铁路站房钢结构防火涂装质量控制关键技术

2022-06-23肖波

铁路技术创新 2022年2期

肖波

（中国铁路北京局集团有限公司北京工程项目管理部，北京 100038）

0 引言

近年来，铁路站房钢结构防火涂料脱落问题较多，随着防火安全意识提高，铁路站房钢结构防火涂装质量控制越来越重要［1］。钢结构防火涂装具有工序复杂、施工过程控制因素多、内在质量及观感效果要求高等特点，新建京张高铁清河站采用合理、创新手段，现场对厚涂型防火涂装进行拉伸荷载力学试验，计算防火涂装粘结强度，以判断防火涂装的附着力是否满足设计要求，为提高钢结构防火涂装的耐候性提供了理论依据，取得了良好效果。

1 钢结构防火涂料作用机理

钢结构虽然是不燃材料，但在火灾高温的作用下，其力学性能（如屈服强度、弹性模量等）会随温度升高而降低，在约550℃时降低幅度更明显，易丧失承重能力而倒塌。用喷涂的方式将防火涂料附着于钢结构表面，并在钢结构表面形成一层耐火隔热的薄膜，薄膜除本身具有难燃性或不燃性外，还具有较低的导热系数，可以延迟火焰温度向被保护基材传递，受热分解出不燃惰性气体，冲淡被保护物体受热分解出的可燃性气体，使之不易燃烧或燃烧速度减慢。防火薄膜能阻滞火灾的迅速蔓延，保护钢构件，从而提高钢结构的耐火极限［2］。

2 钢结构防火涂装质量控制必要性

2.1 钢结构体量和面积大

新建高铁站房大多采用大跨度钢结构形式，增加了站房的层高、跨度和使用空间等。

2.2 防火等级要求高

铁路站房属于大型人员密集公共场所，客流量大（见表1），一旦发生火灾将造成大量人员伤亡和经济财产损失，严重影响铁路运输秩序，因此防火等级要求高。

表1 2018年部分车站日均客流量统计万人

2.3 防火涂料脱落影响大

（1）影响站房美观性。由于站房钢结构维护人员技术力量薄弱、维修要点停电困难等一些现实原因，站房钢结构日常专业维护、维修工作难以按时展开。室外防火涂装体在受到大风、雨雪、粉尘等污染侵蚀后，涂装体局部产生的开裂、脱落问题难以及时处理，导致脱落问题恶化速度加快，造成大面积防火涂料脱落，影响站房的美观性。

（2）影响行车安全。站房、雨棚等钢结构防火涂层随时间推移及恶劣气候影响，粘结能力不断下降，高铁运营速度快（200 km/h以上），防火涂料如遇列车振动荷载影响出现脱落，砸到列车挡风玻璃时，会影响行车安全。

（3）消防安全社会关注大。公共场所火灾频发，人员伤亡、财产损失较大，消防安全问题越来越被关注。铁路站房是旅客乘降窗口，客流量大、人员密集，消防安全社会关注大。

3 钢结构防火涂料脱落原因分析

3.1 原材料选用不正确

防火涂料品种多样，铁路站房室内、室外不同场所采用的钢结构防火涂料品种不同，施工中容易混淆，错误选用会导致钢结构防火涂装不能合理发挥作用，耐候性降低，极易造成防火涂料脱落。

3.2 涂层间相容性不符

防火涂料与防腐涂料不配套时易发生化学反应，致使涂装后涂层不能更好地粘合在一起，易剥离，涂装后不仅没起到防火作用，反而加速了钢结构腐蚀，短时间内大量的锈迹透过涂层表面产生锈蚀现象，致使防火涂料脱落［3］。

3.3 工序处理不当

3.3.1 钢构件表面清理不彻底

钢构件表面清理是防火涂装工程的基础，是涂装施工中极重要的一个环节。防火涂装前，钢构件表面的水渍、油污和灰尘等杂物未进行清理或清理不彻底，会影响涂料与钢构件表面的粘结力，进而影响整个涂层的强度和粘结力，出现防火涂料脱落。

3.3.2 打磨除锈及防腐处理不到位

钢构件厂制焊缝、现场焊接部位打磨除锈及防腐处理不到位时，钢构件表面易生锈，严重影响涂层的附着力，防火涂料随之易开裂，甚至造成脱落。

3.3.3 涂层涂刷间隔时间短

防火涂料前一层涂膜未干燥时，又涂刷下一层防火涂料，使2层防火涂料混合，不能起到应有的保护作用，造成防火涂料开裂、脱落。

3.3.4 防火涂料涂层厚度达不到要求

（1）防火涂层厚度达不到设计要求时，易造成防火涂层性能不稳定，使钢构件不能达到相应的耐火极限。作业人员存在偷工减料、构件边角不涂刷、漏涂或者少涂以及涂层厚度过厚，均会引起防火涂料脱落。

（2）防火涂层的总厚度满足设计要求，但每层涂层的均匀连续性差，造成局部涂层过厚，在同样养护时间内达不到强度要求时，防火涂料易脱落。

3.4 施工环境条件不满足

当涂装施工时的环境温度、相对湿度、钢构件表面温度等方面没有达到涂装环境条件要求时，钢构件表面、防火涂料表面产生结露，涂料附着力大大下降，防火涂料均会开裂、脱落。

3.5 养护及成品保护措施不合理

防火涂料未充分干燥固化前遭受大风吹拂、雨水冲淋、阳光暴晒时，防火涂料强度达不到设计要求，易开裂、脱落；防火涂料施工完成后，成品保护措施不合理时，钢构件涂层在外力作用下，涂料漆膜受到物体或构件的碰撞、剐蹭、擦伤等，损坏钢构件表面的防火涂层，易引起钢构件锈蚀，最终造成防火涂料脱落。

3.6 粘结强度急剧下降

由于铁路站房处于露天或半露天环境中，夏季阳光照射强烈，冬季天干风大，阳光、大气、风雪、雨水等易造成钢构件表面腐蚀；其次，季节交替产生的温度变化也容易造成钢构件表面扩张和收缩，防火涂层粘结强度、耐候性能急剧下降，进而导致钢结构防火涂料脱落。

4 钢结构防火涂装应用

京张高铁是京津冀协同发展轨道交通网的重要组成，是推动我国高铁技术创新的标志性工程。清河站是该线路上重要的交通枢纽站之一，也是冬奥会始发站，是展示京张高铁建设品质的窗口。

4.1 工程特征

（1）工程结构复杂。清河站钢结构由主体站房区（A区）、站房南侧高架落客平台区（B1区）、站房北侧高架落客平台区（C1区）和站台雨棚（C4区）4个部分组成。钢结构整体轴测示意见图1。

图1 钢结构整体轴测示意图

（2）钢构件种类多。清河站钢结构有桁架、钢梁、钢柱、系杆、隅撑、钢檩、钢楼梯、花纹板、槽钢等多种钢构件，不同区域、不同部位构件的防火涂装设计要求及施工工艺不同。

（3）防火涂料类型多，耐火极限不同。清河站防火涂料设计类型包括薄型、超薄型和厚型3种防火涂料，各种类型防火涂料的耐火极限均不一样。A区站房候车层和候车大厅旅客量大、人流多，设计耐火极限时间均采用不低于2 h的厚涂型防火涂料，且所占施工比重大。

（4）交叉作业多。由于清河站建设期间现场站房、站场、站前、站后的施工涉及专业多、交叉施工作业多、各单位间的施工界面多等原因，导致防火涂装作业环境相对非铁路钢结构工程受影响干扰多。

4.2 防火涂装设计概况

（1）超薄型防火涂料。底漆环氧富锌80 μm，中间漆环氧云铁150 μm，环氧封闭漆30 μm，耐火极限时间≥1.0 h。

（2）薄型防火涂料。底漆环氧富锌80 μm，中间漆环氧云铁150 μm，环氧封闭漆30 μm，耐火极限时间≥1.5 h。

（3）厚型防火涂料。底漆环氧富锌80 μm，中间漆环氧云铁150 μm，环氧封闭漆30 μm，耐火极限时间≥2.0 h。

5 钢结构防火涂装质量控制关键技术

新建京张高铁清河站钢结构防火涂装质量控制的关键技术是防火涂装耐候性控制（见图2）。

图2 钢结构防火涂装耐候性控制内容

5.1 原材料控制

（1）防火涂料在进场使用前，应检查制造厂家的相关资料，其中最重要的资料有4个：一是生产许可证明文件，二是型式检验报告，三是产品合格证明文件，四是产品说明书。并确认防火涂料的型号、颜色与质量证明文件及设计依据是否相符，是否在有效的使用期内。

（2）检查防火涂料的外观质量、现场存储情况。针对工程结构复杂、钢构件种类及防火涂料类型多等特点，按规定批次和数量，对其粘结强度和抗压强度进行现场抽样检测。

（3）使用喷灯等强火对防火涂装构件样板进行灼烧，短时间内构件样板不能出现灼伤。

5.2 工序质量控制

涂装质量对装饰以及应用有重要作用。涂装质量主要取决于2个方面：一是涂料自身质量，二是施工质量。质量不合格的防火涂料必然不能形成良好的涂装效果；质量好的防火涂料如果施工不适宜，也不会有良好的防火作用。工序质量与防火涂料的性能发挥密切相关，必须严格控制各道工序质量［4］。

5.2.1 钢构件表面清理

钢构件在加工储运和安装过程中易在表面产生附着物，特别是杂物碎屑、灰尘及氧化皮屑等，这些表面杂质会导致防腐涂层的附着性能下降，因此钢构件表面清理是涂装前的基本工序。

（1）彻底清除钢构件表面附着的灰尘、氧化皮碎屑、油污等杂物，使防腐涂层和钢构件表面有效粘结。

（2）修整钢构件表面，使防腐涂料与钢构件有良好的附着力。

5.2.2 打磨除锈及防腐处理

打磨除锈及防腐处理能清除钢构件表面锈垢，同时避免钢构件产生锈蚀，以延长防火涂料的使用寿命。工程现场焊接部位打磨处理完成后，验收每道焊缝的打磨除锈工序、建立验收登记台账、留存影像资料，并在钢构件表面处理完成后的4 h内进行防腐底漆涂装可保证工程涂装质量。

5.2.3 涂层涂刷间隔时间

防火涂料应分层（遍）涂刷，结合防火涂料品种特性确定涂刷遍数和涂刷间隔时间。清河站钢结构防火涂料分2遍涂刷，第1遍防火涂料干燥率和强度达到95%以上时（前后道涂刷间隔应控制在24 h左右），再进行第2遍涂装［5］。

5.2.4 涂层厚度及观感质量

（1）根据新建清河站防火涂料的设计类型及型式检验报告，分别确定不同区域、不同构件、不同防火涂层厚度，作为检查验收依据。考虑A区站房候车层和候车大厅旅客量大、人流多，设计耐火极限时间均采用不低于2 h的厚涂型防火涂料，且所占施工比重大，结合厚涂型防火涂料型式检验报告并参考相关规范，对厚涂型防火涂料施工加强了管控力度。待喷防火涂层厚度参考式（1）：

式中：T1为待喷防火涂层厚度，mm；T2为标准试验时的涂层厚度，mm；W1为待喷钢梁质量，kg/m；W2为标准试验时的钢梁质量，kg/m；D1为待喷钢梁防火涂层接触面周长，mm；D2为标准试验时钢梁防火涂层接触面周长，mm；K为系数，对于钢梁，K＝1，对于相应楼层钢柱的涂层厚度，K＝1.25［6］。

（2）因工序多、区域广、结构复杂等工程特点，极易造成漏检漏验，根据工程防火涂装设计要求，研究制定专项验收表格，采用“纵向分层、横向分段”验收方式，建立验收登记台账，保证钢构件的防火涂装全部纳入验收范围。

（3）防火涂层应牢固地粘结于防腐涂层，表面不能出现空鼓、脱层等现象；防火涂装后，外观要平整光滑，轮廓清晰，颜色均匀，无明显凹陷、粉化、松散和浮浆，乳突已剔除；对于厚型防火涂层，裂缝宽度不应大于1 mm。

5.3 涂层间相容性控制

选用的防火涂料不应对钢结构有腐蚀作用，且防火涂料和防腐涂料之间不应发生化学反应。抽取站房的钢柱、钢梁等做涂层样板试件，验收查看涂层间的相容性、观感质量效果等，样板质量确认合格后，开展大面积施工。

5.4 环境条件控制

重点把控涂装作业环境是否满足要求，尤其是低温季节，每日温度变化较大，对涂装环境温度、相对湿度、构件表面温度进行动态量测，换算露点温度，环境条件不满足要求时不能施工。露点温度见表2。

表2 露点温度表 ℃

防火涂装环境温度应在5～38℃，相对湿度≤80%，钢构件表面温度应高于露点温度3℃以上。例如：环境温度为15℃，相对湿度为65%，从表2中可查出露点温度为8.6℃，则钢构件表面温度应在（8.6+3）℃=11.6℃以上时，才能施工［7］。

5.5 养护及成品保护控制

（1）防火涂装施工结束后，及时做好防火涂层的养护工作，尤其是刚喷涂好的涂层避免遭受雨水冲淋、强烈阳光直射。

（2）空气中的尘埃对钢结构防火涂装的粘结性能、装饰效果影响也很大，钢构件涂装后24 h之内如遇大风时，应采取防尘措施，避免灰尘影响涂层的附着力和装饰观感质量。

（3）针对车站工程施工涉及专业多、交叉施工作业多、各单位间的施工界面多等特点，对刚喷涂好的钢构件采取拉设安全带或加装护栏、围挡等措施，可避免受到物体或构件的碰撞、剐蹭。

5.6 拉伸荷载试验创新

在防火涂料原材料经第三方实验室检测复试合格的基础上，严格卡控防火涂层粘结能力的现场验证。在清河站采用合理、创新手段，现场对厚涂型防火涂装进行拉伸荷载力学试验（粘结强度试验是在第三方检测机构实验室内对涂装试件检测，仅对厚涂型防火涂料进行拉伸荷载力学试验，拉伸荷载力学试验适用于任何类型防火涂料的拉伸试验），计算防火涂装粘结强度，以判断防火涂装的附着力是否满足要求，为现场防火涂装作业质量控制提供理论依据。现场进行拉伸荷载力学试验见图3。

图3 现场进行拉伸荷载力学试验

已知防火涂料复试性能指标要求为：厚涂型防火涂料粘结强度≥0.04 MPa（4×104N/m2）。

每一试件粘结强度计算公式为：

式中：fb为粘结强度，MPa；F为最大拉伸荷载，N；A为粘结面积，m2。

现场试件半径r为2.5 cm，面积A=πr2=3.14×（2.5 cm）2=19.625 cm2=19.625×10-4m2，最大拉伸荷载F应满足4×104N/m2×19.625×10-4m2=78.5 N，现场实测厚涂型防火涂装拉伸荷载为0.549 kN=549 N＞78.5 N。经现场拉伸荷载试验，厚涂型防火涂装粘结强度满足相关技术标准和性能检测报告粘结强度要求。