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        高鐵車站鋼結(jié)構(gòu)雨棚防火涂層病害的分析與研究

        2021-01-16 02:19:11曹偉峰中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海房建公寓段
        上海鐵道增刊 2021年1期
        關(guān)鍵詞:面漆雨棚型鋼

        曹偉峰 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海房建公寓段

        1 概況

        據(jù)鐵路總公司統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示運(yùn)營的高鐵站有1 100 多座,供電處正在進(jìn)行銹蝕病害情況摸底調(diào)查,防火涂料存在不同程度的空鼓、脫落、開裂等涂層嚴(yán)重缺陷,病害的集中區(qū)域在露天雨棚鋼結(jié)構(gòu)的屋面及鋼結(jié)構(gòu)立柱。

        高鐵車站通常都是占地面積大,建筑體量大、金屬屋面及鋼結(jié)構(gòu)跨度大,就拿京滬高客運(yùn)專線來說,沿途露天鋼結(jié)構(gòu)雨棚銹蝕嚴(yán)重,一直在不斷地修補(bǔ)式的整治,病害產(chǎn)生的原因在哪里?

        以一個車站鋼結(jié)構(gòu)雨棚整治工程為例,中國鐵路上海局集團(tuán)上海房建公寓段接迎上海進(jìn)出口博覽會契機(jī)對上海虹橋站52 736.5 m2鋼結(jié)構(gòu)雨棚涂裝進(jìn)行整治,以工程結(jié)束后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,鋼結(jié)構(gòu)雨棚立柱展開面積為6 237.8 m2,面漆脫落及鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的展開面積約為973 m2,占立柱總體展開面積的15.6%。上部管桁架的展開面積為46 498.7 m2,面漆脫落及鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的展開面積約為2 232 m2,占管桁架總體展開面積的4.8%。通過以上數(shù)據(jù)的對比可以看出立柱的漆膜脫落及鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的情況要遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于上部管鋼架的病害情況。

        按照GB 51249-2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》及TB 10063-2016《鐵路工程設(shè)計防火規(guī)范》的規(guī)定,線間鋼結(jié)構(gòu)立柱12 m 耐火等級為二級,耐火極限2 hrs 需要涂裝鋼結(jié)構(gòu)防火涂料進(jìn)行結(jié)構(gòu)防火保護(hù),而上部管桁架不需要涂裝防火涂料,這是造成立柱上漆膜病害情況遠(yuǎn)差于上部管桁架的主要原因。

        所以對雨棚立柱上涂裝的防火涂料及外部條件進(jìn)行分析,對研究立柱漆膜脫落嚴(yán)重的現(xiàn)象的研究有著重要的幫助。

        2 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的定義與分類

        2.1 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的定義

        防火涂料就是涂覆在被涂物的表面,能夠降低被涂物材料表面的可燃性、阻滯火災(zāi)的迅速蔓延,或是涂覆于結(jié)構(gòu)材料表面,用于提高構(gòu)件耐火極限的一類物質(zhì)。它具有普通涂料的裝飾性,更重要的是涂料本身具有的特性決定了它有防火保護(hù)的功能。

        根據(jù)GB14907-2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》的定義,施涂于建(構(gòu))筑鋼結(jié)構(gòu)表面,能形成耐火隔熱保護(hù)層以提高鋼結(jié)構(gòu)耐火極限的涂料,稱之為鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

        隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展,推動了建筑業(yè)的發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)由于其高強(qiáng)、高韌性、抗震、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在機(jī)場、體育館、大型商場、高鐵車站等高層及大跨度建筑上得到了廣泛的應(yīng)用。鋼材雖然屬于不燃燒材料,但它極易導(dǎo)熱,一般來說,可以認(rèn)為鋼材的機(jī)械強(qiáng)度隨溫度的升高而迅速降低,當(dāng)建筑鋼材的溫度達(dá)到540℃時,鋼材的支撐強(qiáng)度下降40%,失去支撐能力,而當(dāng)普通火災(zāi)發(fā)生時,僅需10 min,火場的溫度即可高達(dá)700℃,此時裸露的鋼構(gòu)件不可避免的發(fā)生變形,導(dǎo)致建筑物坍塌。因此,對鋼結(jié)構(gòu)作防火保護(hù)極為重要,其保護(hù)措施有很多,在實(shí)際工程中應(yīng)用最廣泛且最經(jīng)濟(jì)有效的方法是涂裝鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。它具有普通涂料的裝飾性,更重要的是當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時,在高溫下具有一定的隔熱效果,延緩鋼結(jié)構(gòu)升溫速度,為人員疏散和消防救火贏得寶貴的時間。

        2.2 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分類

        嚴(yán)格意義上來說,所有的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料都可分為膨脹型和非膨脹性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,而膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料又分為有機(jī)型和無機(jī)型,其中有機(jī)型應(yīng)用更廣泛。

        2.2.1 有機(jī)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機(jī)理

        有機(jī)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中通常含有“三大料”:酸源、碳源、氣源。三者缺一不可,它們在膨脹發(fā)泡和阻火隔熱過程中起著協(xié)同效應(yīng)。當(dāng)有機(jī)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料受熱時,酸源會催化碳源脫水成炭化物,同時氣源在受熱時會釋放出惰性氣體,這些惰性氣體會使得炭化物形成蓬松多孔、有封閉結(jié)構(gòu)的炭層,該炭層可以阻止熱源將熱量傳導(dǎo)至基材,另外多孔炭層可以阻止氣體擴(kuò)散,同時阻止外部氧氣擴(kuò)散至基材表面,這樣就延緩了鋼材的升溫。這種防火涂料的主要特點(diǎn)是裝飾性好,粘結(jié)強(qiáng)度高。

        2.2.2 無機(jī)膨脹型防火涂料的防火機(jī)理

        無機(jī)膨脹型防火涂料是以水玻璃為基料和發(fā)泡基體,添加其它材料所組成的防火涂料。涂層受熱時,堿金屬硅酸鹽所含的結(jié)晶水及水玻璃中氧鏈上羥基的脫水作用而使得涂層共融變軟,并且粘度較大,這時由于分解產(chǎn)生的氣體不能自由的排出,使得涂層產(chǎn)生了氣泡,形成了具有隔熱功能的多孔質(zhì)體——硅酸鹽泡沫狀隔熱層。這種防火涂料的主要特點(diǎn)是無毒,以及較低的原材料成本。

        2.2.3 非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機(jī)理

        非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料遇熱時涂層基本上不發(fā)生體積變化,形成釉狀熔融保護(hù)層。它能起隔絕氧氣的作用,使氧氣不能與鋼材接觸,繼續(xù)加熱,粘稠涂層會脫水并與其它填料的高溫凝聚相產(chǎn)物一起形成隔氧的釉狀涂層。釉狀涂層中常常含有吸熱載體,熱容較高、升溫速度較慢,但因涂層結(jié)構(gòu)致密,有利于接觸傳熱。這種防火涂料的主要特點(diǎn)是耐火性能優(yōu)異,但裝飾性差、粘結(jié)強(qiáng)度低,易空鼓、開裂、脫落,造成安全隱患。

        3 雨棚鋼結(jié)構(gòu)立柱漆膜病害的原因分析

        目前國內(nèi)大部分高鐵車站常規(guī)設(shè)計的防火涂料為水泥基厚漿型防火涂料,屬于非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,雖然防火效果滿足要求,但其還具有粘結(jié)強(qiáng)度低、耐水性差、吸水性大等缺陷,同時,外部環(huán)境的因素同樣對防火涂層失效有著巨大的影響,經(jīng)過調(diào)研,以下兩種因素是雨棚鋼結(jié)構(gòu)立柱涂層產(chǎn)生病害的主要原因。

        3.1 設(shè)計的配套性不合理

        車站鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計防腐防火保護(hù)的階段,應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足及對涂層保護(hù)的產(chǎn)品的不了解,設(shè)計方案存在一定的缺陷性。大跨度的鋼結(jié)構(gòu)雨棚及立柱存在熱脹冷縮、形變系數(shù)較大的問題,防腐涂料選擇需要具有優(yōu)異的機(jī)械性能適應(yīng)變形及熱脹冷縮。另外,在配套防火涂料的設(shè)計忽略了高速通過列車震動性,大多數(shù)設(shè)計中選擇了滿足2.5 h耐火極限厚漿型鋼結(jié)構(gòu)涂料,其附著力差,涂層達(dá)到18 mm-25 mm 的涂成熱脹冷縮系數(shù)與鋼結(jié)構(gòu)本身及裝飾性的膩?zhàn)硬牧贤耆灰粯樱瑢?dǎo)致空鼓開裂現(xiàn)象較多。設(shè)計的涂層產(chǎn)品體系防腐涂層與防火中涂配套性差,整體涂層相容性數(shù)據(jù)要求缺失。

        3.2 施工趕進(jìn)度漆膜質(zhì)量差

        “三分涂料,七分施工?!狈栏苛袭a(chǎn)品在建設(shè)時期,從鋼結(jié)構(gòu)工廠到建設(shè)工地,安裝時間長,產(chǎn)品施工工藝的沒有能在規(guī)定的時間內(nèi)及時進(jìn)行涂裝,還存在趕工期,涂層的涂裝養(yǎng)護(hù)時間不夠,尤其厚漿型防火涂料養(yǎng)護(hù)周期至少28 天以上,但在施工過程中往往被忽略,過早涂裝面漆,將水分密封在涂層內(nèi),給涂層的失效埋下隱患。

        高鐵建設(shè)工程中都是露天施工,存在雨雪天氣,往往為了趕工期進(jìn)度,沒有規(guī)避開這些不設(shè)施涂裝的環(huán)境,對當(dāng)時已經(jīng)失效涂層沒有及時鏟掉重新涂裝,導(dǎo)致線路開通沒有幾年便開始銹蝕脫落,在存在焊接部位的連接處這些問題更加突出。

        3.3 雨水的侵蝕

        腐蝕產(chǎn)生最主要的原因是濕度,金屬屋面的防水不到位或者失效給支撐鋼結(jié)構(gòu)造成腐蝕產(chǎn)生及加劇,排水管往往在下雨時候?qū)⒂晁刂繉記_刷下來。

        非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的涂裝過程中,經(jīng)常需要使用膩?zhàn)觼碚移酵繉尤毕?,然而防火涂料的熱脹冷縮系數(shù)與找平的環(huán)氧膩?zhàn)?、面漆完全不同,一旦立柱表層面漆涂層破損,防火涂層雖具備著一定的耐水性,但長期受雨水侵蝕,會造成防火涂層開裂進(jìn)水,使得防腐涂料長期處于堿性水的浸泡,加劇了鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕速率,最終腐蝕到鋼結(jié)構(gòu)本身,形成鐵銹,鐵銹的粘結(jié)強(qiáng)度很低,防火涂料比重大,因此產(chǎn)生了脫落及坑蝕現(xiàn)象。

        據(jù)根據(jù)收集南北分界的高鐵車站分析對照,南方及沿海城市的腐蝕速率更快,結(jié)構(gòu)腐蝕更厲害。

        3.4 行車震動導(dǎo)致防火涂料荷載大,附著力差

        高鐵行車會產(chǎn)生震動,立柱部位的振幅遠(yuǎn)大于上部管桁架,而非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的粘結(jié)強(qiáng)度較低,抗震動性較差,日積月累的行車震動導(dǎo)致了非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂層的脫落,致使鋼結(jié)構(gòu)表面外露,進(jìn)一步造成了鋼結(jié)構(gòu)腐蝕。

        GB 14907-2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的附著力標(biāo)準(zhǔn)≥0.15 MPa,高鐵時速350 km/h通過高鐵車站時及常規(guī)的車輛運(yùn)行的高頻振動,根據(jù)我們試驗(yàn)≥2.0 MPa能滿足高鐵行駛抗震動性的要求。

        上海虹橋站站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚立柱采用的就是非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,同京滬高線路同期開通的無錫東站等采用膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚相比,上海虹橋站雨棚鋼結(jié)構(gòu)立柱的涂層病害要嚴(yán)重的多。對比來看,涂裝防火涂料的立柱與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對比的話,網(wǎng)架較少見漆膜空鼓脫落及開裂,網(wǎng)架主要問題為銹蝕,立柱主要問題為開裂、空鼓、脫落及更嚴(yán)重的銹蝕,甚至產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性破壞坑蝕現(xiàn)象。

        4 病害的預(yù)防及整治

        通過上文的分析,高鐵車站鋼結(jié)構(gòu)立柱漆膜脫落及鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕的主要原因在于鋼結(jié)構(gòu)防火涂料??梢酝ㄟ^以下幾個方面來預(yù)防和整治。

        4.1 優(yōu)化防火涂裝體系的設(shè)計

        高鐵車站雨棚防火涂料不可采用非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,此類設(shè)計應(yīng)在后續(xù)新建高鐵車站中杜絕。建議使用膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料代替,膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料具有更高的粘結(jié)強(qiáng)度、裝飾性和耐水性,更高的粘結(jié)強(qiáng)度使得涂層有更好的高鐵抗震動性,同時膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料更加致密,使得涂層具有較好的耐水性,進(jìn)一步防止涂層脫落和基材腐蝕。

        4.2 加強(qiáng)日常的檢查與維修

        作為車站雨棚設(shè)備的管理部門的房建單位,在日常車站的巡檢中發(fā)現(xiàn)漆膜脫落的情況下,應(yīng)該及時的進(jìn)行面漆修補(bǔ),及時的阻止雨水的侵蝕破壞防火涂層的耐水性。

        此外應(yīng)將鋼結(jié)構(gòu)雨棚防腐涂層的修補(bǔ)納入房建單位的日常檢修的項(xiàng)目里來,日常定期鋼結(jié)構(gòu)面漆的修補(bǔ)會避免鋼結(jié)構(gòu)涂層的進(jìn)一步的銹蝕病害。

        4.3 徹底整修,防腐防火一體化實(shí)施

        以鋼結(jié)構(gòu)為主的車站及線路橋梁的高鐵工程中,早期沒有足夠引起對防火涂料質(zhì)量的重視和關(guān)注,大多采用厚漿型砂漿類防火涂料,粘結(jié)力差,容易造成開裂、空鼓及脫落的現(xiàn)象,以及鋼結(jié)構(gòu)荷載增大,對我們高鐵安全運(yùn)行造成了很大的不良影響。常規(guī)維修,都是局部哪里破損涂裝面漆,這樣是掩耳盜鈴,反而加劇了鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步腐蝕,會給結(jié)構(gòu)安全帶來巨大的隱患。

        由于既有高鐵車站運(yùn)行中,都是天窗點(diǎn)施工維修,鋼結(jié)構(gòu)正常養(yǎng)護(hù)不做,該檢不檢,檢了不修,修了都是摸雪花膏式樣涂裝面漆掛白措施,遠(yuǎn)看“桃花流水”,近看“齜牙咧嘴”,這樣維保措施反而加劇了銹蝕,像給爛了屁股下面包上不透風(fēng)的尿不濕。濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過70%,銹蝕發(fā)生變得更加迅速。

        鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生點(diǎn)腐蝕或者小面積腐蝕,要徹底清理底材,重新涂裝配套產(chǎn)品體系才能有效防止腐蝕的加劇。要在產(chǎn)品的選擇上,從防腐防火一體化的產(chǎn)品去解決,一是要保證旅客生命的安全性的高性能防火涂料,二是要考慮高耐候性使用年限的長久性的防腐配套底中面漆,相容性優(yōu)異。

        4.4 建立雨棚鋼結(jié)構(gòu)的定期維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        鐵路總公司的領(lǐng)導(dǎo)已經(jīng)意識到了雨棚鋼結(jié)構(gòu)病害的影響,多次召開專業(yè)會議及試點(diǎn)項(xiàng)目探索,鑒于目前我們還沒有一套行之有效的維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)的同仁也在積極著手標(biāo)準(zhǔn)的起草及制定。

        建立完善高鐵雨棚鋼結(jié)構(gòu)涂層防腐防火一體化養(yǎng)護(hù)維修的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)大大提高涂層的耐久性,防火安全的有效性以及施工過程的快捷性,進(jìn)一步提高天窗點(diǎn)的有效利用率。

        當(dāng)然,高鐵車站雨棚腐蝕成本是巨大的,但是腐蝕防火防護(hù)有效措施到位,25%-40% 病害損失可以避免,減少腐蝕損失,上海鐵路局上海房建段倡導(dǎo)“理念重視,專項(xiàng)資金,集中整治,施工專業(yè)。主動防腐、安全防火,綠色防腐,長效使用!”

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