Ochrona zbrojenia przed korozją w elementach żelbetowych

Transkrypt

1 Ochrona zbrojenia przed korozją w elementach żelbetowych mgr inż. Justyna Kuziak Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych 1 Podstawowymi wymaganiami zapewniającymi trwałość konstrukcji są: ustalenie grubości otuliny ochrona zbrojenia, odpowiednia szczelność betonu, dobór właściwego składu mieszanki betonowej, określenie możliwości występowania rys, sposób wykonawstwa oraz pielęgnacji betonu, zastosowanie odpowiednich materiałów wymagania normowe i jakościowe. 2 1

2 Korozja - samorzutne procesy destrukcyjne zachodzące w materiale, prowadzące do pogorszenia jego cech użytkowych, a w krańcowych przypadkach do całkowitego zniszczenia Korozja elementów żelbetowych korozja betonu korozja zbrojenia 3 Korozja betonu Korozja fizyczna Korozja biologiczna Korozja chemiczna 4 2

3 Przyczyny korozji stali w betonie Karbonatyzacja betonu Skażenia chlorkami 5 możliwość korozji stali skuteczna ochrona stali częściowa ochrona brak ochrony korozja stali korozja wżerowa stali korozja kwasowa stali i betonu korozja kwasowa młody beton częściowa beton karbonatyzacja skarbonatyzowany ph odczyn środowiska agresywność wobec betonu 11,8 zasadowy nieagresywne obojętny agresywne kwaśny mocno bardzo mocno słabo średnio 6 3

4 Żelazo w środowisku betonu skarbonatyzowanego Beton nieskarbonatyzowany: stal w stanie pasywnym Beton skarbonatyzowany: korozja ogólna stali Ogniwo stężeniowe: oksydacyjne Sumarycznie: Fe OH - Fe(OH) 2 4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O 4Fe(OH) 3 czerwona rdza Korozja elektrochemiczna 7 Mechanizm korozji wżerowej proces autokatalityczny anoda (powierzchnia wżeru): Fe Fe e katoda : ½ O 2 + H 2 O + 2e 2OH - przepływ prądu wędrówka chlorków do wżeru 2Cl - + Fe 2+ FeCl 2 FeCl 2 + 2H 2 O Fe(OH) 2 + 2H + + 2Cl - 8 4

5 Krytyczna zawartość chlorków w betonie 1 wg ENV 206: wartość uznawana za niebezpieczną 14 zawartość chlorków, %mas. 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 wykładnik jonów wodorowych ph ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 stężenie chlorków, c - Cl,mol/dm stężenie chlorków, c g/dm Cl, 3 9 Schemat rozwoju korozji stali w betonie zniszczenie korozyjne stali t Korozja Awaria Pasywność czas 10 5

6 Metody ochrony konstrukcji żelbetowych: odpowiednie zaprojektowanie i technologiczne wykonanie konstrukcji żelbetowych (klasa betonu, porowatość, wodoszczelność; układanie, zagęszczanie i pielęgnacja mieszanki betonowej) ochrona poprzez zmniejszenie stopnia oddziaływania czynników agresywnych (np. poprzez odpowiednią lokalizację budynków) metody elektrochemiczne ochrona katodowa, ochrona protektorowa elektrochemiczne usuwanie chlorków realkalizacja skarbonatyzowanego żelbetu elektroosadzanie stosowanie powłok ochronnych powłoki cementowe (wzrost ph środowiska) izolujące powłoki, np. epoksydowe konieczność zapewnienia ciągłości powłoki w czasie użytkowania konstrukcji budowlanej metoda penetrujących (migrujących) inhibitorów korozji 11 Ochrona katodowa od lat 70. XX w. 12 6

7 Ochrona katodowa procesy i ograniczenia Katoda (zbrojenie): 2H 2 O + O 2 + 4e 4OH - skutek: alkalizacja zasadniczo proces korzystny dla betonu ale może powodować alkaliczną reakcję kruszywa przy zbrojeniu Przy niedoborze tlenu: H 2 O H + + OH - 2 H + + 2e H 2 skutek: może stwarzać zagrożenie kruchością wodorową Anoda: 4OH - 2H 2 O + O 2 + 4e 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e 2Cl - Cl 2 + 2e Cl 2 + OH - ClO - + H + +Cl - skutek: zakwaszenie środowiska przy anodzie korozja kwasowa betonu jeśli anoda w betonie lub na jego powierzchni 13 Ochrona katodowa przykład zastosowań Eurotunel pod kanałem La Manche 14 7

8 Ochrona protektorowa za pomocą roztwarzalnych anod (tzw. metoda traconej anody) Fe 2 + Iop - Katoda e - Zn 2+ Zn(OH) 2 2OH _ Iop PROTEKTOR Reakcja anodowa 2+ Zn Zn + 2e- Reakcja katodowa _ 1 H e - 20H Elektrochemiczne usuwanie chlorków instalacja jak przy ochronie katodowej, anody zewnętrzne elektrolit zewnętrzny (np. maty filcowe nasycone roztworem NaOH, Na 2 CO 3 lub Ca(OH) 2 ) można usunąć 20-80% chlorków z betonu 16 8

9 Elektrochemiczne usuwanie chlorków - mechanizm 1 beton, 2 elektrolit, 3 anoda, 4 źródło prądu stałego, 5 - zbrojenie 17 Elektrochemiczne usuwanie chlorków - przykłady zastosowania po raz pierwszy: kąpielisko Trondheim w Norwegii most Lingenau w Austrii most Burlington Bay Skyway w Kanadzie 18 9

10 Realkalizacja skarbonatyzowanego żelbetu cel: odtworzenie wysokiego ph umożliwiającego odbudowę warstwy pasywnej na stali instalacja, jak przy ekstrakcji chlorków można uzyskać ph betonu 12,5-13,5 1 elektrolit zewnętrzny (Na 2 CO 3 ), 2 anoda, 3 zbrojenie, 4 źródło prądu stałego 19 Realkalizacja skarbonatyzowanego betonu - przykłady zastosowań po raz pierwszy: fasada budynku Norweskiego Banku Narodowego w Stavanger, 1988 r. Uniwersytet Techniczny w Trondheim w Norwegii elewacja kościoła św. Marka w Bettlach w Szwajcarii strop tunelu drogowego Arlberg Tunnel w Austrii 20 10

11 Elektroosadzanie elektrochemiczne wypełnianie rys, przebiegających wzdłuż i w poprzek zbrojenia przyłożenie ujemnego potencjału do zbrojenia elektromigracja jonów Ca 2+, Mg 2+, Zn 2+ w kierunku zbrojenia, które po osadzeniu tworzą np. wodorotlenki czy węglany, konieczny elektrolit zewnętrzny na powierzchni betonu źródło jonów (roztwory azotanów magnezu i cynku) metoda nowa i dotychczas mało rozpowszechniona 21 Elektrochemiczne metody naprawy - podsumowanie 22 11

12 Inhibitory korozji (ISO def.) związki chemiczne, które dodane w odpowiednich ilościach do betonu, potrafią zapobiegać lub spowalniać proces korozji stali w betonie i nie wpływają szkodliwie na właściwości betonu lub na naturę i mikrostrukturę produktów hydratacji. 23 Podział inhibitorów (na podstawie elektrochemicznego charakteru oddziaływania): Anodowe hamują proces anodowy Katodowe hamują proces katodowy Mieszane hamują zarówno proces anodowy jak i katodowy 24 12

13 Inhibitory korozji stali w betonie: dodawane do świeżego betonu (od lat 70-tych) nanoszone powierzchniowo na beton nanoszone w zaprawach naprawczych MCI Migrating Corrosion Inhibitors PCI Penetrating Corrosion Inhibitors 25 Wymagania stawiane inhibitorom korozji stali dodawanym do betonu przedłużenie okresu pasywności stali, a później zmniejszenie jej szybkości korozji brak ujemnego wpływu na właściwości zarówno betonu jak i mieszanki betonowej 26 13

14 Wymagania stawiane penetrującym inhibitorom korozji: przenikanie przez beton hamowanie korozji stali trwały efekt ochronny brak negatywnego wpływu na betonu nietoksyczność 27 Zawiesina wodna Zaprawa PCC Emitery cząsteczek nanoszenie środków ochronnych migracjacząsteczek inhibitora w kierunku stali przyciąganie do stali tworzenie powłoki pasywującej pręty zbrojeniowe element żelbetowy 28 14

15 Jako migrujące inhibitory korozji stali w betonie są stosowane: aminy i ich pochodne (aminoalkohle, sole amoniowe kwasów karboksylowych) kwasy dikarboksylowe, estry kwasów tłuszczowych, azotany(iii) monofluorofosforan sodu (MFP). 29 Azotany(III) jako PCI NO - 2 Wysoka skuteczność inhibicji Pasywatory Utleniają produkty korozji: 2Fe OH - + 2NO 2- = 2NO + Fe 2 O 3 + H 2 O Fe 2+ + OH - + NO 2- = NO + γfeooh warstwa pasywna 30 15

16 Wady azotanów(iii) NaNO NO 2 - reakcje alkaliczne z kruszywem (korozja wewnętrzna betonu) Rada: stosować Ca(NO 2 ) 2 Toksyczność - utlenia hemoglobinę we krwi do metahemoglobiny (brak właściwości transportowych tlenu) - ale dozwolona jako dodatek do mięs 31 Monofluorofosforan sodu jako PCI MFP Na 2 PO 3 F W betonie nieskarbonatyzowanym: - tworzy trudno rozpuszczalne sole w reakcji z wodorotlenkiem wapnia uszczelnienie - brak penetracji w betonie W betonie skarbonatyzowanym - migruje przez beton do stali i hamuje korozję 32 16

17 Handlowe PCI najczęściej mieszaniny mające w składzie lotne związki (aminy, aminoalkohole, sole amoniowe kwasów karboksylowych) dyfundujące do powierzchni stali oraz opóźniające korozję oraz związki nieorganiczne np. MFP zatykające pory w betonie i przez to ograniczające wpływ czynników korozyjnych 33 Problemy przy stosowaniu penetrujących inhibitorów korozji: Problem: lotność inhibitorów (aminy) - parowanie??? 34 17

18 Rozwój korozji stali w betonie zniszczenie korozyjne stali 0 czas 35 Rozwój korozji stali w betonie po zastosowaniu inhibitora na powierzchnię konstrukcji zniszczenie korozyjne stali t 0 czas 36 18

19 Skuteczność migrujących inhibitorów korozji (wyniki literaturowe): - skuteczność ogólnie: do 99% - maksymalne stężenie chlorków: - wpływ karbonatyzacji: skuteczne - wpływ jakości betonu: 3% 0,4% brak wpływu nieskuteczne wyższa skuteczność w szczelnym betonie 37 PCI - wątpliwości - odpowiedni moment wprowadzenia inhibitora gdy zniszczenia korozyjne stali są niewielkie konieczność monitoringu 38 19

20 Zalety PCI: - niskie koszty - prosty sposób aplikacji - możliwość przemieszczania się w betonie - nie zmieniają cech fizycznych betonu - ich użycie nie wymaga korygowania receptur mieszanek betonowych Wady PCI: - trudny do określenia czas dotarcia cząsteczek do zbrojenia, np. podaje się głębokość penetracji 8 cm po 28 dniach lub też 3 cm przez 1 rok, - niepewność działania przy dużym skażeniu jonami Cl - 39 Zastosowania: - most Itchen, Southampton, Wielka Brytania, - wiadukt nad przełączą Isarco (autostrada A22), Włochy -ściany zewnętrzne Pentagonu, Waszyngton, USA, - zapora Wisła-Czarne, Polska

21 Metody monitorowania korozji stali zbrojeniowej oraz oceny skuteczności inhibitora - pomiary potencjału korozyjnego stali - metoda polaryzacji liniowej - spektroskopia impedancyjna - elektrochemiczne techniki impulsowe 41 Przykład mapy potencjału korozyjnego 42 21

22 Wyznaczanie prądu korozji na podstawie metod polaryzacyjnych Określa szybkość korozji * I kor < 0,21µA/cm 2 - brak spodziewanych zniszczeń korozyjnych * 0,21 < I kor < 1,07 µa/cm 2 zniszczenia możliwe za lat * 1,07 < I kor < 10,7 µa/cm 2 zniszczenia możliwe za 2-10 lat * I kor >10,7 µa/cm 2 zniszczenia możliwe za mniej niż 2 lata 43 Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS) rezystancja betonu przepuszczalność zmiana rezystancji przeniesienia ładunku - skuteczności inhibicji zmiana pojemności międzyfazowej - repasywacja i adsorpcja inhibitora na powierzchni stali pomiar nieniszczący 44 22

23 Pomiar impedancji naruszenie równowagi układu elektrochemicznego przez sygnał elektryczny przepływ prądu E(t ) = E 0 cos(ωt) I (t) = I 0 cos(ωt +ϕ) E(t) potencjał w czasie t [V] E 0 amplituda sygnału [V] I(t) natężenie prądu w czasie t [A] I 0 amplituda sygnału [A] t czas [s] ω częstotliwość kołowa (ω = 2πf, f częstotliwość) [Hz] φ przesunięcie fazowe 45 Literatura L.Czarnecki, P.H.Emmons, Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych, Polski Cement, Kraków 2002 L.Czarnecki, A.Królikowski, J.Kuziak, A.Fleszar, S.Kuś, A.Garbacz, A.Zybura, Ocena skuteczności działania migrujących inhibitorów korozji stali w betonie,, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008 Elsener B., Corrosion Inhibitors for Steel in Concrete State of the Art. Report. European Federation of Corrosion Publications, No 35, Maney Publ., 2001 M.Jaśniok, A.Żybura, Zabezpieczenia i regeneracja zagrożonych korozją konstrukcji z betonu. Elektrochemiczne odtwarzanie ochronnych właściwości otuliny betonowej (cz. IV), Przegląd budowlany 7-8, 44 (2007) A.Królikowski, J.Kuziak, Migrujące inhibitory korozji stali w betonie prawdy i mity, Ochrona przed korozją 4-5, 100 (2009) A.Zybura, Elektrochemiczne zabezpieczenia zbrojenia konstrukcji żelbetowych przed korozją, Ochrona przed Korozją 1/2007, 24 (2007) 46 23