Dr inż. Mariusz Jaśniok, dr hab. inż. Adam Zybura, Politechnika Śląska, Gliwice. 1. Wprowadzenie. 2. Ochrona zbrojenia powłokami metalicznymi

Transkrypt

1 Zabezpieczenie i regeneracja zagrożonych korozją konstrukcji z betonu (cz. II) Zabezpieczenie prętów zbrojeniowych powłokami ochronnymi oraz inhibitorami 26 Dr inż. Mariusz Jaśniok, dr hab. inż. Adam Zybura, Politechnika Śląska, Gliwice 1. Wprowadzenie W dobrze zaprojektowanych i wykonanych konstrukcjach żelbetowych powszechnego użytku korozja nie powinna wystąpić przez okres nie krótszy niż 50 lat. Zabezpieczenie przed korozją stanowi prawidłowej jakości otulina betonowa o grubości dobieranej według normy PN-B-03264:2002 [1] w zależności od klasy ekspozycji środowiska. Klasa ekspozycji środowiska ma także wpływ na wymaganą jakość otuliny, którą powinny zapewnić przyjęte prawidłowo: klasa betonu, wskaźnik w/c i zawartość cementu, a także właściwa pielęgnacja w okresie dojrzewania. Pomimo spełnienia normowych warunków konstrukcyjnych, po upływie projektowanego okresu trwałości, zbrojenie może zostać dotknięte korozją, co jest wynikiem procesów dyfuzji przez otulinę składników agresywnych z otoczenia. Mechanizm ochrony zbrojenia otuliną betonową oraz procesy prowadzące do wystąpienia korozji przedstawiono w pracy [2]. Jeżeli trwałość konstrukcji żelbetowych powinna być większa niż jest w stanie zapewnić prawidłowa otulina, to konieczne są dodatkowe zabezpieczenia. Do takich zabezpieczeń należą między innymi rozwiązania stosowane początkowo w urządzeniach i konstrukcjach metalowych stal nierdzewna, powłoki ochronne na powierzchni wkładek oraz inhibitory. Zbrojenie ze stali nierdzewnej od pewnego czasu jest jednostkowo stosowane za granicą w szczególnych konstrukcjach, np. cienkościennych elementach o charakterze dekoracyjnym i obiektach o walorach architektonicznych. Norma PN-B-03264:2002 [1], przyjmując zalecenia Eurokodu 2, dopuszcza możliwość zbrojenia konstrukcji żelbetowych wkładkami ze stali nierdzewnej. Ostatnio w kraju są oferowane druty i pręty nierdzewne o profilu żebrowanym i średnicy od 3 mm do 50 mm [3]. W naszych warunkach dotąd praktycznie nie używano prętów zbrojeniowych z powłokami ochronnymi, natomiast doświadczenia z inhibitorowymi zabezpieczeniami zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych były bardzo skromne. W niniejszym artykule przedstawia się technologię i skuteczność zabezpieczenia przed korozją wkładek zbrojeniowych powłokami metalicznymi i z tworzyw sztucznych na podstawie amerykańskich danych. Omawia się także charakter działania ochronnego substancji stosowanych jako inhibitory zbrojenia konstrukcji żelbetowych, technikę i rezultaty napraw prowadzonych przy użyciu inhibitorów. 2. Ochrona zbrojenia powłokami metalicznymi Po raz pierwszy powłoki metaliczne (cynkowe) na zbrojeniu zastosowano w 1953 roku, wykonując żelbetową konstrukcję mola poddawanego wpływom wody morskiej [4]. Do metalicznej ochrony powłokowej zbrojenia najczęściej stosuje się cynk. Powłoka cynkowa w początkowej fazie ochrony izoluje pręt zbrojeniowy od wpływu substancji agresywnych i dostępu tlenu. Po uszkodzeniu i rozszczelnieniu powłoki cynkowej, w styku z roztworem porowym spełniającym rolę elektrolitu, tworzy się ogniwo galwaniczne. Ponieważ cynk jest metalem o niższym od żelaza potencjale standardowym, więc przyjmuje on rolę anody, natomiast stal katody. Z cynkowej anody do roztworu porowego przechodzą kationy Zn 2+, aż do wyczerpania się zapasu tego metalu. Elektrochemiczne roztwarzanie anody przez długi czas uniemożliwia korozję stalowych prętów w betonie. W Stanach Zjednoczonych do wykonywania powłok cynkowych na stali zbrojeniowej stosuje się technologię zwaną Hot-Dip Galvanizing (HDG). Wymagania techniczne dotyczące cynkowania zbrojenia zamieszczono w amerykańskich przepisach normowych ASTM A-767/A-767M [5] oraz ASTM A-123/ A-123M [6]. Ujednolicone międzynarodowe przepisy ochrony zbrojenia przez cynkowanie opublikowane zostaną w obecnie opracowywanym dokumencie ISO/CD Technologia cynkowania ogniowego HDG (Hot-Dip Galvanizing),

2 KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY Rys. 1. Metaliczna powłoka cynkowa na zbrojeniu układ faz stopowych na stali wykonanych w technologii HDG Hot-Dip Galvanizing opis w tekście [8] polega na kąpieli stali zbrojeniowej w stopionym cynku w temperaturze C [7]. Proces składa się z trzech głównych etapów: przygotowania powierzchni zbrojenia, obróbki w topniku oraz wytworzenia powłoki cynkowej. W pierwszym etapie przeprowadza się obróbkę wstępną zbrojenia, polegającą na usuwaniu zanieczyszczeń, odtłuszczaniu, trawieniu i płukaniu. W następnym etapie wykonuje się topnikowanie, które ma na celu ostateczne przygotowanie powierzchni stali przed cynkowaniem (m.in. usuwanie tlenków po trawieniu). Końcowy etap procesu prowadzi do wytworzenia ostatecznej powłoki ochronnej w wyniku przeciągnięcia stali zbrojeniowej przez stopiony cynk. Stosunkowo zimna powierzchnia zbrojenia pokrywa się cienką warstewką roztopionego cynku [7]. Grubość powłoki, regulowana czasem przetrzymywania zbrojenia w kąpieli cynkowej, nie powinna być mniejsza niż 80 µm. Na powierzchni zbrojenia w trakcie procesu cynkowania technologią HDG mogą powstać cztery fazy stopowe powłoki metalicznej o różnych zawartościach cynku i żelaza [7] (rys 1). Pierwsza od strony powierzchni stali zbrojeniowej 1 warstwa 2 gamma, zawierając 75% a b cynku i 25% żelaza, jest najcieńsza oraz najtwardsza. Druga warstwa 3 delta, składa się z 90% Zn i 10% Fe, natomiast trzecia warstwa 4 kryształów słupkowych zeta 4, stanowi mieszaninę 94% Zn i 6% Fe. Ostatnia, czwarta warstwa 5 powłoki metalicznej na zbrojeniu jest najbardziej miękka i w 100% zawiera czysty cynk [7]. Nie wszystkie powłoki cynkowe składają się z czterech opisanych wyżej warstw. W zależności od struktury stali, a także od warunków technologicznych procesu cynkowania, na powierzchni zbrojenia mogą powstać dwie lub tylko jedna warstwa powłoki cynkowej. Na rysunku 2a przedstawiono ocynkowane zbrojenie o masie 6 ton segmentu rurociągu żelbetowego. Segment średnicy 3 m i wysokości 8,5 m (rys. 2b) jest powtarzalnym elementem 48-kilometrowego rurociągu na dnie morza, budowanego w latach przez rząd Singapuru. W trakcie realizacji przedsięwzięcia przewiduje się zastosowanie ton ocynkowanej stali zbrojeniowej [4]. 3. Ochrona zbrojenia powłokami z tworzyw sztucznych Innym sposobem ochrony powierzchni zbrojenia przed korozją Rys. 2. Przykład zastosowania zbrojenia zabezpieczonego powłoką cynkową wielkośrednicowe segmenty żelbetowe rurociągu w Singapurze: a) ocynkowany szkielet zbrojeniowy, b) prefabrykat [4] jest nakładanie powłok z tworzyw sztucznych. Ochronę zbrojenia powłokami epoksydowymi ECR Epoxy-Coated Rebars wprowadzono w Stanach Zjednoczonych na początku 70. lat XX wieku [9]. Procedura stosowania metody ECR w konstrukcjach mostowych została ujęta w normach na początku 80. lat ubiegłego wieku. Po raz pierwszy zbrojenie chronione powłoką epoksydową zastosowano w 1973 roku w płycie żelbetowej mostu West Conshohocken w Pensylwanii. Od tego momentu w Ameryce Północnej powłokami epoksydowymi zabezpieczono ponad 4,5 miliona ton stali zbrojeniowej w konstrukcjach z betonu [10]. Zasadniczą rolą powłok epoksydowych na zbrojeniu jest izolacja stali od otoczenia cieczy porowej w betonie, zawierającej składniki agresywne migrujące ze środowiska zewnętrznego. Powłoka epoksydowa stanowi elektryczny izolator, blokujący rozwój elektrochemicznych procesów korozyjnych na zbrojeniu. Optymalna grubość powłoki wynosi µm [9]. Stosuje się dwa rodzaje powłok epoksydowych wtapianych w powierzchnię stali zbrojeniowej. Pierwszy rodzaj pre-bent, to powłoki nakładane na wcześniej całkowicie przygotowane pręty zbrojeniowe, bez możliwości ich odginania w takcie montażu na budowie [11]. Drugi rodzaj post bent, to powłoki wtapiane w proste pręty zbrojeniowe, które po nałożeniu powłoki epoksydowej można dowolnie kształtować (odginać) przed ułożeniem w deskowaniu [12]. W celu łatwego rozróżnienia rodzaju powłoki wprowadzono odmienne kolory. Zbrojenia zabezpieczone systemem pre-bent potocznie określane są jako pręty popielate lub fioletowe, natomiast system post bent jako pręty zielone [10]. Zielona powłoka epoksydowa systemu post-bent charakteryzuje się dużą elastycznością, co ułatwia dostosowanie kształtu zabezpieczonych prętów zbrojeniowych do potrzeb na budowie. Popielate lub fioletowe powło- 27

3 28 Rys. 3. Technika nakładania powłok epoksydowych na stal zbrojeniową [10] ki systemu pre-bent wykazują lepsze właściwości adhezyjne do stali i większą trwałość od powłok pre- -bent. Jak podkreślają producenci, oba typy powłok są przyjazne środowisku. Proces nakładania powłok epoksydowych systemów pre-bent i post bent na stal zbrojeniową składa się z czterech głównych etapów: przygotowania powierzchni, ogrzewania, wtapiania oraz utwardzania [10] rysunek 3. Powierzchnię stali zbrojeniowej czyści się sprężonym powietrzem metodą strumieniowo-ścierną. Stalowe pręty nagrzewa się w piecu gazowym lub elektrycznym do temperatury 245 C. Na rozgrzane pręty rozpyla się suchy proszek epoksydowy, który elektryzowany podczas wyrzutu z dysz ciśnieniowych, przyciągany jest elektrostatycznie do powierzchni gorącej stali. Z chwilą uderzenia w rozgrzane zbrojenie, cząstki proszku epoksydowego ulegają roztopieniu, spajając się ze strukturą stali. Chemiczne utwardzenie powłoki na zbrojeniu następuje w czasie sekund [10]. Na rysunku 4 przedstawiono fragment wznoszonego mostu w San Mateo z wkładkami zbrojeniowymi pokrytymi powłoką epoksydową systemu pre-bent. 4. Ograniczenia stosowania zbrojenia zabezpieczonego powłokami Stosowanie metod powierzchniowego zabezpieczania zbrojenia powłokami epoksydowymi lub cynkowymi wiąże się z pewnymi ograniczeniami. Jednym z głównych problemów jest niebezpieczeństwo uszkodzenia powłok podczas układania zbrojenia w deskowaniu, a także przycinania, odginania lub spawania prętów zbrojeniowych na budowie. Powłoki cynkowe charakteryzują się bardzo dużą odpornością na uszkodzenia mechaniczne. W czasie układania w deskowaniu uszkodzeniu może ulec jedynie wierzchnia cynkowa warstwa eta powłoki (por. rys. 1). Pozostałe trzy warstwy stopowe zeta, delta i gamma są twardsze od stali zbrojeniowej, stanowiąc skuteczną barierę ochronną [13]. Konieczność naprawy lub uzupełnienia niezabezpieczonej powłoką cynkową powierzchni zbrojenia występuje jedynie w wypadku przecinania lub spawania prętów. Metody napraw tych uszkodzeń ujęto w amerykańskiej normie ASTM A780 [14]. Jedna z metod polega na metalizacji uszkodzonych fragmentów powłoki poprzez cynkownie natryskowe (np. pistoletem plazmowym), podczas którego rozpylane cząstki cynku uderzają z dużą siłą w powierzchnię stali zbrojeniowej, wbijając się i wygładzając mikro-nierówności podłoża. Powłoki epoksydowe są znacznie mniej odporne od powłok cynkowych na uszkodzenia mechaniczne w trakcie układania zbrojenia w deskowaniu. Mikroskopijne zarysowania czy pęknięcia powłoki otwierają drogę do wnikania wilgoci oraz agresywnych substancji [13]. Docinanie i spawanie na budowie zabezpieczonych epoksydowo prętów jest możliwe, ale powstałe uszkodzenia wymagają uzupełnienia brakującej powłoki. Odginanie prętów zbrojeniowych dopuszczalne jest jedynie w wypadku elastycznej odmiany powłoki post bent, która jest jednak mniej trwała od sztywniejszej odmiany pre-bent. Na rysunku 5 przedstawiono porównawczo skutki lekkiego wygięcia żebrowanego pręta zbrojeniowego zabezpieczonego nieelastyczną powłoką epoksydową pre- -bent oraz wkładki zbrojeniowej z metaliczną powłoką cynkową. Stosowanie powłokowego zabezpieczania zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych wymaga znajomości wpływu powłoki na przyczepność zbrojenia do betonu. Jak wykazały badania doświadczalne w wypadku powłoki cynkowej siły przyczepności były co najmniej równe lub większe o 20% od niezabezpieczonej stali zbrojeniowej. Zastosowanie powłoki epoksydowej spowodowało obniżenie przyczepności zbrojenia do betonu o około 30 35% w porównaniu z wkładkami bez powłoki [13]. Miarą przydatności powłok cynkowych i epoksydowych do zabezpieczenia zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych jest skuteczność ochrony przeciwkorozyjnej w warunkach stwarzanych przez beton. Jak wykazały blisko 30-letnie amerykańskie obserwacje użytkowanych konstrukcji żelbetowych, powłoki epoksydowe nie stanowiły zbyt dobrego zabezpieczenia przed agresywnymi czynnikami wnikającymi do betonu. Na podstawie badań 18 mostów w Virginii [9] oraz 30 mostów na Florydzie [15], autorzy raportów krytycznie ocenili skuteczność ochronną powłok epoksydowych systemu ECR. Stwierdzono brak istotnej różnicy w zaawansowaniu procesów korozyjnych na stali chronionej powłoką epoksydową i niezabezpieczonej. Uznano, że główną przyczyną korozji zbrojenia chronionego powłoką epoksydową było rozszczelnienie tworzywa oraz silny spadek przylegania (adhezji) do stali. W pracy [9] stwierdzono, że wnikające przez mikrorysy w powłoce wraz z wilgocią jony chlorkowe, silnie pobudzały procesy korozyjne. Korozja zbrojenia rozwijała się pod powłoką

4 KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY z szybkością odpowiadającą intensywności korozji stali w kwasie. Badania laboratoryjne oraz badania konstrukcji żelbetowych w warunkach rzeczywistych, wskazywały na lepszą ochronę przed korozją zbrojenia ocynkowanego, niż zbrojenia zabezpieczonego powłokami epoksydowymi. W badaniach [16] nie stwierdzono istotnej różnicy postępu korozji prętów zbrojeniowych pokrytych cynkiem i bez takiego zabezpieczenia w betonowych elementach próbnych poddanych jednakowym wpływom agresywnego środowiska. Zauważono jednak, że w wypadku istnienia powłoki cynkowej tworzyły się produkty korozji, których objętość była o 1/3 mniejsza od objętości produktów korozji stali zbrojeniowej bez ochrony [16]. W konsekwencji, rozsadzające działanie produktów korozji powodowało mniejsze uszkodzenia otuliny chroniącej zbrojenie ocynkowane. W innych badaniach laboratoryjnych [17], stwierdzono nawet 86% redukcję szybkości korozji zbrojenia po zastosowaniu powłoki cynkowej. Badania [18] eksploatowanych przez 20 lat mostów betonowych na Bermudach, nie wykazały żadnych zniszczeń korozyjnych pokrytej powłoką cynkową stali zbrojeniowej, potwierdzając nizmu działania, wyróżnia się inhibitory: anodowe tworzące warstewkę ochronną na anodowej powierzchni stali, hamując reakcję roztwarzania żelaza (rys. 6a), katodowe które w środowiskach alkalicznych tworzą warstewkę ochronną na katodowej powierzchni stali, ograniczając reakcje katodowe w obecności tlenu (rys. 6b), mieszane powodujące równoczesne hamowanie reakcji anodowych i katodowych (rys. 6c). Grupa związków nieorganicznych obejmuje najbardziej efektywne inhibitory tzw. pasywatory, które mogą działać bez udziału tlenu. Po zaadsorbowaniu na powierzchni stali powodują dużą zmianę potencjału doprowadzając do pasywacji. Pasywatory są inhibitorami anodowymi. Mechanizm ich działania polega na naprawie warstewki pasywnej lub w przypadku jej uszkodzenia na adsorpcji cząsteczek inhibitora do powierzchni stali [19]. Cząsteczki te aktywnie konkurują z chlorkami niszczącymi warstewkę pasywną. Do najpopularniejszych inhibitorów anodowych stosowanych w ochronie zbrojenia konstrukcji żelbetowych należą azotyny i azotany wapnia. Jednak związki nieorganiczne cechuje duża toksyczność. Ze względu na szkodliwe działanie na ludzi i środowisko zastępuje się je bardziej przyjaznymi inhibitorami organicznymi. Inhibitory organiczne wywołują procesy ochronne o charakterze mieszanym (anodowo-katodowym), tworząc monomolekularną warstewkę pomiędzy powierzchnią metalu a wodą. Hamuje ona korozję wskutek adsorpcji grup polarnych, które wypierają cząsteczki wody i agresywne jony. Efektywne hamowanie korozji następuje jednak przy większym stężeniu niż w wypadku inhibitorów nieorganicznych. Inhibitory organiczne stanowią związki należące do amin, alkiloamin, estrów, kwasów organicznych i ich soli [19, 20]. W patena Rys. 4. Przykład zastosowania zbrojenia zabezpieczonego powłoką epoksydową San Mateo Bridge: a), zbrojenie bloków fundamentowych, b) zbrojenie słupów o przekroju kołowym [10] a b Rys. 5. Skutki wygięcia żebrowanego pręta zbrojeniowego zabezpieczonego: a) nieelastyczną powłoką epoksydową pre-bent, b) metaliczną powłoką cynkową [13] prawidłową skuteczność tego typu ochrony zbrojenia. 5. Charakterystyka substancji stosowanych jako inhibitory zbrojenia b Ochrona inhibitorowa polega na zastosowaniu związku lub mieszaniny kilku związków, których niewielki dodatek do środowiska korozyjnego, powoduje zmniejszenie szybkości korozji metalu stykającego się z tym środowiskiem. Początkowo inhibitory służyły do ochrony przed korozją metalowych urządzeń technologicznych. Pozytywne wyniki w zabezpieczeniu konstrukcji metalowych spowodowały podjęcie prób ochrony na podobnych zasadach zbrojenia konstrukcji żelbetowych. Do pierwszych realizacji ochrony zbrojenia konstrukcji żelbetowych inhibitorami doszło w latach 80. XX wieku. Od tego momentu nastąpił gwałtowny rozwój produkcji i badań środków inhibitujących korozję stali w betonie. Inhibitorami korozji zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych mogą być zarówno związki organiczne, jak i nieorganiczne. W zależności od rodzaju środowiska korozyjnego i elektrochemicznego mecha- 29

5 30 cie [21] wskazuje się właściwości inhibitujące grupy amin, wyszczególniając: dietanoloaminę, dimetylopropanoloaminę, etanoloaminę i dimetyloetanoloaminę. Cząsteczki adsorbującej się aminy są z jednej strony hydrofilowe, a z drugiej hydrofobowe. Powoduje to ustawianie się cząsteczek równolegle względem siebie i prostopadle do powierzchni zbrojenia. Szczególne znaczenie w naprawach konstrukcji żelbetowych mają inhibitory migrujące, które naniesione na powierzchnię elementu działają na umieszczone w głębi betonu zbrojenie. Oprócz zdolności do ograniczenia korozji zbrojenia inhibitory migrujące muszą charakteryzować się dodatkową cechą łatwym wnikaniem w otulinę betonu na skutek dobrych właściwości dyfuzyjnych w cieczy porowej oraz wysokiej prężności pary. Stosując aminy i alkiloaminy opracowano szereg inhibitorów, takich jak: MCI-2000, MCI-2020 [22], Ferro- Gard 901, FerroGard 903 [23], których stosowanie zaleca się do hamowania korozji zbrojenia w istniejących lub wznoszonych konstrukcjach żelbetowych [24]. 6. Technika prowadzenia napraw przy użyciu inhibitorów Inhibitory korozji można wprowadzić do betonu jako: płynny, suchy lub zawiesinowy dodatek do świeżej mieszanki betonowej (rys. 7a), składnik zaprawy naprawczej typu PCC (Polymer Cement Concrete) (rys. 7b), powłokę w postaci impregnatu lub farby, zabezpieczającą powierzchniowo beton lub roztwór nasycający otulinę, aplikowany na powierzchnię związanego betonu (rys. 7c). W nowo wykonywanych konstrukcjach żelbetowych istnieje możliwość stosowania inhibitorów w postaci dodatków do świeżej mieszanki betonowej. Dodatki te mają na celu opóźnienie w przyszłości momentu wystąpienia korozji beton b) 3 4 e OH stal roztwór 1 Fe 2+ 2 zbrojenia. Domieszki zawierające inhibitory korozji, można również aplikować w zaprawach systemów naprawczych typu PCC (Polymer Cement Concrete). W tym wypadku inhibitor powinien działać hamująco na zainicjowane procesy korozyjne. Stosowana w kraju domieszka FerroGard 901 [23], jest płynną, nietoksyczną substancją, dozowaną w ilości 3 4% masy cementu lub 12 kg/m 3 betonu. Według producenta FerroGard 901 nie wpływa na właściwości mieszanki betonowej oraz nie oddziałuje negatywnie na cechy mechaniczne stwardniałego betonu. Domieszkę FerroGard a) c) 3 4 e e OH stal roztwór OH stal roztwór Fe Fe 2+ Rys. 6. Schemat działania inhibitorów: 1 beton bez właściwości ochronnych z zaadsorbowanym inhibitorem, 2 strefa korozji zbrojenia, 3 miejsce reakcji katodowej, 4 miejsce reakcji anodowej [26] 901 można stosować ze wszystkimi rodzajami cementów. Oferuje się także domieszki z inhibitorami korozji do betonów i zapraw w postaci: płynu MCI 2000, proszku MCI 2001 lub zawiesiny MCI 2002 [22]. Zaleca się dozowanie w ilości: MCI ,62 l/m 3, MCI ,78 kg/m 3 oraz MCI ,5 2,5 l/m 3 [22]. Wytwórca zapewnia, że domieszka MCI 2000 nie zmienia w sposób istotny właściwości związanego betonu, pod warunkiem przestrzegania zalecanego dawkowania. W istniejących konstrukcjach żelbetowych aplikację roztworów zawierających migrujące inhibitory korozji można wykonać niskociśnieniowym natryskiem, wałkiem lub pędzlem. Znany w kraju preparat FerroGard 903 [23] jest bezbarwną, niezawierającą rozpuszczalników, emulsją o lepkości 25 mpa s. Preparat nanosi się 3 5-krotne na powierzchnię zabezpieczanego elementu, tak aby łączne jego zużycie wynosiło 0,3 0,5 kg/m 2. Producent informuje, że prędkość penetracji preparatu FerroGard 903 przez otulinę w kierunku zbrojenia wynosi 2 20 mm/dobę, przy czym minimalna głębokość wnikania po 28 dobach powinna wynosić 80 mm. Inny, stosowany w kraju preparat MCI 2020, zawierający migrujące inhibitory korozji (Migrating Corrosion Inhibitors) został opatentowany w USA w 1986 r. [22]. Rys. 7. Techniki aplikacji i zasięg oddziaływania inhibitorów korozji zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych [22]

6 KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY Preparat MCI 2020 nanosi się w postaci zawiesiny wodnej na oczyszczoną powierzchnię betonu w ilości 0,1 0,3 kg/m 2. Dane producenta wskazują, że prędkość penetracji molekuł MCI w głąb otuliny wynosi 30 mm w ciągu 1 7 dni, w zależności od oporu dyfuzji betonu. 7. Skuteczność działania inhibitorów Skuteczność ochronnego działania inhibitorów korozji zbrojenia konstrukcji betonowej można określić na podstawie badań elektrochemicznych. Najczęściej stosuje się proste pomiary rozkładu potencjału stacjonarnego. Jednak znacznie precyzyjniejsze wyniki otrzymuje się bardziej zaawansowanymi metodami polaryzacji liniowej LPR (Linear Polarization Resistance) lub spektroskopii impedancyjnej EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy). Na podstawie stałoprądowych pomiarów LPR, uzyskuje się między innymi wartość gęstości prądu korozyjnego i kor [µa/cm 2 ], na podstawie którego oblicza się wskaźnik szybkości korozji zbrojenia v kor [mm/rok]. Wskaźnik v kor określa szybkość powstawania ubytków korozyjnych w okresie jednego roku. Przeprowadzenie zmiennoprądowych pomiarów EIS umożliwia ustalenie mechanizmu procesów korozyjnych na zbrojeniu oraz skuteczność ich hamowania przez zastosowane inhibitory. Skuteczność działania inhibitorów określa się według wzoru w którym v kor jest szybkością korozji stali zbrojeniowej w betonie nie zawierającym inhibitora, natomiast v kor,inh szybkością korozji tej stali po wprowadzeniu do betonu badanego inhibitora korozji. Przeprowadzane w kraju badania laboratoryjne i terenowe skuteczności inhibitorów migrujących [25] polegały na pomiarach potencjału korozyjnego i rezystywności betonu. Na podstawie tych badań wnioskowano o pozytywnym działaniu inhibitorów. Wnioski z badań są jednak zbyt optymistyczne. Pomiary potencjału stacjonarnego i rezystywności betonu określają jedynie warunki przebiegu procesów elektrochemicznych, natomiast nie wskazują ich rzeczywistej intensywności. Niepokojące wyniki uzyskano podczas badań zarysowanych elementów próbnych metodą polaryzacji liniowej [26]. Stwierdzono, że testowane inhibitory w początkowym okresie po zaaplikowaniu ograniczały korozję zbrojenia. Jednak po upływie dwóch lat intensywność korozji zbrojenia przekraczała poziom z przed zastosowania inhibitora. Dlatego do oceny skuteczności inhibitorów w warunkach krajowych należy podchodzić bardzo rozważnie, a nawet ostrożnie. Inhibitor działa za pośrednictwem cieczy porowej zawierającej rozpuszczalne składniki cementu. Istnieje zatem uzasadniona obawa nieprzewidywalnych reakcji ze składnikami stosowanych u nas cementów i w konsekwencji wystąpienia efektów odmiennych od oczekiwanych. Na konieczność ostrożnego postępowania przy doborze środków ochronnych wskazują wyniki badań inhibitorów zawierających aminy. Stwierdzono, że w miarę upływu czasu może nastąpić pogorszenie zabezpieczenia przeciwkorozyjnego zbrojenia w betonie. Adsorbowane chemicznie na powierzchni stali aminy są obecne przez pewien ograniczony okres. Okres ten zależy od czasu trwania przewagi sił wiązania między atomami azotu i żelaza nad rozpuszczalnością w otaczającym roztworze porowym. Siły wiązania przewyższają rozpuszczalność w roztworze niezawierającym agresywnych substancji, co powoduje zachowanie wysokiego stopnia ochrony. Natomiast obecność chlorków prowadzi do niekorzystnych zmian. Ciepło adsorpcji chlorków jest zbliżone do energii wiązania amin z żelazem. Na styku roztwór porowy zawierający inhibitor powierzchnia stali, zwolnione przez aminy miejsca mogą być zastępowane jonami chlorkowymi. Proces ten powoduje przyspieszenie korozji. Badania szeregu związków zawierających alkiloaminy wykazały niedostateczne inhibitowanie wżerów na stali w próbkach z zaprawy cementowej oraz brak obniżenia wartości współczynnika korozji [27]. Niekorzystne wyniki otrzymano pomimo dobrej skuteczności ochronnej tych samych związków stosowanych w roztworach wodnych. Stwierdzono jedynie opóźnienie inicjacji procesów korozyjnych, chociaż i ten efekt ulegał zmniejszeniu w wypadku karbonatyzacji próbek. Uważa się, że niewystarczające działanie ochronne substancji zawierających alkiloaminy było spowodowane różnicami szybkości dyfuzji występujących w migrujących inhibitorach składników lotnych i nielotnych. Ograniczenie przeciwkorozyjnego działania upatruje się także w reakcjach chemicznych inhibitora z rozpuszczalnymi minerałami cementu. Do ostrożnego stosowania inhibitorów migrujących skłaniają także doświadczenia z preparatem zawierającym około 95% dietyletanoloaminy. Po naniesieniu na powierzchnię próbek tego preparatu w dużym stężeniu (około 1 mol/dm 3 ) stwierdzano efekt inhibitowania korozji wżerowej zbrojenia [20]. Jednak właściwości inhibitujące roztworu obniżały się w czasie na skutek odparowania substancji lub wytrącania się nielotnych składników mieszaniny w obecności jonów wapniowych. Opublikowane wyniki badań krajowych i zagranicznych skłaniają do stwierdzenia, że: skuteczność inhibitorów migrujących powinna być sprawdzana przez długi okres, gdyż ich działanie ochronne może ograniczać się jedynie do czasu bezpośrednio 31

7 32 po zaaplikowaniu na powierzchni elementów betonowych, określając skuteczność inhibitorów migrujących szczególną uwagę powinno zwrócić się na ich działanie ochronne w strefie zarysowań otuliny, ponieważ w tych miejscach występuje znaczna koncentracja substancji agresywnych, a także jest to obszar zagrożony wypłukaniem zastosowanych związków, ze względu na dużą lotność związków zawartych w inhibitorach migrujących należy precyzyjnie przewidywać okresy ponawiania zabiegu lub równocześnie stosować środki utrudniające obniżanie stężenia składników ochronnych w strukturze betonu np. przez impregnację lub nanoszenie powłok ochronnych. 8. Podsumowanie Trwałość konstrukcji żelbetowych utożsamiana z okresem, w którym nie może wystąpić korozja zbrojenia zależy od prawidłowo wykonanej otuliny betonowej. Cechy materiałowo-geometryczne otuliny, dobrane w zależności od klasy ekspozycji środowiska, powinny zapewnić projektowaną trwałość nie krótszą od 50. lat. Jeżeli wymaga się, aby trwałość konstrukcji była większa niż zapewnia prawidłowa otulina, to konieczne są dodatkowe zabezpieczenia, do których należą między innymi stal nierdzewna, powłoki ochronne na powierzchni wkładek zbrojeniowych oraz inhibitory korozji. Na wybór rozwiązania mają wpływ zarówno warunki techniczne, jak też strona ekonomiczna inwestycji. W kraju są już oferowane wkładki nierdzewne o profilu żebrowanym do zbrojenia konstrukcji z betonu, natomiast dotychczas praktycznie nie używa się prętów z powłokami ochronnymi, a oceny skutków działania inhibitorów należy uznać za niewystarczające. Za granicą do zbrojenia konstrukcji narażonych na wpływy czynników agresywnych stosuje się pręty zabezpieczone powłokami z cynku i tworzyw sztucznych. Badania eksploatowanych obiektów wskazują, że powłoki cynkowe przyczyniły się do zwiększenia trwałości konstrukcji, natomiast powłoki z tworzyw sztucznych mogą być zawodne. Aczkolwiek zabezpieczenie zbrojenia konstrukcji inhibitorami korozji jest najprostsze i najtańsze, to jednak działanie ochronne tych związków w długim okresie czasu może być niedostateczne. Obniżenie skuteczności ochronnej stwierdzono w strefach zarysowanych na skutek wypłukiwania preparatu oraz w wyniku zmniejszenia stężenia inhibitora migrującego, wywołanego odparowaniem lotnych składników. BIBLIOGRAFIA [1] PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne i projektowanie [2] Jaśniok M., Zybura A., O przeciwkorozyjnym działaniu otuliny betonowej na zbrojenie. Zabezpieczenie i regeneracja zagrożonych korozją konstrukcji z betonu (cz. I), Przegląd Budowlany, 1, 2007, s. 20 [3] Stainless steel reinforcing bars UGIGRIP. Choosing durability. UGITECH Grupe Arcelor. Avenue Paul Girod, Ugine cedex France, także informacja Przegląd Budowlany 12, 2006, s. 1 [4] Galvanizers Association of Australia Product News; gaa.htm [5] ASTM A767/A767M: Standard Specification for Zinc-Coated (Galvanized) Steel Bars for Concrete Reinforcement [6] ASTM A123/A123M: Standard Specifications for Zinc (Hot-Dipped Galvanized) Coatings on Iron and Steel Products [7] Langill T.: Galvanized Rebar. Using zinc materials is one way to protect rebar. MC Magazine Archive, org/publications/mc/ [8] American Galvanizers Association Concrete Corrosion; showcontent,278,322.cfm [9] Pyć W. A., Field Performance of Epoxy- Coated Reinforcing Steel in Virginia Bridge Decks, PhD dissertation, Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University, September 4, 1998, Blacksburg, Virginia, PDF-format [10] FBC Systems, Inc., Concrete Reinforcing Steel, Corrosion Protection; fbcsystems.com/crs.html [11] ASTM A934: Standard Specification for Epoxy-Coated Prefabricated Steel Reinforcing Bars [12] ASTM A775: Standard Specification for Epoxy-Coated Steel Reinforcing Bars [13] Midwest Galvanizing Group Inc.; Documented Field Results of Epoxy Rebar versus Documented Results and Characteristics of Hot-Dip Galvanized Rebar; Rust free rebar rustfreetrucks.com/rebar/ Rust free rebar com/rebar/20333.html [14] ASTM A780: Standard Practice for Repair of Damaged and Uncoated Areas of Hot-Dip Galvanized Coatings [15] Sagues A. A., Corrosion of Epoxy Coated Rebar in Florida Bridges; Department of Civil Engineering and Mechanics, College of Engineering, University of South Florida, Tampa; May, 1994, PDF-format [16] Burke D. F. Performance of Epoxy- Coated Rebar, Galvanized Rebar, and Plain Rebar with Calcium Nitrite in a Marine Environment, Concrete Reinforcing Steel Institute, Research Series 2, July 1994, PDF-format [17] Clear K. C., Virmani Y. P., Jones W., Jones D., Time-to-Corrosion of Reinforcing Steel in Concrete, Vol. 4: Galvanizing Reinforcing Steel., Report No. FHWA/ RD-82/028. Federal Highway Administration, Washington, D.C., wg gov/structur/corros/results.htm [18] Cook A. R., Deicing Salts and the Longevity of Reinforced Concrete, Paper 132, Corrosion/80, National Association of Corrosion Engineers, Houston, wg results.htm [19] González J. A., Ramírez E., Bautista A., Protection of steel embedded in chloride concrete by means of inhibitors. Cement and Concrete Research, Vol. 28, No. 4, 1998, pp [20] Elsener B., Büchler D., Böhni H., Corrosion inhibitors for steel in concrete. Proc. European Corrosion Congress, Eurocorr 97, Trondheim, Norwegia, 1997, pp [21] USA Patent No z [22] Cortec Corporation, cortecmci.com [23] Sika Poland Sp. z o.o., com.pl [24] Tullmin M., Mammoliti L., Sohdi R., Hansson C.M., Hope B.B., The passivation of reinforcing steel exposed to synthetic pore solution and the effect of calcium-nitrite inhibitor. Cement Concrete and Aggregates, Vol. 17, No. 2, 1995, pp [25] Michalak E., Wpływ migrujących inhibitorów korozji na ochronę antykorozyjną stali zbrojeniowej w obiektach inżynierskich. X seminarium: Współczesne metody wzmacniania i przebudowy mostów, Poznań r., s [26] Jaśniok T., Śliwka A., Zybura A., Wpływ inhibitorów migrujących na stopień ograniczenia korozji zbrojenia w elementach zarysowanych; Inżynieria i Budownictwo, 4, 2006, s [27] Morris W., Vázquez M., A migrating corrosion inhibitor evaluated in concrete containing various contents of admixed chlorides. Cement and Concrete Research, 32 (2002), pp