铁路车站雨棚钢立柱防火涂料劣化机理研究

伊钟毓，杜 玮，左强新，王 涛 ，封 雷，孙 岳

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081；2. 中国铁路北京局集团有限公司石家庄站，河北石家庄 050004）

1 引言

钢结构防火涂料是钢结构外表涂刷的重要防火材料，其种类较多。根据防火涂料的厚度可分为厚型防火涂料、薄型防火涂料、超薄型防火涂料。目前，铁路车站雨棚钢立柱普遍采用的是厚型无机防火涂料。铁路车站雨棚钢立柱防火涂料应按照CECS 24-90《钢结构防火涂料应用技术规范》和原中国国家铁路总公司客站总指函[2010]61号《关于加强站房、雨棚外露钢结构细部制作及涂装质量控制的通知》要求的施工工艺和施工条件组织施工。而随着铁路车站雨棚钢立柱服役年限的延长，大部分车站雨棚钢立柱开始出现了涂层脱落和锈蚀现象，进入维修期。防火涂料脱落、掉块问题不但影响旅客出行体验，还会造成重大的安全隐患，故分析防火涂料的劣化脱落原因是十分必要的。

本文在现场调研的基础上，对现场取回脱落的防火涂料掉块进行面漆附着力测试、燃烧测试以及微观分析，对其整体性能进行评价，研究其劣化机理，分析防火涂料劣化的原因，为钢立柱防火涂料劣化研究提供参考及理论依据。

2 铁路车站雨棚钢立柱防火涂料病害情况

随着雨棚钢立柱使用年限的延长，钢结构整体涂层存在不同程度的外表锈蚀、局部涂层脱落和面漆粉化情况。如图1所示，部分雨棚钢立柱防火涂层附着力减弱，造成开裂、空鼓及脱落现象，或呈现块状脱落。病害的发生不但影响美观，而且产生了极大的安全隐患。涂层脱落处有些位置的钢结构基材已经完全暴露在环境中，并且已经产生锈蚀现象，随着服役年限的继续增加，锈蚀还会产生进一步的拓展，影响整体钢结构的强度。

图1 雨棚钢立柱防火涂料脱落情况

雨棚钢立柱防火涂料病害发生位置分布呈现一定的规律性。如图2所示，靠近铁轨一侧或通过线防火涂料脱落情况较为严重，而外侧或停车线的防火涂料脱落情况则相对较轻，这是由于列车通过时引起振动及风荷载不同，导致脱落情况不同。线间露天雨棚柱常年受风吹、日晒、雨淋，日积月累造成面漆与防火涂层、防火涂层与底漆间粘结强度下降、涂层开裂，雨水经裂缝渗入内部，随气温热胀冷缩，导致涂层脱落。相比之下，受雨棚遮挡保护的雨棚柱，受外部影响较小，很少发生涂层脱落现象。

图2 通过线雨棚钢立柱防火涂料脱落情况

站房雨棚立柱在出厂时，为防止锈蚀，常常会在表面涂刷一层防锈漆，导致防火涂料的施工界面较为复杂，界面状态如图3所示，故铁路钢结构涂装施工环境相对非铁路钢结构工程受影响干扰多。若此层底漆处理不彻底，或基材锈蚀严重，会导致防火涂料与基材的附着力不足，从而脱落。

3 钢结构防火涂料劣化机理分析

为进行钢结构防劣化机理分析，从现场提取两种样块，一种为防火涂料脱落的掉块，另一种为钢立柱出厂时在表面上涂刷防锈漆的碎片。

分别对钢立柱防锈漆进行成分分析，对现场取回脱落样块进行面漆附着力、燃烧性能测试及微观分析。其中现场掉块的厚度在3～8 mm之间，厚度不均匀，具体厚度分布如图4所示。

图4 脱落掉块厚度

3.1 钢立柱表面防火涂料成分分析XRF

对如图5所示碎片中的钢立柱防锈漆进行X射线荧光光谱分析（XRF）以及红外光谱分析，得出其元素含量如表1所示，根据其元素成分比例，判断防锈漆的类型。

表1 钢立柱防火涂料XRF分析 %

图5 钢立柱出厂时所附着的防锈漆碎片

由XRF分析可知，样品中有较高含量的Zn。从红外光谱如图6所示的结果可知，3 000 cm-1处附近出现O-H伸缩振动，1 600 cm-1处附近为C-H伸缩振动，1 500 cm-1附近为苯环伸缩振动，829 cm-1处为C-O-C的伸缩振动峰。由以上分析结果推导可得，该防锈漆为环氧富锌漆。

图6 钢立柱表面防火涂料红外光谱

3.2 面漆附着力实验

现场取样的防火涂料掉块为厚型防火涂料，厚度约为7 mm，料块外观如图7所示，对其进行面漆附着力实验。

图7 现场取样的脱落的防火涂料块

在脱落涂料块表面取3个点，按照GB/T 14907-2018《钢结构防火涂料》中规定的方法进行附着力测试。结果显示，3个点的附着力均大于2.30 MPa，全部为内聚破坏，结果证明面漆的附着力符合标准。由此可得，防火涂料脱落的发生是由于防火涂层与底层或基材附着力不足导致的。实验结果表明，为测试防火涂料附着力的大小，应对涂层进行现场拉拔试验，并深入到基材表面进行测试，这样即可测试涂层体系与基材附着力的大小。

3.3 燃烧实验

对现场取回的脱落防火涂料掉块进行燃烧实验，使用酒精喷灯燃烧防火涂料表面，约30 s后防火涂料即被烧穿。经燃烧实验后的掉块表面形态如图8所示。实验结果表明，在自然环境中长时间服役，部分防火涂料已经失去防火效果。

图8 脱落的防火涂料燃烧性能分析

3.4 微观分析

为从微观角度分析防火涂料的劣化机理，对掉块样品进行了X射线衍射分析（XRD）、热重分析（TG）及扫描电子显微镜能谱仪（SEM-EDS）能谱分析。

3.4.1 XRD 分析

对防火涂层进行X射线衍射分析，结果如图9所示。

图9 防火涂层XRD分析

通过XRD分析得知，其中间层出现了二氧化硅 、二氧化钛 、碳酸钙 、云母的晶体结构，说明防火涂料配方中含有二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙（氧化钙）、云母等助剂。

3.4.2 TG 分析

对防火涂料掉块进行热重分析，结果如图10所示。在238 ℃左右涂料中的树脂类组分开始快速分解，在704 ℃附近，碳酸钙等组分发生分解。分析结果表明，该防火涂料组分以无机物为主。

图10 防火涂料掉块的热重分析图

3.4.3 SEM-EDS 分析

对样块防火涂层进行SEM分析，从SEM图中可以看出涂层中含有纤维状物质、片状物质、颗粒物质。SEM图像如图11所示。

图11 防火涂层的SEM图像

对样块防火涂层进行EDS分析，所含元素比例如表2所示，片状物质含有硅、铝、氧、钾元素等，与云母粉元素含量一致，故可推导出片状物质为云母粉。纤维状物质主要含有硅、铝、氧元素等，故可推导出纤维物质为硅酸铝纤维。底层出现的铁锈成分，证明钢结构在涂刷防火涂料时或者经长时间服役，基材已生锈，这可能是涂料附着力低下的原因之一。

表2 防火涂层的EDS能谱分析 %

对涂层底面进行高倍的SEM分析，结果如图12所示。

图12 防火涂层底部的高倍SEM图像

其表面有很多孔洞类结构，致密性不高，这也可能导致涂层的附着力不强，出现脱落。

4 总结

综上所述，导致站房雨棚钢立柱防火涂料劣化原因有以下几个方面。

（1）试验的防火涂料面漆附着力符合标准，故推测脱落是由于涂装体系本身与基材的附着力不高，导致其在较长服役时间后产生脱落。

（2）列车高速通过站房时会产生高频的振动，加之雨水、日晒等自然环境的侵蚀，以及渗入水分随气温热胀冷缩等这些因素，加速了涂料劣化脱落的过程。

（3）基材表面存在钢立柱出厂时的防锈漆，且部分表面已经产生锈迹。这就在涂装体系本身与基材附着力不足这一基础上，进一步降低其涂装体系与基材的附着力，导致防火涂料劣化脱落。

根据以上结果，建议后续施工及检查时，将附着力拉拔试验做到基材表面，以测试防火涂料与基材的附着力是否合格。并对已进行耐环境实验后的防火涂料进行燃烧实验，测试其模拟自然服役环境后，涂料的耐火性能是否达标。