鐵路車站雨棚鋼立柱防火涂料劣化機理研究

伊鐘毓，杜 瑋，左強新，王 濤 ，封 雷，孫 岳

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081；2. 中國鐵路北京局集團有限公司石家莊站，河北石家莊 050004）

1 引言

鋼結構防火涂料是鋼結構外表涂刷的重要防火材料，其種類較多。根據防火涂料的厚度可分為厚型防火涂料、薄型防火涂料、超薄型防火涂料。目前，鐵路車站雨棚鋼立柱普遍采用的是厚型無機防火涂料。鐵路車站雨棚鋼立柱防火涂料應按照CECS 24-90《鋼結構防火涂料應用技術規范》和原中國國家鐵路總公司客站總指函[2010]61號《關于加強站房、雨棚外露鋼結構細部制作及涂裝質量控制的通知》要求的施工工藝和施工條件組織施工。而隨著鐵路車站雨棚鋼立柱服役年限的延長，大部分車站雨棚鋼立柱開始出現了涂層脫落和銹蝕現象，進入維修期。防火涂料脫落、掉塊問題不但影響旅客出行體驗，還會造成重大的安全隱患，故分析防火涂料的劣化脫落原因是十分必要的。

本文在現場調研的基礎上，對現場取回脫落的防火涂料掉塊進行面漆附著力測試、燃燒測試以及微觀分析，對其整體性能進行評價，研究其劣化機理，分析防火涂料劣化的原因，為鋼立柱防火涂料劣化研究提供參考及理論依據。

2 鐵路車站雨棚鋼立柱防火涂料病害情況

隨著雨棚鋼立柱使用年限的延長，鋼結構整體涂層存在不同程度的外表銹蝕、局部涂層脫落和面漆粉化情況。如圖1所示，部分雨棚鋼立柱防火涂層附著力減弱，造成開裂、空鼓及脫落現象，或呈現塊狀脫落。病害的發生不但影響美觀，而且產生了極大的安全隱患。涂層脫落處有些位置的鋼結構基材已經完全暴露在環境中，并且已經產生銹蝕現象，隨著服役年限的繼續增加，銹蝕還會產生進一步的拓展，影響整體鋼結構的強度。

圖1 雨棚鋼立柱防火涂料脫落情況

雨棚鋼立柱防火涂料病害發生位置分布呈現一定的規律性。如圖2所示，靠近鐵軌一側或通過線防火涂料脫落情況較為嚴重，而外側或停車線的防火涂料脫落情況則相對較輕，這是由于列車通過時引起振動及風荷載不同，導致脫落情況不同。線間露天雨棚柱常年受風吹、日曬、雨淋，日積月累造成面漆與防火涂層、防火涂層與底漆間粘結強度下降、涂層開裂，雨水經裂縫滲入內部，隨氣溫熱脹冷縮，導致涂層脫落。相比之下，受雨棚遮擋保護的雨棚柱，受外部影響較小，很少發生涂層脫落現象。

圖2 通過線雨棚鋼立柱防火涂料脫落情況

站房雨棚立柱在出廠時，為防止銹蝕，常常會在表面涂刷一層防銹漆，導致防火涂料的施工界面較為復雜，界面狀態如圖3所示，故鐵路鋼結構涂裝施工環境相對非鐵路鋼結構工程受影響干擾多。若此層底漆處理不徹底，或基材銹蝕嚴重，會導致防火涂料與基材的附著力不足，從而脫落。

3 鋼結構防火涂料劣化機理分析

為進行鋼結構防劣化機理分析，從現場提取兩種樣塊，一種為防火涂料脫落的掉塊，另一種為鋼立柱出廠時在表面上涂刷防銹漆的碎片。

分別對鋼立柱防銹漆進行成分分析，對現場取回脫落樣塊進行面漆附著力、燃燒性能測試及微觀分析。其中現場掉塊的厚度在3～8 mm之間，厚度不均勻，具體厚度分布如圖4所示。

圖4 脫落掉塊厚度

3.1 鋼立柱表面防火涂料成分分析XRF

對如圖5所示碎片中的鋼立柱防銹漆進行X射線熒光光譜分析（XRF）以及紅外光譜分析，得出其元素含量如表1所示，根據其元素成分比例，判斷防銹漆的類型。

表1 鋼立柱防火涂料XRF分析 %

圖5 鋼立柱出廠時所附著的防銹漆碎片

由XRF分析可知，樣品中有較高含量的Zn。從紅外光譜如圖6所示的結果可知，3 000 cm-1處附近出現O-H伸縮振動，1 600 cm-1處附近為C-H伸縮振動，1 500 cm-1附近為苯環伸縮振動，829 cm-1處為C-O-C的伸縮振動峰。由以上分析結果推導可得，該防銹漆為環氧富鋅漆。

圖6 鋼立柱表面防火涂料紅外光譜

3.2 面漆附著力實驗

現場取樣的防火涂料掉塊為厚型防火涂料，厚度約為7 mm，料塊外觀如圖7所示，對其進行面漆附著力實驗。

圖7 現場取樣的脫落的防火涂料塊

在脫落涂料塊表面取3個點，按照GB/T 14907-2018《鋼結構防火涂料》中規定的方法進行附著力測試。結果顯示，3個點的附著力均大于2.30 MPa，全部為內聚破壞，結果證明面漆的附著力符合標準。由此可得，防火涂料脫落的發生是由于防火涂層與底層或基材附著力不足導致的。實驗結果表明，為測試防火涂料附著力的大小，應對涂層進行現場拉拔試驗，并深入到基材表面進行測試，這樣即可測試涂層體系與基材附著力的大小。

3.3 燃燒實驗

對現場取回的脫落防火涂料掉塊進行燃燒實驗，使用酒精噴燈燃燒防火涂料表面，約30 s后防火涂料即被燒穿。經燃燒實驗后的掉塊表面形態如圖8所示。實驗結果表明，在自然環境中長時間服役，部分防火涂料已經失去防火效果。

圖8 脫落的防火涂料燃燒性能分析

3.4 微觀分析

為從微觀角度分析防火涂料的劣化機理，對掉塊樣品進行了X射線衍射分析（XRD）、熱重分析（TG）及掃描電子顯微鏡能譜儀（SEM-EDS）能譜分析。

3.4.1 XRD 分析

對防火涂層進行X射線衍射分析，結果如圖9所示。

圖9 防火涂層XRD分析

通過XRD分析得知，其中間層出現了二氧化硅 、二氧化鈦 、碳酸鈣 、云母的晶體結構，說明防火涂料配方中含有二氧化硅、二氧化鈦、碳酸鈣（氧化鈣）、云母等助劑。

3.4.2 TG 分析

對防火涂料掉塊進行熱重分析，結果如圖10所示。在238 ℃左右涂料中的樹脂類組分開始快速分解，在704 ℃附近，碳酸鈣等組分發生分解。分析結果表明，該防火涂料組分以無機物為主。

圖10 防火涂料掉塊的熱重分析圖

3.4.3 SEM-EDS 分析

對樣塊防火涂層進行SEM分析，從SEM圖中可以看出涂層中含有纖維狀物質、片狀物質、顆粒物質。SEM圖像如圖11所示。

圖11 防火涂層的SEM圖像

對樣塊防火涂層進行EDS分析，所含元素比例如表2所示，片狀物質含有硅、鋁、氧、鉀元素等，與云母粉元素含量一致，故可推導出片狀物質為云母粉。纖維狀物質主要含有硅、鋁、氧元素等，故可推導出纖維物質為硅酸鋁纖維。底層出現的鐵銹成分，證明鋼結構在涂刷防火涂料時或者經長時間服役，基材已生銹，這可能是涂料附著力低下的原因之一。

表2 防火涂層的EDS能譜分析 %

對涂層底面進行高倍的SEM分析，結果如圖12所示。

圖12 防火涂層底部的高倍SEM圖像

其表面有很多孔洞類結構，致密性不高，這也可能導致涂層的附著力不強，出現脫落。

4 總結

綜上所述，導致站房雨棚鋼立柱防火涂料劣化原因有以下幾個方面。

（1）試驗的防火涂料面漆附著力符合標準，故推測脫落是由于涂裝體系本身與基材的附著力不高，導致其在較長服役時間后產生脫落。

（2）列車高速通過站房時會產生高頻的振動，加之雨水、日曬等自然環境的侵蝕，以及滲入水分隨氣溫熱脹冷縮等這些因素，加速了涂料劣化脫落的過程。

（3）基材表面存在鋼立柱出廠時的防銹漆，且部分表面已經產生銹跡。這就在涂裝體系本身與基材附著力不足這一基礎上，進一步降低其涂裝體系與基材的附著力，導致防火涂料劣化脫落。

根據以上結果，建議后續施工及檢查時，將附著力拉拔試驗做到基材表面，以測試防火涂料與基材的附著力是否合格。并對已進行耐環境實驗后的防火涂料進行燃燒實驗，測試其模擬自然服役環境后，涂料的耐火性能是否達標。