IMB-ochrona przed korozją [tryb zgodności]

Ochrona zbrojenia przed korozją

w elementach żelbetowych

mgr in

. Justyna Kuziak

mgr in

. Justyna Kuziak

Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych

Podstawowymi wymaganiami

zapewniającymi trwałość konstrukcji są:

ustalenie grubości otuliny

ustalenie grubości otuliny –

– ochrona zbrojenia,

ochrona zbrojenia,

odpowiednia szczelność betonu,

dobór właściwego składu mieszanki betonowej,

określenie możliwości występowania rys,

sposób wykonawstwa oraz pielęgnacji betonu,

zastosowanie odpowiednich materiałów

zastosowanie odpowiednich materiałów –

– wymagania

wymagania

normowe i jakościowe.

Korozja

- samorzutne procesy destrukcyjne

zachodz

ce w materiale, prowadz

ce do

pogorszenia jego cech u

ytkowych, a w

kra

cowych przypadkach do całkowitego

zniszczenia

Korozja elementów żelbetowych

korozja betonu

korozja zbrojenia

Korozja betonu

Korozja fizyczna

Korozja biologiczna

Korozja chemiczna

Przyczyny korozji stali w betonie

•• Karbonatyzacja betonu

Karbonatyzacja betonu

•• Skażenia chlorkami

Skażenia chlorkami

słabo

rednio

mocno

bardzo mocno

agresywne

obojętny

odczyn

rodowiska

nieagresywne

agresywność

wobec betonu

młody beton

zasadowy

kwaśny

beton

skarbonatyzowany

częściowa

karbonatyzacja

korozja kwasowa

stali i betonu

skuteczna

ochrona

stali

możliwość

korozji stali

częściowa

ochrona

brak ochrony
korozja stali

korozja

wżerowa stali

korozja
kwasowa

11,8

elazo w środowisku

betonu skarbonatyzowanego

Sumarycznie:

+ 2OH

Fe(OH)

4Fe(OH)

+ O

+ 2H

O 4Fe(OH)

czerwona rdza

••

Beton nieskarbonatyzowany: stal w stanie pasywnym

••

Beton skarbonatyzowany: korozja ogólna stali

Ogniwo stężeniowe:

oksydacyjne

Korozja

elektrochemiczna

Mechanizm korozji wżerowej

proces autokatalityczny

anoda (powierzchnia wżeru):

Fe Fe

+ 2e

katoda :

½ O

+ H

O + 2e 2OH

przepływ prądu wędrówka

chlorków do wżeru

2Cl

+ Fe

FeCl

+ 2H

O Fe(OH)

+ 2H

+ 2Cl

Krytyczna zawartość chlorków w betonie

1 – wg ENV 206:1992

2 – wartość uznawana za niebezpieczną

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

stężenie chlorków, c

mol/dm

ła

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

stężenie chlorków, c

mol/dm

ła

stężenie chlorków, c

g/dm

zawartość chlorków, %mas.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Schemat rozwoju korozji stali w betonie

zniszczenie

korozyjne stali

czas

Pasywno

ść

Korozja

Awaria

Metody ochrony konstrukcji żelbetowych:

•

odpowiednie zaprojektowanie i technologiczne wykonanie konstrukcji
ż

elbetowych

(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

Ochrona katodowa

od lat 70. XX w.

Ochrona katodowa – procesy i ograniczenia

Katoda (zbrojenie):

O + O

+ 4e

+ 4e → 4

→

skutek: alkalizacja

skutek: alkalizacja –

– zasadniczo

zasadniczo

proces korzystny dla betonu

proces korzystny dla betonu
ale może powodować

ale może powodować
alkaliczną reakcję kruszywa

alkaliczną reakcję kruszywa
przy zbrojeniu

przy zbrojeniu

Przy niedoborze tlenu:

Przy niedoborze tlenu:
H

O → H

→

+ OH

2 H

+ 2e

+ 2e →

→

skutek: może stwarzać

zagrożenie kruchością

zagrożenie kruchością
wodorową

wodorową

Anoda:

Anoda:
4OH

4OH

→

O + O

+ 4e

O → O

→

+ 4

+ 4e

2Cl

→

+ 2e

+ OH

→

ClO

→

ClO

+Cl

skutek: zakwaszenie środowiska

przy anodzie

przy anodzie –

– korozja kwasowa

korozja kwasowa

betonu jeśli anoda w betonie lub

betonu jeśli anoda w betonie lub
na jego powierzchni

na jego powierzchni

Ochrona katodowa

Ochrona katodowa –

– przykład zastosowań

przykład zastosowań

Eurotunel pod kanałem La Manche

Ochrona protektorowa za pomocą

roztwarzalnych anod

(tzw. metoda traconej anody)

Reakcja katodowa

H 0 + 0 + 2e 20H

Iop

Zn(OH)2

2OH

Reakcja anodowa

Zn Zn 2e

Elektrochemiczne usuwanie chlorków

• instalacja jak przy ochronie katodowej, anody zewnętrzne

• elektrolit zewnętrzny (np. maty filcowe nasycone roztworem

NaOH, Na

lub Ca(OH)

)

• można usunąć 20-80% chlorków z betonu

Elektrochemiczne usuwanie chlorków

-- mechanizm

mechanizm

1 –

– beton,

beton,

2 –

– elektrolit,

elektrolit,

3 –

– anoda,

anoda,

4 –

– źródło prądu stałego,

ródło prądu stałego,

5 -- zbrojenie

zbrojenie

Elektrochemiczne usuwanie chlorków

- przykłady zastosowania

•• po raz pierwszy: kąpielisko Trondheim w Norwegii

po raz pierwszy: kąpielisko Trondheim w Norwegii

•• most Lingenau w Austrii

most Lingenau w Austrii

•• most Burlington Bay Skyway

most Burlington Bay Skyway

w Kanadzie

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

elektrolit zewnętrzny (Na

2 –

– anoda, 3

anoda, 3 –

– zbrojenie,

zbrojenie,

4 –

– źródło prądu stałego

ródło prądu stałego

Realkalizacja skarbonatyzowanego betonu

-- przykłady zastosowań

przykłady zastosowań

•• po raz pierwszy: fasada budynku Norweskiego

po raz pierwszy: fasada budynku Norweskiego
Banku Narodowego w Stavanger, 1988 r.

Banku Narodowego w Stavanger, 1988 r.

•• Uniwersytet Techniczny w Trondheim w

Uniwersytet Techniczny w Trondheim w
Norwegii

Norwegii

•• elewacja kościoła św. Marka w Bettlach w

elewacja kościoła św. Marka w Bettlach w
Szwajcarii

Szwajcarii

•• strop tunelu drogowego Arlberg

strop tunelu drogowego Arlberg –

– Tunnel w

Tunnel w

Austrii

Inhibitory korozji

(ISO def.)

–

– związki chemiczne, które dodane w

związki chemiczne, które dodane w

odpowiednich ilościach do betonu,

potrafią

potrafią zapobiegać lub spowalniać

zapobiegać lub spowalniać

proces korozji

proces korozji stali w betonie i nie

stali w betonie i nie

wpływają szkodliwie na właściwości

betonu lub na naturę i mikrostrukturę

produktów hydratacji.

Podział inhibitorów (na podstawie

elektrochemicznego charakteru

oddziaływania):

•• Anodowe

Anodowe –

– hamują proces anodowy

hamują proces anodowy

•• Katodowe

Katodowe –

– hamują proces katodowy

hamują proces katodowy

•• Mieszane

Mieszane –

– hamują zarówno proces anodowy

hamują zarówno proces anodowy

jak i katodowy

Inhibitory korozji stali w betonie:

•• dodawane do świeżego betonu

dodawane do świeżego betonu

(od lat 70

(od lat 70--tych)

tych)

•• nanoszone powierzchniowo

nanoszone powierzchniowo

na beton

•• nanoszone w zaprawach

nanoszone w zaprawach
naprawczych

naprawczych

MCI

Migrating

Migrating
Corrosion

Corrosion
Inhibitors

Inhibitors

PCI

Penetrating

Corrosion

Corrosion
Inhibitors

Inhibitors

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

Wymagania stawiane penetruj

cym

Wymagania stawiane penetruj

cym

inhibitorom korozji:

•• przenikanie przez beton

przenikanie przez beton

•• hamowanie korozji stali

hamowanie korozji stali

•• trwały efekt ochronny

trwały efekt ochronny

•• brak negatywnego wpływu na betonu

brak negatywnego wpływu na betonu

•• nietoksyczno

ść

nietoksyczno

ść

Zawiesina wodna

Zaprawa PCC

Emitery cz

steczek

nanoszenie

rodków

ochronnych

migracja cz

steczek

inhibitora w kierunku stali

przyci

ganie do stali

tworzenie powłoki

pasywuj

cej

zbrojeniowe

element

elbetowy

Jako migrujące inhibitory korozji stali

w betonie są stosowane:

•• aminy i ich pochodne (aminoalkohle, sole

aminy i ich pochodne (aminoalkohle, sole
amoniowe kwasów karboksylowych)

amoniowe kwasów karboksylowych)

•• kwasy dikarboksylowe, estry kwasów

kwasy dikarboksylowe, estry kwasów
tłuszczowych,

tłuszczowych,

•• azotany(III)

azotany(III)

•• monofluorofosforan sodu (MFP).

monofluorofosforan sodu (MFP).

Azotany(III) jako PCI

•• Wysoka skuteczność inhibicji

Wysoka skuteczność inhibicji

•• Pasywatory

Pasywatory

Utleniają produkty korozji:

2Fe

+ 2OH

+ 2NO

= 2NO + Fe

+ H

+ OH

+ NO

= NO + γFeOOH

warstwa pasywna

Wady azotanów(III)

•• Na

NaNO

reakcje alkaliczne z kruszywem

(korozja wewnętrzna betonu)

Rada: stosować

Ca(NO

))

•• Toksyczność

Toksyczność

-- utlenia hemoglobinę we krwi do

utlenia hemoglobinę we krwi do

metahemoglobiny (brak właściwości

metahemoglobiny (brak właściwości
transportowych tlenu)

transportowych tlenu)

-- ale dozwolona jako dodatek do mięs

ale dozwolona jako dodatek do mięs

Monofluorofosforan sodu jako PCI

MFP

–

•• W betonie nieskarbonatyzowanym:

W betonie nieskarbonatyzowanym:

-- tworzy trudno rozpuszczalne sole w reakcji z

tworzy trudno rozpuszczalne sole w reakcji z

wodorotlenkiem wapnia uszczelnienie

-- brak penetracji w betonie

brak penetracji w betonie

•• W betonie skarbonatyzowanym

W betonie skarbonatyzowanym

-- migruje przez beton do stali i hamuje korozję

migruje przez beton do stali i hamuje korozję

Handlowe PCI

•• najczęściej mieszaniny mające w składzie

najczęściej mieszaniny mające w składzie

lotne związki (aminy, aminoalkohole, sole

lotne związki (aminy, aminoalkohole, sole
amoniowe kwasów karboksylowych)

amoniowe kwasów karboksylowych)
dyfundujące do powierzchni stali oraz

dyfundujące do powierzchni stali oraz
opóźniające korozję oraz związki

opóźniające korozję oraz związki
nieorganiczne np. MFP zatykające pory w

nieorganiczne np. MFP zatykające pory w
betonie i przez to ograniczające wpływ

betonie i przez to ograniczające wpływ
czynników korozyjnych

czynników korozyjnych

Problemy przy stosowaniu penetrujących

inhibitorów korozji:

Problem:

lotność inhibitorów (aminy) - parowanie ???

Skuteczność migrujących inhibitorów korozji

(wyniki literaturowe):

-- skuteczność ogólnie:

skuteczność ogólnie:

do 99%

brak wpływu

-- maksymalne stężenie chlorków:

maksymalne stężenie chlorków:

0,4%

-- wpływ karbonatyzacji:

wpływ karbonatyzacji:

skuteczne

nieskuteczne

-- wpływ jakości betonu:

wpływ jakości betonu:

wyższa skuteczność w szczelnym betonie

PCI

PCI -- wątpliwości

wątpliwości

-- odpowiedni moment wprowadzenia inhibitora

odpowiedni moment wprowadzenia inhibitora –

–

gdy zniszczenia korozyjne stali są niewielkie

konieczność monitoringu

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

Zastosowania:

-- most Itchen, Southampton, Wielka Brytania,

most Itchen, Southampton, Wielka Brytania,

-- wiadukt nad przełączą Isarco (autostrada A22),

wiadukt nad przełączą Isarco (autostrada A22),
Włochy

Włochy

-- ściany zewnętrzne Pentagonu, Waszyngton,

ciany zewnętrzne Pentagonu, Waszyngton,
USA,

USA,

-- zapora Wisła

zapora Wisła--Czarne, Polska.

Czarne, Polska.

Wyznaczanie prądu korozji na podstawie

metod polaryzacyjnych

•• Określa szybkość korozji

Określa szybkość korozji

* I

kor

< 0,21µA/cm

-- brak spodziewanych zniszczeń korozyjnych

brak spodziewanych zniszczeń korozyjnych

* 0,21 < I

kor

< 1,07 µA/cm

–

– zniszczenia możliwe za 10

zniszczenia możliwe za 10--15 lat

15 lat

* 1,07 < I

kor

< 10,7 µA/cm

–

– zniszczenia możliwe za 2

zniszczenia możliwe za 2--10 lat

10 lat

* I

kor

>10,7 µA/cm

–

– zniszczenia możliwe za mniej niż 2 lata

zniszczenia możliwe za mniej niż 2 lata

Elektrochemiczna spektroskopia

impedancyjna (EIS)

•• rezystancja betonu

rezystancja betonu –

– przepuszczalność

przepuszczalność

•• zmiana rezystancji przeniesienia ładunku

zmiana rezystancji przeniesienia ładunku --

skuteczności inhibicji

•• zmiana pojemności międzyfazowej

zmiana pojemności międzyfazowej --

repasywacja i adsorpcja inhibitora na

repasywacja i adsorpcja inhibitora na
powierzchni stali

powierzchni stali

•• pomiar nieniszczący

pomiar nieniszczący

Pomiar impedancji

• naruszenie równowagi układu elektrochemicznego

przez sygnał elektryczny

E(t ) = E

cos(

przepływ prądu I (t) = I

cos(

t +

)

E(t)

E(t) –

– potencjał w czasie t [V]

potencjał w czasie t [V]

00000000

–– amplituda sygnału [V]

amplituda sygnału [V]

I(t)

I(t) –

– natężenie prądu w czasie t [A]

natężenie prądu w czasie t [A]

00000000

–– amplituda sygnału [A]

amplituda sygnału [A]

t –

– czas [s]

czas [s]

–

– częstotliwość kołowa

częstotliwość kołowa

(ω = 2πf, f

(ω = 2πf, f –

– częstotliwość) [Hz]

częstotliwość) [Hz]

–

– przesunięcie fazowe

przesunięcie fazowe

Literatura

••

L.Czarnecki, P.H.Emmons,

L.Czarnecki, P.H.Emmons, Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych

Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych,

Polski Cement, Kraków 2002

••

L.Czarnecki, A.Królikowski, J.Kuziak, A.Fleszar, S.Kuś, A.Garbacz,

L.Czarnecki, A.Królikowski, J.Kuziak, A.Fleszar, S.Kuś, A.Garbacz,
A.Zybura,

A.Zybura, Ocena skuteczności działania migrujących inhibitorów korozji

Ocena skuteczności działania migrujących inhibitorów korozji

stali w betonie

stali w betonie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa

, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa

2008

••

Elsener B., Corrosion Inhibitors for Steel in Concrete

Elsener B., Corrosion Inhibitors for Steel in Concrete –

– State of the Art.

State of the Art.

Report. European Federation of Corrosion Publications, No 35, Maney Publ.,

Report. European Federation of Corrosion Publications, No 35, Maney Publ.,
2001

2001

••

M.Jaśniok, A.Żybura, Zabezpieczenia i regeneracja zagrożonych korozją

M.Jaśniok, A.Żybura, Zabezpieczenia i regeneracja zagrożonych korozją
konstrukcji z betonu. Elektrochemiczne odtwarzanie ochronnych właściwości

konstrukcji z betonu. Elektrochemiczne odtwarzanie ochronnych właściwości
otuliny betonowej (cz. IV), Przegląd budowlany 7

otuliny betonowej (cz. IV), Przegląd budowlany 7--8, 44 (2007)

8, 44 (2007)

••

A.Królikowski, J.Kuziak, Migrujące inhibitory korozji stali w betonie

A.Królikowski, J.Kuziak, Migrujące inhibitory korozji stali w betonie –

–

prawdy i mity, Ochrona przed korozją 4

prawdy i mity, Ochrona przed korozją 4--5, 100 (2009)

5, 100 (2009)

••

A.Zybura, Elektrochemiczne zabezpieczenia zbrojenia konstrukcji

A.Zybura, Elektrochemiczne zabezpieczenia zbrojenia konstrukcji
ż

elbetowych przed korozją, Ochrona przed Korozją 1/2007, 24 (2007)