滬杭高速鐵路雨棚鋼結構防腐涂裝體系的研究

沈海興

(滬杭鐵路客運專線股份有限公司，上海 200237)

1 雨棚防腐蝕涂料、防火涂料及其涂裝體系

1.1 防腐蝕涂層的作用

對于一般環境的鋼結構而言，采用涂料防腐蝕是當今防腐蝕中主要的也是最為有效的手段。它是通過涂裝施工形成一種物理或化學屏障——漆膜，阻止和隔絕腐蝕介質水和空氣與鋼鐵表面接觸，達到保護鋼鐵的目的。在進行涂裝設計時必須考慮以下條件:鋼結構的條件(Structure)、涂料配套體系(Paint)、鋼結構的表面處理(Cleaning)和涂裝施工(Working)4個方面，簡稱為SPCW。

為了保護鋼結構不受腐蝕，延長鋼結構使用壽命，國內外常采用涂層進行防腐蝕保護。防腐蝕涂料涂覆在鋼鐵表面，成膜固化后形成硬實的防腐蝕涂層，并通過涂層的以下作用防止鋼鐵表面腐蝕。

(1)屏蔽作用:鋼鐵表面電化學腐蝕的基本條件是在鋼鐵表面必須有水、氧、離子的存在和離子、電子的流通(導電)。防腐蝕涂層能阻止水、氧、離子透過涂層達到鋼鐵表面。其次涂層還能阻擋酸堿鹽及工業大氣的直接化學腐蝕。

(2)緩蝕作用:在防腐蝕涂層中(特別是底漆中)含有化學防銹顏料，當有水存在時，能從這些防銹顏料中解離出緩蝕性離子，這些離子又能使腐蝕電池的一個電極或兩個電極極化(或稱鈍化)，抑制腐蝕進行，故緩蝕作用能彌補屏蔽作用的不足，反過來屏蔽作用又能阻止緩蝕離子的流失，使緩蝕作用穩定持久。

(3)陰極保護作用:在涂料涂層中如果有比鋼鐵更活潑的金屬(電位更低的金屬)粉末，如鋅粉或鋁粉等，它們能對鋼鐵形成犧牲陽極，只要這些活潑的金屬粉末含量達到使金屬粉顆間及金屬粉與鋼鐵底材之間達到點接觸的程度，就能使鋼鐵免受腐蝕。

1.2 防火涂層的作用

為了提高鋼結構的耐火極限，一般都需要對鋼結構建筑構件進行防火保護。最具典型的防火保護措施是涂敷防火涂料減緩火災下的升溫，從而增加鋼結構構件的耐火極限。這種方法施工簡便、質量輕、耐火時間長，而且不受鋼構件幾何形狀限制，具有較好的經濟性和實用性。

我國有80%左右的鋼結構采用防火涂料保護，檢測帶防火涂層的鋼結構耐火極限不但是鋼結構設計的重要依據，也是對鋼結構防火涂料性能的最重要的評價標準。

鋼結構防火涂料品種較多，通常根據高溫下的涂層變化分為膨脹型和非膨脹型兩大系列［1］。膨脹型防火涂料又稱為薄型防火涂料，厚度一般為2～7 mm。涂層厚度在3 mm以下的為超薄型;涂層厚度在3～7 mm的為普通型。其基料為有機樹脂，配方中還含有發泡劑、碳化劑等成分，遇火后自身會發泡膨脹，形成比涂層厚度大十幾倍到數十倍的多孔碳質層。多孔碳質層可以阻擋外部熱源對基材的傳熱，如同絕熱屏障，用于鋼結構防火，耐火極限可以達到0.5～1.5 h。非膨脹型防火涂料又稱為厚型防火涂料，其涂層厚度為7～50 mm。

1.3 防腐涂層與防火涂層的兼容性

雖然現在室內型防火涂料上可以不覆涂，但是考慮到站臺雨棚屬于半露天結構，對防火涂料的耐久性要求較高。防火涂料的耐紫外光照射性能較差，因此導致了防火涂料的粉化、剝落等現象。經已建站臺鋼結構雨棚現狀調查，防火涂料外加面漆時通常會出現如下問題:(1)兼容性差;(2)附著力低;(3)防火涂料膨脹開裂與面漆的剝落。因此針對這些問題，進行了有關二者結合情況的試驗和分析，并發現在涂裝過程中，防火涂料的厚度均勻，與面漆結合較好，面漆表面光滑;同時防火涂料與面漆的附著力大于防火涂層層間附著力，可以提供防火涂料足夠的保護功能。

1.4 大型鋼結構防腐蝕涂料及其與防火涂料的配套體系

目前大量采用鋼結構構件并兼有防火要求的建筑有體育場館，大型展覽館，火車站站臺雨棚、候車室等。通過對各種已建成的大型鋼結構涂裝體系資料的調查總結可知，一般涂裝設計方案為［2］:鋼結構表面噴射處理/底漆/環氧云鐵中間漆防火涂料(面漆)，涂層厚度根據腐蝕環境而定。要求底漆與鋼材表面拉開法附著力不小于3.5 MPa。

防銹底漆的防腐功能主要通過防銹顏料發揮作用，常用的底漆有:環氧富鋅底漆、水性富鋅底漆、環氧磷酸鋅底漆、無機鋅底漆等;常用的中間漆一般都為環氧云鐵中間漆;防火涂料一般采用超薄型丙烯酸類防火涂料;面漆性能較好的有聚氨酯面漆，這也是使用最為廣泛的一種大眾化面漆。近年來，聚硅氧烷和氟碳涂料的發展迅速，在耐候性、色澤等方面有了進一步提升，可作為高檔面漆。

2 造成腐蝕的大氣環境與機理分析

2.1 造成腐蝕的大氣中的氣候因素

根據文獻［3，4］，大氣中的氣候因素直接影響著大氣的腐蝕作用，其中包括大氣中的相對濕度、表面潤濕時間、日照時間、氣溫、降雨、降塵等因素。

2.2 鋼結構腐蝕環境分類

《大氣環境腐蝕性分類》(GB/T15957—1995)在1996年8月1日起正式實施，主要針對普通碳素鋼在不同大氣環境下的腐蝕類型及其與相對濕度、空氣中腐蝕性物質的對應關系作了規定［3］。它可以作為碳素鋼結構在各種大氣環境選擇防腐蝕涂料系統的依據。雨棚鋼結構的腐蝕環境主要是大氣腐蝕，涉及到所有的大氣腐蝕類型，其中腐蝕性最強的是工業大氣和海洋大氣。

2.3 滬杭高速鐵路雨棚鋼結構的大氣腐蝕環境等級

(1)長三角地區年平均氣溫變化 上海氣候中心一份最新研究報告［5］指出，最近50多年來長江三角洲城市地區的氣溫在升高，特別是20世紀80年代中期開始變暖趨勢更加明顯。近年來，上海、杭州、嘉興等城市的年平均氣溫都在18℃左右［6］，氣溫越高，與相對濕度共同作用可加速鋼結構腐蝕。

(2)長三角地區降水變化與酸雨 長江三角洲已成為我國兩個主要的酸雨控制區之一，幾乎整個長三角地區都處于酸雨的威脅中，降水pH值逐年下降。2006年的統計表明［7］，上海、江蘇、浙江降水pH平均值分別為4.73、5.1和4.3，酸雨頻度分別為56.4%、38.6%和91.6%。三省市中浙江的酸雨發生頻率最高、強度最大、范圍最廣。

(3)相對濕度 根據2005年對上海、杭州周圍大氣環境調查［8］，年相對平均濕度約為60.6%，全年僅有3、4、11、12月份相對平均濕度低于60%，其余均處于60%～75%。

滬杭高速鐵路所處長三角地區工業污染較大，根據近年來氣候以及大氣污染物排放等數據統計，雨棚為露天結構，因此在確定雨棚的腐蝕環境等級時，考慮長三角地區的C3腐蝕環境等級基礎上，將雨棚腐蝕等級提升至國際標準化組織ISO推出的ISO12944標準中的C4等級，并以ISO12944中建議的C4等級的涂料種類以及涂層厚度來進行滬杭高速鐵路站臺雨棚的防腐涂層體系的對比篩選實驗、分析。

3 影響防腐涂層劣化的因素分析

3.1 涂層劣化的過程與機理

鋼結構防腐蝕涂層在大氣環境下的劣化主要與腐蝕性離子在涂層內部的傳輸、基體腐蝕、涂層起泡等因素有關，而有機涂層的微觀缺陷在此扮演了很重要的角色，因為它們的存在可以加快水、氧、其他腐蝕離子在涂層內部的傳輸。這些微觀缺陷可能存在于涂層表面、涂層內部或者從涂層表面直通到金屬基體。

3.2 長三角地區既有雨棚鋼結構的腐蝕特點

長三角地區所處大氣環境相似，調研目前滬寧鐵路和新長鐵路現有鋼結構站房雨棚的涂層狀況，對滬杭高速鐵路建設中的站房雨棚鋼結構的涂層設計與施工具有一定指導意義。

雨棚結構大致可分為頂部露天結構、頂部橫梁、站臺立柱等部位，通過調研結果可知。

(1)立柱 粉化，剝落，污染嚴重，有銹蝕出現，根據對涂層厚度的測試，涂層厚度在1 000 μm以上，防火涂料表面無面漆，防污染性差。而且根據觀察，經常暴露在日曬雨淋條件下的涂層龜裂、剝落以及鋼結構的銹蝕較嚴重。

(2)頂部露天結構 頂部雨棚擋板涂層粉化，剝落比較嚴重，集中出現在朝陽的一面。說明涂層的耐候性不高，因為這部分鋼結構長期暴露在日曬雨淋下，建議考慮采取重防腐措施。

(3)頂部橫梁 頂部橫梁涂層的剝落通常出現于某一處，集中于一根梁上，分析其原因為:該處涂層腐蝕環境較差，該根梁涂裝時表面處理不好或涂裝厚度薄。銹蝕處通常出現在焊接部位，一般為點狀銹蝕，因與焊渣處理的不完全從而導致涂層覆蓋不均勻有關。

根據調研的結果總結雨棚鋼結構的腐蝕特點為:

(1)因為表面處理不到位，部分漆膜起泡鼓起，從鋼結構表面脫離;此時鋼結構失去保護，容易出現銹蝕;

(2)日曬雨淋時間較長的部位，涂層更容易失效、龜裂、粉化，既影響美觀，也會使鋼結構失去保護，縮短鋼結構使用壽命;

(3)鉚釘、螺栓或其他連接物，焊接處，豁縫(特別是跳焊或靠在一起的表面);重疊表面(例如:水儲槽的頂板);定位拙劣或錯綜安排的角鐵;螺紋狀區域;不相似的金屬;銳邊，特別是那些角落，或粗糙切割的板材;結構輔助物等難以到達的區域也容易出現涂裝不當，從而導致這些部位銹蝕。

在上述站臺涂層體系中，最突出的問題是在防火涂料上并未再涂裝耐候性較好的面漆，雖然室外型防火涂料有一定的耐候性，但是在長期的日曬雨淋下，為了確保涂層的使用年限，推薦使用與防火涂料配套性較好的面漆，面漆的耐候性以及抗污性將明顯提高涂層的美觀以及使用年限。

這幾處調研的站房基本在同一時期建造，距今在5年左右，按照對涂層使用壽命的預測與要求，涂層的使用壽命應該在10年以上，目前看來涂層的劣化程度已經不能確保對鋼結構的保護功能。這與涂層體系的設計密不可分。涂層體系設計的步驟應該包括:涂層使用環境的污染等級調查—確定污染等級—根據標準確定該污染等級適用的防腐涂層體系—試驗涂層與防火涂料的配套性—選擇幾種合適的體系及不同廠家的涂料進行涂料類型及廠家的篩選(防腐性能的差異)—制定涂層完整的施工手冊。

4 比對涂層體系及涂裝方式確定

4.1 比對涂層體系

確定涂層體系方案之前，必須掌握防腐蝕材料的性能在雨棚的使用環境下會發生如何變化，還必須判斷防腐蝕材料在設計壽命限期內以怎樣的失效規律和速度達到使用年限。就是說要按照雨棚的重要程度、養護管理的難易程度等合理選定防腐蝕材料，再在施工中進一步確認其性能。在此基礎上，對防腐蝕材料在雨棚鋼結構設計壽命期限內的劣化以合理的精度加以預測是很有必要的。根據上述對防腐蝕材料的分析，策劃養護管理計劃。

對于具體條件而言，選擇最合理的腐蝕防護系統并不是一件很簡單的事情。在選擇過程中會涉及到諸多因素，并且最終的選定也可能只是一種折中的方案。

尤其必須考慮以下問題:

(1)所選系統必須抵抗的外部條件(大氣環境條件);

(2)各種系統抵抗這種條件的能力;

(3)對于能夠提供必要防護的涂層，必須考慮其他問題的特點(比如養護管理)，以提供一條經濟的解決途徑。

根據涂層保護的機理，綜合滬杭高速鐵路站臺雨棚所處環境等級達到ISO12944中的C4等級，涂裝中影響涂裝質量因素，以及現有鋼結構站臺腐蝕現狀等因素，確定實驗用涂層的體系種類以及厚度如表1所示。

表1 防腐蝕底漆比對用體系種類及厚度

通過對不同廠家底漆的篩選以及底漆種類的篩選，面漆選用聚氨酯、聚硅氧烷、氟碳3種作對比，防火涂料則選用丙烯酸類防火涂料作比較。

4.2 涂裝方式

(1)底材表面處理

①鋼結構表面應平整，底材處理前應對銳角進行打磨處理，使其R=2 mm(銳角打磨后的弧度)。

②在進行噴砂或拋丸除銹前，應對鋼結構表面的氧化皮、焊渣、灰塵、毛刺、鐵銹、油污、水分、鹽分等污染物進行徹底的清除。

③采用噴砂或拋丸法對基材表面進行處理，按GB/T8923—88標準，使其達到Sa2.5級;用目測法觀測，鋼材表面應無可見的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹等。

④噴砂后表面粗糙度應達到40～70 μm，采用觸針式粗糙度測定儀進行測定。

⑤經噴砂或拋丸處理并達到規定要求的基面，經真空吸塵、壓縮空氣吹凈或用干凈毛刷除塵后，在5 h內涂上底漆。

(2)在經過處理并達到規定要求的鋼結構表面上，測量涂裝時溫度、濕度等，確定可以達到涂裝要求的各因素，采用高壓無氣噴涂，漆膜干燥24 h以上，進行下次涂裝。每次復涂前，清潔表面。

4.3 結論

(1)防腐與防火材料兼容性良好，面漆的覆涂并不影響防火涂料的起泡，起泡時間與未覆涂前完全一致，在防火涂料完全碳化后，面漆也未從防火涂料上脫落。

(2)長三角大氣環境腐蝕性分類為C3。考慮到雨棚為露天結構，因此在確定雨棚的腐蝕環境等級時，考慮長三角地區的C3腐蝕環境等級基礎上，將雨棚腐蝕等級提升至ISO12944中的C4等級。

(3)大氣環境下的腐蝕主要表現為銹蝕。影響銹蝕速度的因素有:環境的溫度、濕度、大氣中的酸性污染物濃度、電解質微粒漂浮物等。

(4)后續耐久性研究采用的對比涂層體系的種類及厚度確定為表2所示的耐久性體系。

表2 耐久性對比體系

5 結語

本文通過調研分析滬杭高速鐵路沿線大氣環境，確定鋼結構腐蝕環境等級;考察長三角地區典型客站鋼結構涂裝劣化狀況和特征，為滬杭高速鐵路新建客站鋼結構涂裝體系選擇和施工方法選定提供依據;對涂裝體系的可維護性和維護材料、防火涂層與防腐涂層相容性進行研究。隨著高速鐵路建設的快速推進，鋼結構應用的日益廣泛，鋼結構的防腐防火必定成為鐵路建設中的一道關鍵步驟，鋼結構涂層體系的維護也會越來越受到重視，其直接影響人們的視覺美觀以及鋼結構體系的使用壽命，對其的重視必將提高鋼結構的使用壽命以及鐵路的安全運營質量。

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