误选用会导致钢结构防火涂装不能合理发挥其作用，耐候性降低，极易造成防火涂料脱落。

4.2  涂层间相容性不符

防火涂料与防腐涂料不配套，选用不当易产生化学反应，致使涂装之后涂层不能更好地粘合在一起，易剥离。涂装之后不仅没有起到防火作用，反而加速了钢结构腐蚀，短时间内大量的锈迹透过涂层表面产生锈蚀现象，致使防火涂料产生脱落。

4.3  工序处理不得当

4.3.1  钢构件表面清理

钢构件表面清理是防腐涂装工程的基础，是涂装施工中极为重要的一个环节。防腐涂装前，钢构件表面的水渍、油污和灰尘等杂物未进行清理或清理不彻底，会影响防腐涂料同钢构件表面的粘结力，从而影响整个涂层的强度和粘结力，出现防火涂料脱落。

4.3.2  打磨除锈及防腐处理

钢构件厂制焊缝、现场焊接部位打磨除锈及防腐处理不到位，时间久了，钢构件表面生锈，严重影响涂层的附着力，防火涂料随之就会产生开裂，甚至造成脱落现象。

4.3.3  涂层涂刷间隔时间

防火涂料前一层涂膜未干燥后，又涂刷下一层防火涂料，从而使两层防火涂料混合，不能“各负其责”起到更好的保护作用，造成防火涂料开裂、脱落。

4.3.4  防火涂料涂层厚度

（1）防火涂层厚度达不到设计要求，造成防火涂料的涂层防火性能不稳定，从而使钢构件不能达到相应的耐火极限。作业人员存在偷工减料、构件边角不易涂刷，存在漏涂或者少涂以及涂层厚度过厚，均会引起防火涂料出现脱落。

（2）防火涂层的总厚度满足设计要求，但每层涂层的均匀连续性差，造成局部涂层过厚，在同样养护时间内达不到强度要求，从而产生防火涂料脱落。

4.4  施工环境条件不满足

对于涂装效果来说，施工环境与其密切相关。当涂装施工时的环境温度、相对湿度、钢构件表面温度等几个方面没有达到涂装环境条件要求，钢构件表面、防火涂料表面产生结露，其附着力大大下降，均会出现防火涂料开裂、脱落等现象发生。

4.5  养护及成品保护措施不合理

防火涂料未得到充分干燥固化前遭受大风吹拂、雨水冲淋、阳光暴晒，造成防火涂料强度达不到，出现开裂、掉渣。防火涂料施工完成后，成品保护措施不合理，钢构件涂层在外力作用下，涂料漆膜受到物体或构件的碰撞、剐蹭、擦伤等，损坏钢构件表面的防火涂层，引起钢构件锈蚀，最终造成防火涂料脱落。

4.6  粘结强度急剧下降

由于铁路站房处于露天或半露天环境中，夏季阳光照射强烈，冬季天干风大，阳光、大气、风雪、雨水等常年的日晒雨淋气候会造成钢构件表面腐蚀。其次，季节交替产生的温度变化也容易造成钢构件表面扩张和收缩，防火涂层粘结强度、耐候性能急剧下降，从而导致钢结构防火涂料出现脱落。

5  新建京张铁路清河站钢结构防火涂装应用概况

北京至张家口高速铁路，是京津冀协同发展轨道交通网的重要组成，是推动我国高铁技术创新的标志性工程。清河站是该线路上重要的交通枢纽站之一，也是冬奥会始发站，集高铁、地铁旅客乘降功能于一体，是展示京张高铁建设品质的首要窗口。

5.1  工程特征分析

5.1.1  工程结构复杂

建清河站钢结构由主体站房区、站房南侧高架落客平台区、站房北侧高架落客平台区和站台雨棚四部分组成。

5.1.2  钢构件种类多

新建清河站钢结构有桁架、钢梁、钢柱、系杆、隅撑、钢檩、钢楼梯、花纹板、槽钢等多种钢构件，不同区域、不同部位构件的防火涂装设计要求及施工工艺不同。

5.1.3  防火涂料类型多，耐火极限不同

新建清河站防火涂料设计类型包括薄型超薄型和厚型三种防火涂料，各种类型防火涂料的耐火极限均不一样。A区站房候车层和候车大厅旅客量大、人流多，设计耐火极限均采用不低于2h的厚涂型防火涂料，且所占施工比重大。

5.1.4  交叉作业多

由于新建清河站建设期间现场站房、站场、站前、站后的施工涉及专业多、交叉施工作业多、各单位间的施工界面多等原因，导致防火涂装作业环境相对非铁路钢结构工程受影响干扰多。

5.2  防火涂装设计概况

5.2.1  超薄型防火涂料

底漆环氧富锌80μm，中间漆环氧云铁150μm，环氧封闭漆30μm，耐火极限≥1.0h。

5.2.2  薄型防火涂料

底漆环氧富锌80μm，中间漆环氧云铁150μm，环氧封闭漆30μm，耐火极限≥1.5h。

5.2.3  厚型防火涂料

底漆环氧富锌80μm，中间漆环氧云铁150μm，环氧封闭漆30μm，耐火极限≥2.0h。

6  新建京张铁路清河站钢结构防火涂装耐候性控制技术

6.1  原材料控制

（1）防火涂料在进场使用前，检查其制造厂家的相关资料，其中最重要的有四个：一是生产许可证明文件，二是型式检验报告，三是产品合格证明文件，四是产品说明书，并确认防火涂料的型号、颜色与质量证明文件及设计依据相符，且在有效的使用期内。

（2）检查防火涂料的外观质量、现场存储情况。针对本工程结构复杂、钢构件种类及防火涂料类型多等特点，按規定批次和数量，对其粘结强度和抗压强度进行现场抽样检测。

（3）使用喷灯等强火对防火涂装构件样板进行灼烧，短时间内构件样板不能出现灼伤。

6.2  工序质量控制

涂装质量对其装饰以及应用有着重要的作用。涂装质量主要取决于两个方面：一是涂料自身质量，二是施工质量。质量不合格的防火涂料必然不能使良好的涂装效果形成，但是质量好的防火涂料倘若施工不适宜，必然不会有良好的防火作用。对于施工工艺来说，其与防火涂料的性能发挥密切相关，必须严格控制各道工序质量。

6.2.1  钢构件表面清理

钢构件在加工储运和安装过程中易在其表面产生附着物，特别是杂物碎屑、灰尘及氧化皮屑等，这些表面杂质的存在会导致防腐涂层的附着性能下降，因此钢构件表面清理是涂装前的基本工序。其目的就是为钢构件与防腐涂装粘结创设条件，从而发挥防火涂料性能。

（1）彻底清除钢构件表面所附着的如灰尘、氧化皮碎屑、油污等杂物，使防腐涂层和钢构件表面有效粘结。

（2）对钢构件表面进行修整，将外观不足进行去除，使防腐涂料与钢构件有良好的附着力。

6.2.2  打磨除锈及防腐处理

该道工序能清除钢构件表面锈垢，同时避免钢构件产生锈蚀，以延长防火涂料的使用寿命。本工程现场焊接部位打磨处理完成后，均对每道焊缝的打磨除锈情况进行验收，建立验收登记台账，留存影像资料，并在钢构件表面处理完成后的4h内进行防腐底漆涂装。

6.2.3  涂层涂刷间隔时间

防火涂料应分层涂刷，结合防火涂料品种特性确定涂刷遍数和涂刷间隔时间。第一遍防火涂料干燥率和强度达到95%以上时（前后道涂刷间隔控制在24h左右为宜），用手抠一下，看是否牢固再进行第二遍涂装。

6.2.4  涂层厚度及观感质量

（1）根据新建清河站防火涂料的设计类型及型式检验报告，分别确定不同区域、不同构件、不同防火涂层厚度，作为检查验收依据。考虑A区站房候车层和候车大厅旅客量大、人流多，设计耐火极限均采用不低于2h的厚涂型防火涂料，且所占施工比重大，结合厚涂型防火涂料型式检验报告并参考相关规范，对厚涂型防火涂料施工加强了管控力度。待喷防火涂层厚度参考如下计算公式：

T1=[W2/D2W1/D1]×T2×K

式中：

T1——待喷防火涂层厚度，mm;

T2——标准试验时的涂层厚度，mm;

W1——待喷钢梁重量，kg/m;

W2——标准试验时的钢梁重量，kg/m;

D1——待喷钢梁防火涂层接触面周长，mm;

D2——标准试验时钢梁防火涂层接触面周长，mm;

K——系数，对钢梁，K=1;对相应楼层钢柱的涂层厚度，宜乘以系数K，设K=1.25。

（2）因工序多、区域广、结构复杂等工程特点，极易造成漏检漏验，根据本工程防火涂装设计要求，研究制定专项验收表格，采用“纵向分层、横向分段”验收方式，建立验收登记台账，保证钢构件的防火涂装全部纳入验收范围。

（3）防火涂层应粘结牢固地附着于防腐涂层，表面不能出现空鼓、脱层等情况;防火涂装后，外观要平整光滑，轮廓清晰，颜色均匀，无明显凹陷、粉化、松散和浮浆，乳突已剔除;对于厚型防火涂层，裂缝宽度不应大于1mm。

6.3  涂层间相容性控制

选用的防火涂料不应对钢结构有腐蚀作用，且防火涂料和防腐涂料之间不应发生化学反应。新建清河站对抽取A区站房的钢柱、钢梁做涂层样板试件，验收查看涂层间的相容性、观感质量效果等，样板质量确认合格后，大面积施工得以开展。

6.4  环境条件控制

本工程重点把控涂装作业是否满足环境条件要求，尤其是低温季节，每日温度起伏较大，对涂装环境温度、相对湿度、构件表面温度进行动态量测，换算露点温度，做到环境条件不具备不得施工。

表1  露点温度表

防火涂装环境温度宜保持在5℃～38℃之间，相对湿度≤80%，钢构件表面温度应高于露点温度3℃以上。例如：测得环境温度为15℃，相对湿度为65%，从上表中可查出露点温度为8.6℃，则钢构件表面温度应在8.6+3=11.6℃以上时，才能施工。

6.5  养护及成品保护控制

（1）在防火涂装施工结束，及时做好防火涂层的养护工作，尤其是刚喷涂好的涂层避免遭受雨水冲淋、强烈阳光直射。

（2）空气中的尘埃对钢结构防火涂装的粘结性能、装饰效果影响也很大，钢构件涂装后在24h之内如遇大风时应采取防尘措施加以覆盖，防止沾染灰尘，从而避免影响涂层的附着力和装饰观感质量。

（3）针对本工程施工涉及专业多、交叉施工作业多、各单位间的施工界面多等特点，对刚喷涂好的钢构件采取拉设安全带或加装护栏、围挡等措施，避免受到物体或构件的碰撞、剐蹭。

6.6  拉伸荷载试验的创新

在防火涂料原材经第三方实验室检测复试合格的基础上，严格卡控防火涂层粘结能力的现场验证。新建清河站采用合理、创新手段，现场对厚涂型防火涂装进行拉伸荷载力学试验（注：粘结强度试验，一般都是在第三方检测机构实验室内对涂装试件检测），计算防火涂装粘结强度，以判断防火涂装的附着力是否满足要求，为现场防火涂装作业质量控制提供理论依据。

图1  现场进行拉伸荷载试验

已知防火涂料复试性能指标要求：厚涂型防火涂料粘结强度≥0.04MPa。

1Pa=1N/m2

1MPa=106Pa=106N/m2

0.04MPa=4×104N/m2

每一试件粘结强度计算公式：

fb=F/A

式中：

fb——粘结强度，MPa;

F——最大拉伸荷载，N;

A——粘结面积，m2。

现场试件直径d为5cm，半径r=2.5cm，

面積A=πr2=3.14×2.52cm=19.625cm2=19.625×10-4㎡

最大拉伸荷载F应满足4×104N/㎡×19.625×10-4㎡=78.5N

现场实测厚涂型防火涂装拉伸荷载为0.549kN=549N>78.5N

经现场拉伸荷载试验，已完厚涂型防火涂装粘结强度满足相关技术标准和性能检测报告粘结强度要求。

7  结束语

钢结构防火涂装的耐候性直接影响铁路站房的防火性能和使用要求。新建京张铁路清河站采取有效的工序质量监控措施，运用合理、创新的监管手段，严格把控了防火涂装质量，保证了钢结构体系的防火性和装饰性，从而提高了站房钢结构防火涂装的耐候性，对类似工程具有一定的借鉴意义。