高铁车站钢结构雨棚防火涂层病害的分析与研究

曹伟峰 中国铁路上海局集团有限公司上海房建公寓段

1 概况

据铁路总公司统计数据显示运营的高铁站有1 100 多座，供电处正在进行锈蚀病害情况摸底调查，防火涂料存在不同程度的空鼓、脱落、开裂等涂层严重缺陷，病害的集中区域在露天雨棚钢结构的屋面及钢结构立柱。

高铁车站通常都是占地面积大，建筑体量大、金属屋面及钢结构跨度大，就拿京沪高客运专线来说，沿途露天钢结构雨棚锈蚀严重，一直在不断地修补式的整治，病害产生的原因在哪里？

以一个车站钢结构雨棚整治工程为例，中国铁路上海局集团上海房建公寓段接迎上海进出口博览会契机对上海虹桥站52 736.5 m2钢结构雨棚涂装进行整治，以工程结束后的数据统计，钢结构雨棚立柱展开面积为6 237.8 m2，面漆脱落及钢结构锈蚀的展开面积约为973 m2，占立柱总体展开面积的15.6%。上部管桁架的展开面积为46 498.7 m2，面漆脱落及钢结构锈蚀的展开面积约为2 232 m2，占管桁架总体展开面积的4.8%。通过以上数据的对比可以看出立柱的漆膜脱落及钢结构锈蚀的情况要远远差于上部管钢架的病害情况。

按照GB 51249-2017《建筑钢结构防火技术规范》及TB 10063-2016《铁路工程设计防火规范》的规定，线间钢结构立柱12 m 耐火等级为二级，耐火极限2 hrs 需要涂装钢结构防火涂料进行结构防火保护，而上部管桁架不需要涂装防火涂料，这是造成立柱上漆膜病害情况远差于上部管桁架的主要原因。

所以对雨棚立柱上涂装的防火涂料及外部条件进行分析，对研究立柱漆膜脱落严重的现象的研究有着重要的帮助。

2 钢结构防火涂料的定义与分类

2.1 钢结构防火涂料的定义

防火涂料就是涂覆在被涂物的表面，能够降低被涂物材料表面的可燃性、阻滞火灾的迅速蔓延，或是涂覆于结构材料表面，用于提高构件耐火极限的一类物质。它具有普通涂料的装饰性，更重要的是涂料本身具有的特性决定了它有防火保护的功能。

根据GB14907-2018《钢结构防火涂料》的定义，施涂于建（构）筑钢结构表面，能形成耐火隔热保护层以提高钢结构耐火极限的涂料，称之为钢结构防火涂料。

随着经济和社会的发展，推动了建筑业的发展，钢结构由于其高强、高韧性、抗震、可塑性强等优点，在机场、体育馆、大型商场、高铁车站等高层及大跨度建筑上得到了广泛的应用。钢材虽然属于不燃烧材料，但它极易导热，一般来说，可以认为钢材的机械强度随温度的升高而迅速降低，当建筑钢材的温度达到540℃时，钢材的支撑强度下降40%，失去支撑能力，而当普通火灾发生时，仅需10 min，火场的温度即可高达700℃，此时裸露的钢构件不可避免的发生变形，导致建筑物坍塌。因此，对钢结构作防火保护极为重要，其保护措施有很多，在实际工程中应用最广泛且最经济有效的方法是涂装钢结构防火涂料。它具有普通涂料的装饰性，更重要的是当火灾发生时，在高温下具有一定的隔热效果，延缓钢结构升温速度，为人员疏散和消防救火赢得宝贵的时间。

2.2 钢结构防火涂料的分类

严格意义上来说，所有的钢结构防火涂料都可分为膨胀型和非膨胀性钢结构防火涂料，而膨胀型钢结构防火涂料又分为有机型和无机型，其中有机型应用更广泛。

2.2.1 有机膨胀型钢结构防火涂料的防火机理

有机膨胀型钢结构防火涂料中通常含有“三大料”：酸源、碳源、气源。三者缺一不可，它们在膨胀发泡和阻火隔热过程中起着协同效应。当有机膨胀型钢结构防火涂料受热时，酸源会催化碳源脱水成炭化物，同时气源在受热时会释放出惰性气体，这些惰性气体会使得炭化物形成蓬松多孔、有封闭结构的炭层，该炭层可以阻止热源将热量传导至基材，另外多孔炭层可以阻止气体扩散，同时阻止外部氧气扩散至基材表面，这样就延缓了钢材的升温。这种防火涂料的主要特点是装饰性好，粘结强度高。

2.2.2 无机膨胀型防火涂料的防火机理

无机膨胀型防火涂料是以水玻璃为基料和发泡基体，添加其它材料所组成的防火涂料。涂层受热时，碱金属硅酸盐所含的结晶水及水玻璃中氧链上羟基的脱水作用而使得涂层共融变软，并且粘度较大，这时由于分解产生的气体不能自由的排出，使得涂层产生了气泡，形成了具有隔热功能的多孔质体——硅酸盐泡沫状隔热层。这种防火涂料的主要特点是无毒，以及较低的原材料成本。

2.2.3 非膨胀型钢结构防火涂料的防火机理

非膨胀型钢结构防火涂料遇热时涂层基本上不发生体积变化，形成釉状熔融保护层。它能起隔绝氧气的作用，使氧气不能与钢材接触，继续加热，粘稠涂层会脱水并与其它填料的高温凝聚相产物一起形成隔氧的釉状涂层。釉状涂层中常常含有吸热载体，热容较高、升温速度较慢，但因涂层结构致密，有利于接触传热。这种防火涂料的主要特点是耐火性能优异，但装饰性差、粘结强度低，易空鼓、开裂、脱落，造成安全隐患。

3 雨棚钢结构立柱漆膜病害的原因分析

目前国内大部分高铁车站常规设计的防火涂料为水泥基厚浆型防火涂料，属于非膨胀型钢结构防火涂料，虽然防火效果满足要求，但其还具有粘结强度低、耐水性差、吸水性大等缺陷，同时，外部环境的因素同样对防火涂层失效有着巨大的影响，经过调研，以下两种因素是雨棚钢结构立柱涂层产生病害的主要原因。

3.1 设计的配套性不合理

车站钢结构在设计防腐防火保护的阶段，应用经验不足及对涂层保护的产品的不了解，设计方案存在一定的缺陷性。大跨度的钢结构雨棚及立柱存在热胀冷缩、形变系数较大的问题，防腐涂料选择需要具有优异的机械性能适应变形及热胀冷缩。另外，在配套防火涂料的设计忽略了高速通过列车震动性，大多数设计中选择了满足2.5 h耐火极限厚浆型钢结构涂料，其附着力差，涂层达到18 mm-25 mm 的涂成热胀冷缩系数与钢结构本身及装饰性的腻子材料完全不一样，导致空鼓开裂现象较多。设计的涂层产品体系防腐涂层与防火中涂配套性差，整体涂层相容性数据要求缺失。

3.2 施工赶进度漆膜质量差

“三分涂料，七分施工。”防腐涂料产品在建设时期，从钢结构工厂到建设工地，安装时间长，产品施工工艺的没有能在规定的时间内及时进行涂装，还存在赶工期，涂层的涂装养护时间不够，尤其厚浆型防火涂料养护周期至少28 天以上，但在施工过程中往往被忽略，过早涂装面漆，将水分密封在涂层内，给涂层的失效埋下隐患。

高铁建设工程中都是露天施工，存在雨雪天气，往往为了赶工期进度，没有规避开这些不设施涂装的环境，对当时已经失效涂层没有及时铲掉重新涂装，导致线路开通没有几年便开始锈蚀脱落，在存在焊接部位的连接处这些问题更加突出。

3.3 雨水的侵蚀

腐蚀产生最主要的原因是湿度，金属屋面的防水不到位或者失效给支撑钢结构造成腐蚀产生及加剧，排水管往往在下雨时候将雨水沿着涂层冲刷下来。

非膨胀型钢结构防火涂料的涂装过程中，经常需要使用腻子来找平涂层缺陷，然而防火涂料的热胀冷缩系数与找平的环氧腻子、面漆完全不同，一旦立柱表层面漆涂层破损，防火涂层虽具备着一定的耐水性，但长期受雨水侵蚀，会造成防火涂层开裂进水，使得防腐涂料长期处于碱性水的浸泡，加剧了钢结构的腐蚀速率，最终腐蚀到钢结构本身，形成铁锈，铁锈的粘结强度很低，防火涂料比重大，因此产生了脱落及坑蚀现象。

据根据收集南北分界的高铁车站分析对照，南方及沿海城市的腐蚀速率更快，结构腐蚀更厉害。

3.4 行车震动导致防火涂料荷载大，附着力差

高铁行车会产生震动，立柱部位的振幅远大于上部管桁架，而非膨胀型钢结构防火涂料的粘结强度较低，抗震动性较差，日积月累的行车震动导致了非膨胀型钢结构防火涂层的脱落，致使钢结构表面外露，进一步造成了钢结构腐蚀。

GB 14907-2018《钢结构防火涂料》非膨胀型钢结构防火涂料的附着力标准≥0.15 MPa，高铁时速350 km/h通过高铁车站时及常规的车辆运行的高频振动，根据我们试验≥2.0 MPa能满足高铁行驶抗震动性的要求。

上海虹桥站站台钢结构雨棚立柱采用的就是非膨胀型钢结构防火涂料，同京沪高线路同期开通的无锡东站等采用膨胀型钢结构防火涂料的站台钢结构雨棚相比，上海虹桥站雨棚钢结构立柱的涂层病害要严重的多。对比来看，涂装防火涂料的立柱与网架结构对比的话，网架较少见漆膜空鼓脱落及开裂，网架主要问题为锈蚀，立柱主要问题为开裂、空鼓、脱落及更严重的锈蚀，甚至产生了结构性破坏坑蚀现象。

4 病害的预防及整治

通过上文的分析，高铁车站钢结构立柱漆膜脱落及钢结构的锈蚀的主要原因在于钢结构防火涂料。可以通过以下几个方面来预防和整治。

4.1 优化防火涂装体系的设计

高铁车站雨棚防火涂料不可采用非膨胀型钢结构防火涂料，此类设计应在后续新建高铁车站中杜绝。建议使用膨胀型钢结构防火涂料代替，膨胀型钢结构防火涂料具有更高的粘结强度、装饰性和耐水性，更高的粘结强度使得涂层有更好的高铁抗震动性，同时膨胀型钢结构防火涂料更加致密，使得涂层具有较好的耐水性，进一步防止涂层脱落和基材腐蚀。

4.2 加强日常的检查与维修

作为车站雨棚设备的管理部门的房建单位，在日常车站的巡检中发现漆膜脱落的情况下，应该及时的进行面漆修补，及时的阻止雨水的侵蚀破坏防火涂层的耐水性。

此外应将钢结构雨棚防腐涂层的修补纳入房建单位的日常检修的项目里来，日常定期钢结构面漆的修补会避免钢结构涂层的进一步的锈蚀病害。

4.3 彻底整修，防腐防火一体化实施

以钢结构为主的车站及线路桥梁的高铁工程中，早期没有足够引起对防火涂料质量的重视和关注，大多采用厚浆型砂浆类防火涂料，粘结力差，容易造成开裂、空鼓及脱落的现象，以及钢结构荷载增大，对我们高铁安全运行造成了很大的不良影响。常规维修，都是局部哪里破损涂装面漆，这样是掩耳盗铃，反而加剧了钢结构的进一步腐蚀，会给结构安全带来巨大的隐患。

由于既有高铁车站运行中，都是天窗点施工维修，钢结构正常养护不做，该检不检，检了不修，修了都是摸雪花膏式样涂装面漆挂白措施，远看“桃花流水”，近看“龇牙咧嘴”，这样维保措施反而加剧了锈蚀，像给烂了屁股下面包上不透风的尿不湿。湿度远远超过70%，锈蚀发生变得更加迅速。

钢结构发生点腐蚀或者小面积腐蚀，要彻底清理底材，重新涂装配套产品体系才能有效防止腐蚀的加剧。要在产品的选择上，从防腐防火一体化的产品去解决，一是要保证旅客生命的安全性的高性能防火涂料，二是要考虑高耐候性使用年限的长久性的防腐配套底中面漆，相容性优异。

4.4 建立雨棚钢结构的定期维修技术标准

铁路总公司的领导已经意识到了雨棚钢结构病害的影响，多次召开专业会议及试点项目探索，鉴于目前我们还没有一套行之有效的维修技术标准，行业的同仁也在积极着手标准的起草及制定。

建立完善高铁雨棚钢结构涂层防腐防火一体化养护维修的技术标准和工艺标准，重点大大提高涂层的耐久性，防火安全的有效性以及施工过程的快捷性，进一步提高天窗点的有效利用率。

当然，高铁车站雨棚腐蚀成本是巨大的，但是腐蚀防火防护有效措施到位，25%-40% 病害损失可以避免，减少腐蚀损失，上海铁路局上海房建段倡导“理念重视，专项资金，集中整治，施工专业。主动防腐、安全防火，绿色防腐，长效使用！”