国内现役高铁站站台钢结构雨棚防护涂层失效情况分析

夏子雅，张文学

（中铁建工集团有限公司建筑工程研究院，北京 100160）

自2002年开始建设高速铁路以来，中国高铁飞速发展，当前我国高速铁路营业里程和在建里程规模均居世界第一，“八纵八横”高速铁路网已具雏形[1-2]。作为高速铁路系统的关键性节点，高铁站对发挥高铁系统的运营效率及整合城市交通具有重要意义。随着结构技术的不断发展，我国高铁站设计及施工的水平达到新高度，高铁站已成为许多城市的新地标。

由于强度高、塑性及抗震性能好、新颖美观、施工周期短等特点，高铁站站房及站台雨棚广泛采用钢结构体系。然而在大气环境下，钢材很容易发生腐蚀。调查显示，我国每年由于腐蚀造成的损失占国民经济的5% ~ 6%[3]。合理应用腐蚀防护技术，对减少因腐蚀造成的经济损失具有重要意义。建筑钢结构通常采用的防腐蚀技术是涂覆防腐蚀涂层。与室内或隐蔽钢结构相比，站台雨棚钢结构处于露天或半露天环境，服役环境恶劣，涂层失效以及钢结构锈蚀问题突出[4]。上述钢结构病害对我国高速铁路整体形象的传播非常不利，严重时还会影响行车或旅客安全，钢结构的安全鉴定及维修维护已逐步被各铁路局提上日程[5-10]。据报道[7]，徐州东站无柱雨棚箱梁、立柱，上海虹桥站雨棚钢结构，温州南站雨棚钢结构均因涂层开裂剥落、钢结构严重锈蚀而进行过维护整治。

铁路总公司的统计数据显示，目前国内运营的高铁车站已有1 100多座。由于早期高铁站大多采用钢结构体系，站台雨棚钢结构的涂层维护将成为我国铁路发展过程中需要解决的重要课题。本文系统地总结了我国高铁站钢结构雨棚使役过程中防护涂层的失效及钢结构的锈蚀情况，分析了病害出现的原因以及关于高铁站钢结构防护及维护需要深入研究的问题，并对未来需进一步研究的方向提出了建议。

1 国内高铁站雨棚钢结构防护涂层配套及其使役情况

1.1 高铁站钢结构防护涂层的配套设计

建筑钢结构通常采用的防腐涂层配套体系包括富锌底漆、环氧云铁中间漆(MIO)和面漆，如图1a所示。其中，面漆除需具备一定的耐候性外，还要有较好的装饰性和机械性能；环氧云铁中间漆因片状云母氧化铁平行重叠排列，能够有效减缓外界腐蚀介质向基材的渗入，具有优良的屏蔽性和耐候性。富锌底漆的阴极保护作用是该防腐涂层体系的第三道屏障，当腐蚀介质渗透到底漆时，锌粉与钢基材之间形成原电池，由于锌的电极电位更低，锌粉作为阳极发生失电子的氧化反应(Zn → Zn2++ 2e−)，氧气在钢基材上发生还原反应(O2+2H2O + 4e−→ 4OH−)，钢基材得到保护。

另一方面，钢结构不耐火，超过一定温度后承载力会急剧下降。为推迟火灾发生时钢结构的垮塌，给人员逃生和火灾的扑救赢得时间，通常要涂装防火涂料[11]。各类钢结构建筑(如民用建筑、厂房、仓库等)的耐火等级要求根据其使用功能、重要性、火灾扑救难度等来确定。防腐涂层与防火涂层配套使用(如图1b所示)是当前建筑钢结构的重要防护手段，两者之间的兼容性研究也是钢结构防护涂层研究的重要课题之一[12-14]。

图1 钢结构防腐涂层配套体系(a)和防腐防火涂层配套体系(b)的结构示意图Figure 1 Schematic diagrams showing the structures of anticorrosive coating system (a) as well as anticorrosive and fire-resistant coating system (b) for steel structures

高铁站钢结构的涂装工艺通常是在工厂进行喷砂、抛丸除锈(除锈等级要求达到 Sa2.5级)后，涂装底漆或中间漆，待现场安装完毕后，对焊接部位、损伤部位及漏涂部位进行手工或动力工具除锈(除锈等级要求达到St3级)，补涂防腐底漆、中间漆，最后统一涂装防火涂料和面漆。根据《铁路工程设计防火规范》：站台立柱雨棚采用钢结构时，可采用无防火保护的金属构件；无站台柱雨棚采用钢结构时，距轨面12 m以上可采用无防火保护的金属构件。故站台钢结构雨棚常规防护涂层体系有如下两种：

(1) 无防火要求的涂装：富锌底漆2遍 + 环氧云铁中间漆1遍 + 面漆2遍。

(2) 有防火要求的涂装：富锌底漆2遍 + 环氧云铁中间漆1遍 + 防火涂料 + 面漆2遍。

1.2 现役高铁站站台雨棚钢结构的病害情况

当前，国内高铁站钢结构雨棚有两种形式，即站台立柱雨棚和无站台柱雨棚(又称线间立柱雨棚)。站台立柱雨棚结构简单，钢柱直接立于站台上，由于顶部有屋面遮挡，钢柱、钢梁等均处于半露天环境中。无站台柱钢结构雨棚跨度大，支撑雨棚的柱子设立在站台外、股道间，钢柱及其顶部的钢梁、桁架、檩条等均处于露天环境中，对涂层体系的耐久性要求更高。

1.2.1 站台立柱钢结构雨棚防护涂层的使役情况

站台立柱钢结构雨棚涂层失效的一个表现为漆膜生锈，即漆膜表面出现锈点。该病害主要发生在焊接以及钢梁的棱边等处(见图2a1、2a2)，这些部位均易出现涂层缺陷。其他部位若涂层较薄或存在缺陷，也会出现锈点，如图2a3所示的钢柱表面。这是因为涂层表面或内部存在缺陷或涂层厚度较小时，其抗渗透性较弱，不能为钢结构提供很好的屏障作用，水、氧气和腐蚀性离子会慢慢扩散到涂层与钢铁基体界面，形成微观腐蚀原电池，导致钢结构发生点蚀。

面涂层附着力差也是此类雨棚存在的问题，如图2b1所示。面漆为现场涂装，受涂装环境、涂装前待涂表面处理等级以及涂装工艺等因素的影响，涂层附着力差导致脱落的现象比较普遍。另外，涂层选择不当也会导致涂层脱落，如图2b2所示的不锈钢天沟表面面涂层脱落便是一例。

图2 现役站台柱钢结构雨棚的涂层情况：(a1)−(a3)漆膜生锈；(b1)、(b2)涂层剥落Figure 2 Failure of protective coatings on steel structures of platform canopies in service:(a1–a3) rusting on coating surface; and (b1, b2) exfoliation of coating

屋面漏雨引起的涂层失效、钢结构锈蚀病害如图3所示。可以看出，病害部位有明显的水痕，雨水流过后，屋面与钢梁缝隙中的雨水处于滞留状态，钢梁表面涂层在雨水的长期作用下起泡、开裂，导致钢基材发生腐蚀。

图3 金属屋面漏雨引起的涂层失效、钢结构锈蚀的情况Figure 3 Failure of coating and corrosion of steel structure caused by leakage of rain from metallic roof

1.2.2 无站台柱钢结构雨棚防护涂层的使役情况

由于钢柱及其顶部钢结构处于露天环境中，无站台柱钢结构雨棚的涂层失效、钢结构锈蚀问题明显比站台立柱钢结构雨棚严重。而且，受高速铁路运营时间的影响，股道上方钢结构维修施工只能在天窗点(一般为凌晨 0−4点)进行，维修工作实施难度大。考虑到无柱雨棚的维护成本问题，近几年规模较小的高铁站的建设已重新采用传统的站台立柱雨棚样式。需要说明的是，对于无站台柱雨棚，屋面遮挡部位钢梁、桁架、檩条等同样存在与站台立柱雨棚钢结构一样的漆膜生锈和面漆剥落问题，本部分只对此类雨棚的露天钢结构病害进行介绍。

如前所述，无站台柱雨棚立柱部位有防火要求，露天环境对防火涂层的耐久性要求很高，立柱防火涂层大片剥落是此类雨棚钢结构最主要的问题(见图 4)。防火涂层大面积剥落导致钢结构耐火性能得不到保障，而且直接暴露在大气中的底漆或中间漆因耐候性较差，可能导致涂层剥落部位钢柱大面积生锈，见图4b−4d。另外，列车频繁经过的情况下，涂层可能会产生振动疲劳，再加上“列车风”的作用，防火涂层在列车经过及停靠时可能会继续脱落，影响旅客乘降及行车安全。

图4 现役无站台柱钢结构雨棚钢柱的涂层失效情况Figure 4 Failure of steel columns of the in-service canopies without platform columns

顶部露天钢结构涂层剥落、钢结构锈蚀的情况如图5所示。对于露天桁架梁，涂层失效后，由于壁厚不大，腹杆易因锈穿而发生断裂，存在一定的安全隐患。

图5 现役无站台柱钢结构雨棚的钢柱顶部钢结构涂层剥落、钢结构锈蚀的情况Figure 5 Exfoliation of coating and rusting of steel structures on top of the in-service canopies without platform columns

从图6可以看出，节点位置钢结构锈蚀较严重。节点连接主要有焊接和栓接两种方式。焊缝部位的底漆和中间漆需要现场涂装，受施工条件限制，附着牢固的锈层很难被清除干净，直接涂装常规富锌漆会严重影响漆膜附着力和锌粉的电化学保护效果，在风吹日晒雨淋的作用下，焊缝部位涂层往往较早失效，腐蚀问题相对严重。对于栓接节点，若涂层存在缺陷或损伤，很容易发生缝隙腐蚀[15]。

图6 现役无站台柱雨棚钢结构露天节点的涂层情况：(a)柱顶节点；(b)伸缩缝连接节点；(c)树状柱节点Figure 6 Coatings on different steel structure joints of in-service canopies without platform columns under open air condition:(a) joint at the top of steel column; (b) expansion joints; and (c) top joint of tree-shaped steel column

1.2.3 防腐涂层失效及钢结构锈蚀演化的过程

通过以上对病害情况的分析可以看出，站台雨棚防护涂层主要存在如下问题：涂装缺陷较多，局部防腐涂层抗渗透性差；防火涂料或面涂层附着力不够；补涂部位底漆附着力不够。上述问题均会导致防腐涂层体系耐蚀性变差，在服役过程中过早地出现失效。由于涂层存在微观缺陷，涂装前基体表面存在牢固锈层，以及防火或面涂层脱落而导致的防腐涂层失效及钢结构锈蚀的演化过程如图7所示。

图7 防腐涂层失效、钢结构锈蚀演化示意图Figure 7 Schematic diagram presenting the evolution of the failure of coating and the rusting of steel structure

2 建议

综上所述，高铁站台雨棚露天钢结构防护涂层的病害主要包括：立柱防火涂料大片脱落、脱落部位钢结构生锈；顶部钢梁、桁架防腐涂层开裂、剥落，钢结构生锈，节点连接处锈蚀严重；屋面遮挡部位钢结构涂层病害较轻，主要是漆膜生锈、面漆剥落等情况。上述病害的出现不仅与现场涂装不规范有关，还可能与防护涂层耐候性低于使役环境要求相关。针对当前高铁站钢结构防护及维护问题，具体建议如下：

(1) 对于需要现场除锈的补涂工艺，手工或动力工具除锈很难达到 St3级，除严格控制及加强检查外，研发可带锈涂装的功能涂料可有效预防补涂部位涂层过早失效。

(2) 防火涂料附着力差、立柱防火涂料大片脱落可能是现场涂装不规范或养护时间不够导致的，也可能是防腐涂层与防火涂料配套不合理，从而影响到底漆或中间漆与防火涂层的粘结性，还可能是因为选用的防火涂层在特定环境(露天、振动和“列车风”作用)下的耐久性达不到要求。按现行国家标准《色漆和清漆 涂料配套性和再涂性的测定》进行防腐、防火涂层的配套性试验及规范施工，可以避免因配套不合理和施工不规范导致的涂层脱落。对于因性能达不到使役要求而导致的涂层脱落，可考虑采取加网施工措施，增强防火涂层的附着力。另外，研发适用于特定环境的高耐久性防火涂层或防腐防火一体化涂层[16-17]也是解决途径。

(3) 对于高铁站雨棚立柱、管桁架等钢结构(尤其是线间立柱和股道上方钢结构)的涂装整治，受施工条件和高铁运营时间限制，除锈不彻底是涂装整治过程中最突出的问题。因此，研发可带锈涂装涂料或研制高效除锈专用设备或工具是相关工作人员的主要任务。

3 结语

钢结构腐蚀防护问题已成为我国高铁站站台雨棚创新设计的一个制约因素。本文对国内现役高铁站台钢结构雨棚腐蚀情况进行了考察，归纳了不同结构形式站台雨棚钢结构防护涂层的病害情况，分析了病害出现的原因，并探讨了高铁站钢结构雨棚防护及维护需要深入研究的几个问题。希望相关工作者、研发人员能够针对上述问题开发相应技术，共同助力中国高铁站的建设。