骆锦锋1 黄玉科2
1.中国铁路广州局集团有限公司；2.广州市希尔德新材料科技有限公司
摘要：以沿海既有高速铁路客站雨棚钢结构长效防腐研究为目的，从沿海既有铁路客站雨棚钢结构锈蚀现状、危害以及长效防腐研究的必要性出发，对锈蚀产生的原因进行分析以及对海洋大气腐蚀环境下铁件腐蚀的基本原理进行介绍，结合既有高速铁路客站雨棚钢结构在营业线施工天窗特定条件下维护的难点，阐述了沿海既有高速铁路客站雨棚钢结构防腐研究的目标要求和所研究的长效防腐体系，通过现场试涂及进行老化测试，证明研究成功的防腐体系均具有长效防腐、表面处理要求低、可带湿带锈施工及湿态附着力优异等优点，完全适应沿海铁路既有客站雨棚钢结构营业线施工天窗维护作业时间短、夜间施工的要求。
关键词：沿海既有铁路；雨棚钢结构；营业线施工；长效防腐
钢结构由于具有强度高、重量轻、塑性好、制作简便、施工周期短等特点，使得在近年我国高速铁路建设中得到普遍的应用。但钢结构也存在着耐腐蚀性差的特点，在暴露环境中使用的钢结构，受湿度、温度、光照等气候因素的影响，在潮湿环境中特别是处于有腐蚀性介质如盐雾、酸雨等环境中容易锈蚀。对于铁件防腐蚀社会上已有较多的研究，但对于符合铁路实际并结合铁路营业线施工等特定条件进行研究的还不多见。自我国第一条高速铁路建成投入运营以来至今，中国高速铁路网已基本形成，但伴随使用过程中出现的钢结构普遍锈蚀问题也越来越受到关注。因锈蚀原因致使站台雨棚构件松脱并影响高速列车运行安全的事件也时有出现，若不对高速铁路线上站台雨棚钢结构锈蚀问题引起重视，势必对行车安全及中国高速铁路的发展产生影响。如何破解已在运营高速铁路线上站台雨棚钢结构的长效防腐难题迫在眉睫。因此，以钢结构锈蚀问题更为突出的沿海铁路为起点，开展既有高速铁路客站站台雨棚钢结构在营业线特定条件下的长效防腐研究工作非常有必要。
1 铁路既有客站雨棚钢结构锈蚀情况调查
沿海铁路海口东站于2010年12月26日投入使用，到2016年整个雨棚钢结构呈普遍锈蚀状况，主要表现在涂层起壳脱落，主要集中在受力节点、吊顶龙骨铁件；特别是吊顶内C型钢龙骨，除涂层完全脱落外，甚至出现局部锈透的情况（图1）。
图1 雨棚吊顶C型钢龙骨锈蚀图
2 钢结构锈蚀对行车的危害及研究必要性
钢结构发生锈蚀后，构件表面初时会出现由里外返的局部锈点，当锈蚀发展及扩大后，出现涂层脱落，影响建筑整体美观和形象；锈蚀严重时，会减少构件截面尺寸，缩短钢结构的使用寿命；当锈蚀进一步发展时，将对结构承载力产生影响，危及结构安全。对既有高速铁路而言，轨道上方的雨棚钢结构锈蚀若得不到及时处理，致使构件锈断掉落，将对下方高速行驶的动车安全及车上旅客人身安全产生极大的威胁，甚至是灾难性的后果。因此，必须尽早开展沿海既有铁路客站钢结构长效防腐研究工作。
3 沿海铁路既有客站雨棚钢结构锈蚀原因分析
钢结构锈蚀产生的原因比较复杂，经研究分析主要有以下几个方面：
3.1 原有钢结构防腐体系等级不高
客站雨棚钢结构基本采用基底抛丸处理、无机富锌底漆、环氧云铁漆中间漆、聚氨酯面漆的防腐体系，对不同的受役环境没有针对性。通过对比，使用此种防腐体系的沿海与内陆铁路雨棚钢结构的锈蚀速度及锈蚀程度具有较大的差别，特别是对沿海铁路而言，这种防腐体系设计等级不高。
3.2 原有钢结构防腐涂层施工工艺不到位
锈蚀由里往外返出，可判断基层处理不到位；目前局部锈蚀深度达250um，可判断原有防腐涂层的涂刷厚度不达标。研究表明，海洋大气区普通碳钢平均腐蚀速率达0.128mm/a[1]。
3.3 环境气候因素
处于沿海区域的金属腐蚀主要为海洋大气腐蚀[2]，对钢结构锈蚀影响较大的环境气候因素有：
1）大气相对湿度。海口市地处低纬度热带北缘，属热带海洋气候。平均相对湿度85%，金属的临界相对湿度在70%左右，平均相对湿度高于其临界值，因此钢构件表面很容易形成一层水膜。腐蚀性水膜对钢铁发生作用的海洋大气腐蚀过程，符合电解质中电化学腐蚀的规律。该过程中氧特别容易达到钢铁表面，钢铁腐蚀速度受到氧极化过程控制。试验结果表明钢在相对湿度大于70%时腐蚀严重[3]。
2）大气含盐量。南海海水盐度达34‰及以上，空气中含有大量随海水蒸发的海盐粒子，高盐雾（参照琼海的Cl－沉积率为0.784/[mg/（100cm2.d]）[4]对金属有很强的腐蚀作用。吸附在材料表面的海盐粒子具有很强的吸湿性，促进金属表面微液滴的形成，进而促进材料大气腐蚀过程。海盐粒子中的Cl－具有强烈的穿透性，可容易穿过表物层而渗透到基体。根据大气腐蚀性分类标准ISO9223-2012分类，海口市大气腐蚀等级为4级。这些盐离子溶于钢构件表面的水膜中，使得这层水膜变为腐蚀性很强的电解质，加速了腐蚀的进行。
3）大气温度。海口年平均气温23.8℃，高温时间长，夏天最高温度达43℃，钢结构表面温度更高。海洋大气腐蚀环境的温度及其变化，影响金属表面水蒸气凝聚、水膜中盐类溶解度、水膜电阻以及腐蚀电池中阴、阳极过程的腐蚀速率。温度越高，水的极性化作用就越强，水对表层的侵蚀就越严重，水、氧和其他电解质离子就越容易穿过表物层到达金属表面，金属就越容易腐蚀。
4）干湿交替。暴露在海洋大气环境下的金属材料表面常处于干湿交替变化的状态中，干湿交替导致金属表面盐浓度较高从而影响金属材料的腐蚀速率。
5）光照条件。一般认为，在户外大气环境下光照是引起涂层老化的主要因素。涂层的光辐射破坏实质上是涂料中的高聚物经光照引起高分子结构发生物理化学变化，宏观表现为失去光泽、变色、粉化、变脆、开裂等，实际在没有开裂、粉化前，涂膜抗渗性能已经下降，丧失保护性能。
4 海洋大气环境下铁件腐蚀基本原理
经查，海洋大气环境下铁件腐蚀化学反应式[5]：
在沿海地区金属腐蚀的三个重要因素是水、氧、离子。因此，良好的防腐蚀涂层必须对这三大因素起到良好的屏蔽作用。
5 既有铁路客站雨棚钢结构锈蚀维护的难点
对包括客站雨棚钢结构在内处于轨道上方的设备进行维护作业必须在特定的条件下进行。
5.1 营业线施工[6]
营业线施工是铁路设备维护的最大特点，也是所有涉及行车安全设备维护的最大困难所在。高铁的施工维修天窗在0：00-4：00，其他时间是图定列车运行时间。在这4个小时的时间里，除去开始前的施工准备时间以及作业结束后线路开通前的全面设备检查时间，真正用于作业的时间仅有3个小时。面对动辙几万甚至几十万平方米投影面积的雨棚钢结构维护任务量来说，3小时的作业时间无疑是杯水车薪。因此，作业时间不足是制约施工维修的最大困难。
5.2 夜间施工
在0：00-4：00这个特定的时段进行施工维修作业，现场光照条件无法与白天相比拟，工效降低是无法避免的事实。同时，由于夜间气温降低，空气中的水汽在铁件表面形成水露，铁件表面无法保持干燥，对防腐涂刷作业而言要达到基底干燥的要求，务必还要采取其它的措施，增加了工作量和作业难度。
5.3 维护条件不足
雨棚钢桁架上，在设计时并没有考虑到后期维护所需的检修通道等条件及安全保障措施。在如此位置进行高空作业，对作业人员的人身安全是极大的威胁。
5.4 无法使用机械设备
受站台活动面宽度、站台所能承受的荷载、站台轨道上方存在接触网线等因素的制约，站台面也不具备上大型高空作业机械设备的条件。
6 沿海既有铁路客站雨棚钢结构防腐体系研究
6.1 铁路客站钢结构防腐体系的研究方向及目标
综合考虑沿海区域的环境因素、钢结构的锈蚀原因、雨棚钢结构特点和钢结构涂层维护的现实困难，对处于高湿度、高盐分、高温环境中的既有铁路客站雨棚钢结构的防腐涂层体系，必须实现以下特性目标：
1）长效防腐。粗略测算，同样体量的钢结构进行相同的防腐维护，营业线施工工期是非营业线施工的8-15倍，费用是非营业线施工的15-20倍。作业过程还需各相关专业的配合，对行车秩序的影响也很大。为确保行车安全，减少对行车秩序的影响，在维护层面来说，涂装体系的防腐效能越长越好，免维护周期至少应在10年甚至更长。
2）基层处理要求低。由于营业线施工的特点，动辄几万平方米甚至几十万平方米投影面积的钢结构雨棚只能靠每天凌晨仅有的3小时进行防腐维护作业；再加上雨棚桁架内缺少安全检修通道的高空作业以及无法使用大型高空作业机械设备、夜间施工光线不足等因素，难以将钢结构基层表面处理成设计要求的Sa2.5等级及以上。因此，所使用的涂层必须具备在既有钢结构仅由人工去除表面浮锈的低表面处理情况下防腐性能优良的特性。
3）可带湿带锈施工及湿态附着力优异。根据凌晨空气中水汽容易在铁件表面凝结成水露而无法保证基层干燥的特点，以及基层表面锈层处理无法精细到位的情况下，必须要求新的防腐涂层材料可以带湿带锈施工，同时湿态附着力要表现优异。
4）固锈及转锈性能。由于既有钢结构仅由人工去除表面浮锈，钢结构表面仍有锈层，因此防腐底漆还必须有固锈功能，确保锈蚀不再蔓延，并把锈层转化或稳定下来。
5）可隔绝外界腐蚀性介质。隔绝外界腐蚀性介质如水汽、化学物质、氧气等进入基材，从而使得金属表面始终处于惰性状态，最大程度减少电化学腐蚀的发生，延长被保护物件的寿命。
6）低温固化。由于凌晨天窗作业的特殊性，这时气温较低，因此要求所使用的涂层材料要具有低温固化功能。
7）高耐水性、耐盐雾性、耐老化性能。
6.2 长效防腐涂层体系研究
通过前期市场调查，在广泛接触国内多家钢结构防腐企业的基础上，邀请了有兴趣、有能力的广州市希尔德新材料科技有限公司参与课题攻关，技术方案如表1。该方案是基于沿海高湿、高盐分、高温等环境下的低表面处理（仅处理表面浮锈即可）涂装技术，为油性长效防腐涂层体系。
表1 长效防腐技术方案
6.2.1 长效防腐涂层体系介绍。
1）底漆。底漆油漆组分选择低粘度环氧树脂，可获得好的渗透性能和好的抗化学性和耐腐蚀性。活性稀释剂则为端基为羧基和端基为酚羟基的超支化聚合物，固化剂采用腰果油酚醛胺。底漆的配方设计可赋予底涂层与既有钢结构旧漆膜表面有好的附着力，并具有好的湿态附着力，在实锈表面有好的渗透和润湿性能，好的阻止水和水汽透过性能和封固、转化实锈性能。
2）中间漆。中间漆侧重具有好的屏蔽性能，可有效阻止水汽、氯离子等盐分的渗透；也要考虑可满足潮湿表面施工的问题。因此中间漆采用经过表面处理的玻璃鳞片来加强中间漆的抗渗透性能。
3）面漆。高氟含量的氟碳涂层具有优异的耐候性能，面漆中的氟含量高达22%确保了面涂层具有出色的耐久性（包括耐候性、耐酸耐化学品性和耐水耐氯离子透过性等）。
6.2.2 长效防腐涂层体系现场涂试。
1）现场试涂方案。2016年9月在海口东、长流站各选取100平方米投影面积的钢结构进行实地试涂测试，测试效果良好。为方便检查是否漏涂和今后检查钢结构是否生锈，底漆和中间漆的颜色特意选择浅色或与铁锈颜色差异大的颜色，各层涂料色差较明显。长效防腐涂层体系试涂方案见表2。
表2 长效防腐涂层体系试涂方案
2）涂刷表面处理与施工工艺。涂层施工前，表面仅需手持电动工具粗略过一遍（见图2），锈蚀严重部位由工人用手持电动工具或手动工具做重点处理（见图3），然后用抹布除去表面灰尘，表面处理等级仅为St3.0级。同时，根据实际情况采用滚涂施工，每层漆间隔涂刷时间为24小时。
图2 钢结构涂刷表面处理图
图3 重要节点涂刷表面处理图
3）涂层检查。每完成一遍油漆后做涂层检查，检查有无漏涂或滚涂是否均匀，如发现有问题及时整改。按照5点/100平方米均匀选取有代表性的点固定下来做涂层厚度测试。厚度测试要求测试点中90%的点的厚度不低于设计涂层厚度的80%。
4）后续长期观察。防腐涂层验收完工后前4年每2年检查一次，重点检查的部位用记号笔详细记录下来，以便同一部位进行对比；4年后每1年检查一次。涂刷后现场照片见图4、图5。
6.3 老化测试
6.3.1 老化测试项目与结果。委托对所研发的低表面处理长效防腐涂料进行老化加速测试和防腐涂料氯离子渗透率测试。如表3：
表3 长效防腐涂层体系老化测试表
1）潮湿表面施工性。测试结果表明防腐涂层均为施工无异常，附着力正常。
2）锈蚀表面施工性。测试结果表明防腐涂层在潮湿表面和锈蚀表面均具有好的施工性和优异的附着性，可确保在潮湿表面和锈蚀表面正常施工。
3）附着力。测试结果表明防腐涂层干态附着力远大于国家标准；湿态附着力也大于干态附着力的标准，说明腐蚀性介质如水分对该防腐涂层系统界面极性基团的破坏远不足以导致涂层防腐性能失效。
4）耐化学性。测试结果表明防腐涂层可有效抵御海南高盐分环境及酸雨的侵蚀，涂层能对钢构提供有效的保护。
5）耐候性。涂层中的氟含量高达22%，经2000小时的人工老化测试，含有四氟树脂的氟碳涂层具有优异的耐候性，可有效抵抗海南高日光照射和紫外线对涂层的破坏作用，有效保护了中间层和底涂层，可满足雨棚钢结构长效防护设计要求。
6）耐盐雾。经2000小时老化循环测试，防腐涂层无粉化、变色0级、无锈蚀、无起泡、无剥落、无开裂等致命缺陷，防腐涂层有优异的防腐蚀性能，可满足长效防护的设计要求。
7）氯离子透过率。氯离子透过率越低说明其抵抗腐蚀性介质穿过的性能就越好，腐蚀性介质穿过涂层到达基底的时间就越长，防腐保护的周期就越长。防腐体系的氯离子透过率（0.5*10E-3mg/（cm2.d））远低于海工行业标准（5*10E-3mg/（cm2.d）），可满足长效防腐的设计要求。
6.3.2.老化测试结果总体评价。总体来说，防腐涂料潮湿表面施工性、锈蚀表面施工性、湿附着力、耐盐水、耐水、耐5%硫酸、氟含量、氯离子透过率、氙灯人工老化指标）、盐雾老化循环腐蚀测试等关键指标均达到课题组自设指标值（严于国家、行业标准），具有优异的长效防腐性能。
7 结语
沿海既有铁路客站雨棚钢结构的长效防腐研究工作是一项极具挑战性和极具现实意义的事情，研制成功的长效防腐体系，由于其具有长效防腐、表面处理要求低、可带湿带锈施工、湿态附着力优异等优点，以及具有封固及转化实锈性能和良好的高耐水、耐盐雾、耐老化等性能，完全适应沿海铁路既有客站雨棚钢结构营业线施工天窗维护作业时间短、夜间带湿施工的要求，具有在国内其他既有铁路推广使用的价值和意义。
参考文献：
[1]李荣俊.重防腐涂料与涂装[M].北京：化学工业出版社，2013.
[2]高荣杰，杜敏.海洋腐蚀与防护技术[M].北京：化学工业出版社，2011.
[3]黄彦良，郑传波，等.海洋大气腐蚀环境下钢材氢脆理论及应用[M]. 北京：科学出版社，2016.
[4]李晓刚，肖葵，程学群，吴俊升.海洋大气环境腐蚀寿命[M].北京：科学出版社，2016.
[5]李晓刚，董超芳，肖葵，高瑾.西沙海洋大气环境下典型材料腐蚀/老化行为与机理[M].北京：科学出版社，2014.
[6]铁路营业线施工安全管理办法（铁运[2012]280号）[S].2012.
作者简介：
1.骆锦锋，男，1976年6月30日出生，本科学历，广东省广州市人，现任中国铁路广州局集团有限公司土地房产公寓处高铁房建设备科科长，专职从事高铁房建设备管理工作9年。
2.黄玉科，男，1977年10月20日生，硕士学历，河南省南阳市人，现任广州市希尔德新材料科技有限公司技术负责人，从事高性能防腐涂料研究14年。
论文作者:骆锦锋1,黄玉科2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/7
标签：钢结构论文; 涂层论文; 雨棚论文; 锈蚀论文; 长效论文; 客站论文; 表面论文; 《防护工程》2018年第9期论文;