鐵路工程高大空間鋼結(jié)構(gòu)銹蝕治理技術(shù)研究

于連齊，韓雪瑩

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南 250000）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應用于建筑領(lǐng)域，建成后由于受環(huán)境中水、空氣的不斷侵蝕，鋼結(jié)構(gòu)外部的防腐涂裝會出現(xiàn)局部脫落等，引發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)銹蝕，嚴重影響鋼結(jié)構(gòu)安全。

通過調(diào)查國內(nèi)鐵路工程發(fā)現(xiàn)，鐵路項目中的高大空間鋼結(jié)構(gòu)工程等隨著投入使用時間的延長，同樣不可避免地出現(xiàn)了鋼構(gòu)件銹蝕現(xiàn)象。例如，北京南站、徐州東站、南京火車站、青島火車站、秦皇島火車站等鐵路工程高大空間鋼結(jié)構(gòu)中，鋼構(gòu)件表面均出現(xiàn)了涂裝材料脫落和銹蝕現(xiàn)象。現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)銹蝕后的治理方案[1-2]存在對基層處理要求高、施工工序復雜、污染環(huán)境、在鐵路項目中并不適用等問題。因此，需研發(fā)一種新型鋼結(jié)構(gòu)銹蝕治理技術(shù)，既能滿足使用要求又能針對鐵路的現(xiàn)場實際情況進行快速高效施工。

2 鐵路工程高大空間鋼結(jié)構(gòu)銹蝕治理的特點

與鐵路運營有關(guān)的大型鋼結(jié)構(gòu)工程建成后的銹蝕處理，在施工條件方面極其受限，顯著區(qū)別于一般民用建筑的施工，主要體現(xiàn)如下。

2.1 施工時間受限

為確保高鐵運行不間斷，一般的維修工程施工只能在不影響運營的夜間（行業(yè)內(nèi)部稱“天窗點”時間段）進行，經(jīng)常在午夜0 點至凌晨4 點之間。天窗時間長短根據(jù)鐵路運行圖而定，這種情況一方面造成人員窩工現(xiàn)象突出、施工效率低下；另一方面，對每道工序有時間限制要求的銹蝕維修工程，給施工組織也帶來較大難度。

2.2 外部天氣條件不利

凌晨是一天內(nèi)溫度最低、濕度最大的時段，此時段施工銹蝕處理，對鋼材面和涂層的快干要求十分不利。

2.3 高空作業(yè)難度大

鐵路大型鋼結(jié)構(gòu)如無站臺柱雨棚等，屬于高大空間工程。其跨度大、凈空高度高，施工人員夜間高空作業(yè)，施工難度較大。

2.4 安全防護要求高

銹蝕維修雖然可在天窗時間內(nèi)施工，但人員、設備及施工均在線路上方或附近范圍，必須做好現(xiàn)場的各種安全防護，確保人員及線路的安全。

2.5 環(huán)保要求

由于施工均在白天旅客較為集中的站內(nèi)區(qū)域進行，因此，要求使用的涂料及施工工藝盡量減少有毒氣體的排放，做到綠色環(huán)保。

3 解決銹蝕維修工程的技術(shù)關(guān)鍵

1）低表面處理：鋼結(jié)構(gòu)表面處理采用手工或小型動力工具，無明顯油污和附著不牢的鐵銹，達到ST2 級即可。由于施工在車站內(nèi)部，大型打磨設備無法進入現(xiàn)場，機械打磨方式對站內(nèi)環(huán)境污染干擾也較大，因此，低表面處理這一點尤為重要，在滿足防腐要求前提下，簡化涂層的結(jié)構(gòu)體系，減少涂刷遍數(shù)。

2）涂料快干，最大化地縮短每道工序的施工時間，滿足夜間低溫施工。

3）臨近線路的結(jié)構(gòu)振動變形大，涂料的自身彈性變形能力好。

4）站內(nèi)施工，涂料綠色環(huán)保。

4 LEAC- 21 及LEAC- 24 防水涂料作為防腐涂料的介紹

LEAC-21 丙烯酸聚合物水泥防水涂料[3]是由特制的水泥基粉劑和具有不同玻璃化溫度的耐水性丙烯酸高分子乳液所組成的雙組分防水涂料。LEAC 防水體系結(jié)構(gòu)是：化學網(wǎng)復合物理網(wǎng)，形成雙網(wǎng)互穿、雙網(wǎng)合一的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。雙網(wǎng)復合實現(xiàn)了極好的力學指標，形成了超強的拉力及滿黏抗裂性能。

LEAC-24 裝飾性涂料是由特種乳液和無機顏填料（粉劑）組成的高彈復合功能的裝飾涂料，是集裝飾、防水、防腐多功能為一身的復合涂料。

通過分析鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的原因[4-5]，涂層的“屏蔽”作用發(fā)揮應有的功效成為防腐的關(guān)鍵，防水涂料最突出的優(yōu)勢即為防水和阻止各種離子滲透。LEAC 丙烯酸聚合物水泥防水涂料，具有優(yōu)良的耐水性、耐候性、耐腐蝕性、彈性及與各種材料的良好黏結(jié)性，使防水涂料應用于鋼結(jié)構(gòu)防腐成為可能。

5 LEAC防水涂料作為防腐涂料的試驗研究

以鋼結(jié)構(gòu)防腐性能為中心，結(jié)合鐵路工程的特點，依據(jù)ISO 12944 Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems 所規(guī)定的防腐蝕涂料相關(guān)技術(shù)標準及Q/CPZHB012 中核北研防腐蝕涂料企業(yè)標準，通過制作近100個樣本進行防腐性能試驗，研究LEAC 防水涂料在鋼結(jié)構(gòu)防腐治理中各項性能指標，試驗樣品的制作及試驗過程如圖1、圖2 所示。

圖1 試驗樣品制作

圖2 小型反應釜

6 試驗研究成果及鐵路工程適用條件分析

本文所有樣品分別在北京建筑材料檢驗研究院有限公司及國家建筑材料測試中心進行試驗研究，根據(jù)提供的材料樣品檢驗報告，得出如下結(jié)論。

1）通過試驗研究，LEAC-21 及LEAC-24 防水涂料的固體含量≥70%；無處理拉伸強度≥0.7 MPa；無處理斷裂伸長率≥100%；經(jīng)過加熱、堿、浸水、紫外線等各種嚴苛條件下處理后，LEAC 涂膜的拉伸強度可以保持在80%以上，也就是拉伸強度達到1.36 MPa 以上；LEAC 涂膜的斷裂伸長率可以達到160%以上。因此，其良好的拉伸強度及斷裂伸長率在鐵路高大空間鋼結(jié)構(gòu)工程銹蝕治理中相較于其他剛性涂膜，具有很大的優(yōu)勢。

2）抗氯離子滲透性檢驗報告（見圖3）顯示：聚合物水泥防水涂料抗氯離子滲透性為4.7×10-4mg/（cm2·d），符合JTS/T 209—2020《水運工程結(jié)構(gòu)防腐蝕施工規(guī)范》中的標準5.0×10-3mg/（cm2·d）。

圖3 LEAC涂料抗氯離子滲透檢驗報告

3）LEAC 丙烯酸聚合物水泥防水涂料經(jīng)歷5 000 h 的人工氣候老化后，外觀無起泡、無開裂現(xiàn)象。檢驗報告中指出，涂膜粉化等級為1 級：即很輕微，試布上可觀察到微量顏料粒子；變色等級為1 級：即很輕微變色。

4）試驗選取了鋼板、玻璃、瓷磚釉面及PVC 管為基層分別對涂料的黏結(jié)強度做了相關(guān)試驗，聚合物水泥防水涂料與鋼板的黏結(jié)強度為1.3 MPa、與玻璃的黏結(jié)強度為1.3 MPa、與瓷磚釉面的黏結(jié)強度為1.0 MPa、與PVC 材料的黏結(jié)強度為1.0 MPa。

5）LEAC-21 涂料干燥時間的檢驗報告中，試驗結(jié)果表干時間僅為0.9 h，實干時間1.6 h。鐵路工程中天窗時間一般為3 h 左右，LEAC-21 涂料，一個天窗時間內(nèi)可以涂裝2 遍，基本就完成了LEAC 涂料涂裝厚度的要求，極大地提高了施工效率。

6）耐鹽霧時間是衡量鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料的一個重要指標，LEAC 涂料耐中性鹽霧時間是1 000 h；LEAC 涂料經(jīng)過1 000 h的中性鹽霧腐蝕，其起泡等級、剝落等級、生銹等級級開裂等級均為0 級。1 000 h 的鹽霧對LEAC 涂膜保護下的鋼材未產(chǎn)生任何腐蝕，LEAC 涂料比常用防腐蝕涂料具有更優(yōu)秀的耐中性鹽霧能力。

7）LEAC-24 型式檢驗報告顯示：（1） 固體含量63%≥55%；（2）干燥時間（表干）0.5 h≤1 h；（3）耐沾污性（白色和淺色）14%≤20%；（4）耐洗刷性4 000 次，漆膜無損壞≥2 000次；（5）耐人工加速老化性（白色和淺色，1 000 h）為不起泡、不剝落、無裂紋，粉化等級小于0 級，變色等級0 級；（6）涂膜硬度HB≥HB。均滿足防腐涂料的相關(guān)要求。

LEAC24 涂料作為混凝土裝飾性涂料，有其優(yōu)良的性能，根據(jù)實際工程經(jīng)驗，在鐵路工程高大空間鋼結(jié)構(gòu)銹蝕治理過程中，LEAC 涂料使用方便、快捷、耐久性強。

7 鐵路工程高大空間鋼結(jié)構(gòu)銹蝕治理應用

7.1 青島站無站臺柱雨棚

青島站無站臺柱雨棚于2008 年投入使用，鋼雨棚采用三跨拱形單層網(wǎng)殼屋面承重體系，由鋼管混凝土柱、方鋼管單層網(wǎng)殼屋面、鋼管桁架式邊支撐等組成。最高點28 m，水平投影面積6.3 萬m2。

7.2 銹蝕治理現(xiàn)場涂裝方案

股道上方的整修涂裝必須要點施工，根據(jù)濟南鐵路局建筑段下發(fā)《關(guān)于委托編制青島站雨棚銹蝕大修工程施工設計的函》(濟建技〔2015〕38 號)文中內(nèi)容，要點時間為180 min。依據(jù)整個工程的具體情況，制訂了現(xiàn)場施工方案。

1）施工環(huán)境要求：施工環(huán)境溫度為-10～40 ℃，相對濕度≤85%，不可在下雨時露天施工，涂裝后2 h 內(nèi)涂膜不可淋雨。

2）第一天施工：基層處理，鋼結(jié)構(gòu)表面銹蝕部位采用人工或動力除銹，除去基面粉狀浮銹及已氧化分層的片狀物，基面呈堅實基體，標準達St2 級。刷第一道底涂：輥涂、噴涂或刷涂防水侵蝕、防鹽霧腐蝕LEAC-21 涂料1 遍。第二天施工：涂刷第二道或第三道底漆，底涂總厚度為0.8mm。現(xiàn)場銹蝕治理過程如圖4 所示。

圖4 青島站無站臺柱雨棚銹蝕治理施工過程

3）面涂：輥涂、噴涂或刷涂LEAC-24 裝飾涂料2 遍，總厚度0.2 mm，顏色與既有雨棚顏色相同。

8 結(jié)語

考慮到維修工程不能中斷鐵路運輸?shù)奶厥庑裕ㄟ^認真研究鋼材腐蝕的原因、試驗分析LEAC-21 及LEAC-24 丙烯酸聚合物水泥防水涂料的部分性能指標可滿足防腐涂料的技術(shù)標準，并結(jié)合已完工的部分工程實例，認為采用LEAC-21 及LEAC-24 丙烯酸聚合物水泥防水涂料作為鋼結(jié)構(gòu)銹蝕處理的防腐涂層完全適合于鐵路工程，尤其體現(xiàn)在滿足鋼結(jié)構(gòu)防腐相關(guān)性能要求的前提下，可以有效解決短暫天窗時間內(nèi)施工的各種不利情況，并取得較好的綜合效益。本技術(shù)在鐵路客站等附屬鋼結(jié)構(gòu)工程修復中的應用具有非常重要的意義，極大地降低了施工過程對于客流組織和火車通行的影響，為類似工程的設計和施工提供了一種切實可行的技術(shù)參考方案，有著較高的推廣價值和廣闊的應用前景。