PRZEGLĄD BUDOWLANY 2/200726

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁYA

RT

YK

UŁ

Y P

RO

BL

EM

OW

E

1. Wprowadzenie

W dobrze zaprojektowanych i wyko-nanych konstrukcjach żelbetowych powszechnego użytku korozja nie powinna wystąpić przez okres nie krótszy niż 50 lat. Zabezpieczenie przed korozją stanowi prawidłowej jakości otulina betonowa o gru-bości 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 cemen-tu, 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 otocze-nia. Mechanizm ochrony zbrojenia otuliną betonową oraz procesy prowadzące do wystąpienia korozji przedstawiono w pracy [2].Jeżeli trwałość konstrukcji żelbe-towych powinna być większa niż jest w stanie zapewnić prawidłowa otulina, to konieczne są dodatkowe zabezpieczenia. Do takich zabez-pieczeń należą między innymi roz-wiązania stosowane początkowo w urządzeniach i konstrukcjach metalowych – stal nierdzewna, powłoki ochronne na powierzchni

Dr inż. Mariusz Jaśniok, dr hab. inż. Adam Zybura, Politechnika Śląska, Gliwice

Zabezpieczenie i regeneracja zagrożonych korozją konstrukcji z betonu (cz. II)Zabezpieczenie prętów zbrojeniowych powłokami ochronnymi oraz inhibitorami

wkładek oraz inhibitory. Zbrojenie ze stali nierdzewnej od pewnego czasu jest jednostkowo stosowane za granicą w szczególnych konstruk-cjach, np. cienkościennych elemen-tach o charakterze dekoracyjnym i obiektach o walorach architekto-nicznych. Norma PN-B-03264:2002 [1], przyjmując zalecenia Eurokodu 2, dopuszcza możliwość zbrojenia konstrukcji żelbetowych wkładka-mi 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 prak-tycznie nie używano prętów zbroje-niowych z powłokami ochronnymi, natomiast doświadczenia z inhibito-rowymi zabezpieczeniami zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych były bardzo skromne.W niniejszym artykule przedsta-wia się technologię i skuteczność zabezpieczenia przed korozją wkładek zbrojeniowych powłokami metalicznymi i z tworzyw sztucz-nych na podstawie amerykańskich danych. Omawia się także charak-ter działania ochronnego substancji stosowanych jako inhibitory zbroje-nia konstrukcji żelbetowych, techni-kę i rezultaty napraw prowadzonych przy użyciu inhibitorów.

2. Ochrona zbrojenia powłoka-mi metalicznymi

Po raz pierwszy powłoki metaliczne (cynkowe) na zbrojeniu zastosowa-

no w 1953 roku, wykonując żelbeto-wą konstrukcję mola poddawanego wpływom wody morskiej [4]. Do metalicznej ochrony powłoko-wej zbrojenia najczęściej stosuje się cynk. Powłoka cynkowa w począt-kowej fazie ochrony izoluje pręt zbrojeniowy od wpływu substan-cji agresywnych i dostępu tlenu. Po uszkodzeniu i rozszczelnieniu powłoki cynkowej, w styku z roz-tworem porowym spełniającym rolę elektrolitu, tworzy się ogniwo galwa-niczne. Ponieważ cynk jest meta-lem o niższym od żelaza potencjale standardowym, więc przyjmuje on rolę anody, natomiast stal – katody. Z cynkowej anody do roztworu poro-wego przechodzą kationy Zn2+, aż do wyczerpania się „zapasu” tego metalu. Elektrochemiczne roztwa-rzanie anody przez długi czas unie-możliwia korozję stalowych prętów w betonie.W Stanach Zjednoczonych do wykonywania powłok cynkowych na stali zbrojeniowej stosuje się tech-nologię 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 między-narodowe przepisy ochrony zbroje-nia przez cynkowanie opublikowane zostaną w obecnie opracowywanym dokumencie ISO/CD 14657.Technologia cynkowania ognio-wego HDG (Hot-Dip Galvanizing),

PRZEGLĄD BUDOWLANY 2/2007

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

27

AR

TY

KU

ŁY

PR

OB

LE

MO

WE

polega na kąpieli stali zbrojeniowej w stopionym cynku w temperaturze 435÷460°C [7]. Proces składa się z trzech głównych etapów: przy-gotowania powierzchni zbrojenia, obróbki w topniku oraz wytworzenia powłoki cynkowej. W pierwszym etapie przeprowadza się obrób-kę wstępną zbrojenia, polegają-cą na usuwaniu zanieczyszczeń, odtłuszczaniu, trawieniu i płukaniu. W następnym etapie wykonuje się topnikowanie, które ma na celu osta-teczne przygotowanie powierzch-ni stali przed cynkowaniem (m.in. usuwanie tlenków po trawieniu). Końcowy etap procesu prowadzi do wytworzenia ostatecznej powłoki ochronnej w wyniku przeciągnię-cia stali zbrojeniowej przez stopiony cynk. Stosunkowo zimna powierzch-nia 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 trak-cie procesu cynkowania technolo-gią HDG mogą powstać cztery fazy stopowe powłoki metalicznej o róż-nych zawartościach cynku i żelaza [7] – (rys 1). Pierwsza od strony powierzchni stali zbrojeniowej 1 war-stwa 2 – gamma, zawierając 75%

cynku i 25% żelaza, jest najcień-sza oraz najtwardsza. Druga war-stwa 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 najbar-dziej miękka i w 100% zawiera czy-sty cynk [7]. Nie wszystkie powłoki cynkowe składają się z czterech opi-sanych wyżej warstw. W zależności od struktury stali, a także od warun-ków technologicznych procesu cyn-kowania, na powierzchni zbrojenia mogą powstać dwie lub tylko jedna warstwa powłoki cynkowej.Na rysunku 2a przedstawiono ocyn-kowane zbrojenie o masie 6 ton segmentu rurociągu żelbetowego. Segment średnicy 3 m i wysokości 8,5 m (rys. 2b) jest powtarzalnym elementem 48-kilometrowego ruro-ciągu na dnie morza, budowane-go w latach 1999–2015 przez rząd Singapuru. W trakcie realizacji przed-sięwzięcia przewiduje się zastoso-wanie 10 000 ton ocynkowanej stali zbrojeniowej [4].

3. Ochrona zbrojenia powłoka-mi z tworzyw sztucznych

Innym sposobem ochrony powie- rzchni zbrojenia przed korozją

jest nakładanie powłok z tworzyw sztucznych. Ochronę zbrojenia powłokami epoksydowymi – ECR Epoxy-Coated Rebars – wprowa-dzono 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 epok-sydową zastosowano w 1973 roku w płycie żelbetowej mostu West Conshohocken w Pensylwanii. Od tego momentu w Ameryce Północnej powłokami epoksydowy-mi zabezpieczono ponad 4,5 milio-na ton stali zbrojeniowej w kon-strukcjach z betonu [10].Zasadniczą rolą powłok epoksy-dowych na zbrojeniu jest izolacja stali od otoczenia cieczy porowej w betonie, zawierającej składniki agresywne migrujące ze środowi-ska zewnętrznego. Powłoka epok-sydowa stanowi elektryczny izola-tor, blokujący rozwój elektroche-micznych procesów korozyjnych na zbrojeniu. Optymalna grubość powłoki wynosi 127÷229 µm [9].Stosuje się dwa rodzaje powłok epoksydowych wtapianych w po- wierzchnię stali zbrojeniowej. Pierwszy rodzaj – pre-bent, to po- włoki nakładane na wcześniej cał-kowicie przygotowane pręty zbroje-niowe, bez możliwości ich odginania w takcie montażu na budowie [11]. Drugi rodzaj – post bent, to powłoki wtapiane w proste pręty zbroje-niowe, które po nałożeniu powło-ki epoksydowej można dowolnie kształtować (odginać) przed uło-żeniem w deskowaniu [12]. W celu łatwego rozróżnienia rodzaju powło-ki wprowadzono odmienne kolo-ry. Zbrojenia zabezpieczone syste- mem pre-bent potocznie określane są jako pręty popielate lub fioletowe, natomiast system post bent – jako pręty zielone [10]. Zielona powło-ka epoksydowa systemu post-bent charakteryzuje się dużą elastycz-nością, co ułatwia dostosowanie kształtu zabezpieczonych prętów zbrojeniowych do potrzeb na budo-wie. Popielate lub fioletowe powło-

Rys. 1. Metaliczna powłoka cynkowa na zbrojeniu – układ faz stopowych na stali wykonanych w technologii HDG Hot-Dip Galvanizing – opis w tekście [8]

5

4

321

Rys. 2. Przykład zastosowa-nia zbrojenia zabezpieczone-go powłoką cynkową – wielko-średnicowe segmenty żelbeto- we rurociągu w Singapurze: a) ocynkowany szkielet zbrojenio-wy, b) prefabrykat [4]

a b

PRZEGLĄD BUDOWLANY 2/200728

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁYA

RT

YK

UŁ

Y P

RO

BL

EM

OW

E

ki systemu pre-bent wykazują lep-sze właściwości adhezyjne do stali i większą trwałość od powłok pre--bent. Jak podkreślają producenci, oba typy powłok są przyjazne śro-dowisku.Proces nakładania powłok epoksy-dowych systemów pre-bent i post bent na stal zbrojeniową składa się z czterech głównych etapów: przygotowania powierzchni, ogrze-wania, wtapiania oraz utwardzania [10] – rysunek 3.Powierzchnię stali zbrojeniowej czy-ści się sprężonym powietrzem meto-dą strumieniowo-ścierną. Stalowe pręty nagrzewa się w piecu gazo-wym lub elektrycznym do tempera-tury 245°C. Na rozgrzane pręty roz-pyla się suchy proszek epoksydowy, który elektryzowany podczas wyrzu-tu z dysz ciśnieniowych, przyciągany jest elektrostatycznie do powierzch-ni gorącej stali. Z chwilą uderze-nia w rozgrzane zbrojenie, cząstki proszku epoksydowego ulegają roz-topieniu, spajając się ze strukturą stali. Chemiczne utwardzenie powło-ki na zbrojeniu następuje w czasie 30÷120 sekund [10].Na rysunku 4 przedstawiono frag-ment wznoszonego mostu w San Mateo z wkładkami zbrojeniowymi pokrytymi powłoką epoksydową systemu pre-bent.

4. Ograniczenia stosowania zbrojenia zabezpieczonego powłokami

Stosowanie metod powierzchnio-wego zabezpieczania zbrojenia powłokami epoksydowymi lub cyn-kowymi wiąże się z pewnymi ogra-niczeniami. Jednym z głównych problemów jest niebezpieczeństwo

uszkodzenia powłok podczas ukła-dania zbrojenia w deskowaniu, a także przycinania, odginania lub spawania prętów zbrojeniowych na budowie.Powłoki cynkowe charakteryzują się bardzo dużą odpornością na uszko-dzenia mechaniczne. W czasie układania w deskowaniu uszkodze-niu może ulec jedynie wierzchnia – cynkowa warstwa eta powłoki (por. rys. 1). Pozostałe trzy warstwy stopowe zeta, delta i gamma są twardsze od stali zbrojeniowej, sta-nowiąc skuteczną barierę ochronną [13]. Konieczność naprawy lub uzu- pełnienia niezabezpieczonej powło-ką cynkową powierzchni zbroje-nia 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 uszkodzo-nych fragmentów powłoki poprzez cynkownie natryskowe (np. pistole-tem plazmowym), podczas którego rozpylane cząstki cynku uderzają z dużą siłą w powierzchnię stali zbrojeniowej, wbijając się i wygła-dzając mikro-nierówności podłoża.Powłoki epoksydowe są znacznie mniej odporne od powłok cynko-wych na uszkodzenia mechanicz-ne w trakcie układania zbrojenia w deskowaniu. Mikroskopijne zary-sowania 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 uzupełnie-nia brakującej powłoki. Odginanie prętów zbrojeniowych dopuszczal-ne jest jedynie w wypadku ela-

stycznej odmiany powłoki post bent, która jest jednak mniej trwała od sztywniejszej odmiany pre-bent.Na rysunku 5 przedstawiono po- równawczo skutki lekkiego wygię- cia żebrowanego pręta zbrojenio-wego zabezpieczonego nieelasty-czną powłoką epoksydową pre--bent oraz wkładki zbrojeniowej z metaliczną powłoką cynkową.Stosowanie powłokowego zabez-pieczania zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych wymaga znajomości wpływu powłoki na przyczepność zbrojenia do betonu. Jak wykazały badania doświadczalne w wypad-ku powłoki cynkowej siły przyczep-ności były co najmniej równe lub większe o 20% od niezabezpieczo-nej stali zbrojeniowej. Zastosowanie powłoki epoksydowej spowodowa-ło obniżenie przyczepności zbro-jenia do betonu o około 30÷35% w porównaniu z wkładkami bez powłoki [13].Miarą przydatności powłok cynko-wych i epoksydowych do zabez-pieczenia zbrojenia w konstruk-cjach żelbetowych jest skutecz-ność ochrony przeciwkorozyjnej w warunkach stwarzanych przez beton. Jak wykazały blisko 30-letnie amerykańskie obserwacje użytko-wanych konstrukcji żelbetowych, powłoki epoksydowe nie stanowiły zbyt dobrego zabezpieczenia przed agresywnymi czynnikami wnika-jącymi do betonu. Na podstawie badań 18 mostów w Virginii [9] oraz 30 mostów na Florydzie [15], autorzy raportów krytycznie oce-nili skuteczność ochronną powłok epoksydowych systemu ECR. Stwierdzono brak istotnej różnicy w zaawansowaniu procesów koro-zyjnych na stali chronionej powłoką epoksydową i niezabezpieczonej. Uznano, że główną przyczyną koro-zji zbrojenia chronionego powłoką epoksydową było rozszczelnienie tworzywa oraz silny spadek przy-legania (adhezji) do stali. W pracy [9] stwierdzono, że wnikające przez mikrorysy w powłoce wraz z wil-gocią jony chlorkowe, silnie pobu-dzały procesy korozyjne. Korozja zbrojenia rozwijała się pod powłoką

Rys. 3. Technika nakładania powłok epoksydowych na stal zbrojeniową [10]

PRZEGLĄD BUDOWLANY 2/2007

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

29

AR

TY

KU

ŁY

PR

OB

LE

MO

WE

z szybkością odpowiadającą in- tensywności korozji stali w kwasie.Badania laboratoryjne oraz badania konstrukcji żelbetowych w warun-kach rzeczywistych, wskazywały na lepszą ochronę przed korozją zbrojenia ocynkowanego, niż zbro-jenia zabezpieczonego powłokami epoksydowymi. W badaniach [16] nie stwierdzono istotnej różnicy postępu korozji prętów zbrojenio-wych pokrytych cynkiem i bez takie-go zabezpieczenia w betonowych elementach próbnych poddanych jednakowym wpływom agresywne-go 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 ochro-ny [16]. W konsekwencji, rozsa-dzające działanie produktów korozji powodowało mniejsze uszkodzenia otuliny chroniącej zbrojenie ocyn-kowane. W innych badaniach labo-ratoryjnych [17], stwierdzono nawet 86% redukcję szybkości korozji zbrojenia po zastosowaniu powłoki cynkowej. Badania [18] eksploato-wanych przez 20 lat mostów beto-nowych na Bermudach, nie wyka-zały żadnych zniszczeń korozyj-nych pokrytej powłoką cynkową stali zbrojeniowej, potwierdzając

prawidłową skuteczność tego typu ochrony zbrojenia.

5. Charakterystyka substancji stosowanych jako inhibitory zbrojenia

Ochrona inhibitorowa polega na zastosowaniu związku lub mie-szaniny kilku związków, których niewielki dodatek do środowiska korozyjnego, powoduje zmniejsze-nie szybkości korozji metalu sty-kającego się z tym środowiskiem. Początkowo inhibitory służyły do ochrony przed korozją metalo-wych urządzeń technologicznych. Pozytywne wyniki w zabezpiecze-niu konstrukcji metalowych spo-wodowały podjęcie prób ochrony na podobnych zasadach zbrojenia konstrukcji żelbetowych. Do pierw-szych realizacji ochrony zbrojenia konstrukcji żelbetowych inhibitora-mi doszło w latach 80. XX wieku. Od tego momentu nastąpił gwał-towny rozwój produkcji i badań środków inhibitujących korozję stali w betonie.Inhibitorami korozji zbrojenia w kon-strukcjach żelbetowych mogą być zarówno związki organiczne, jak i nieorganiczne. W zależności od rodzaju środowiska korozyjne-go i elektrochemicznego mecha-

nizmu działania, wyróżnia się inhi-bitory:• anodowe – tworzące warstewkę ochronną na anodowej powierzch-ni stali, hamując reakcję roztwarza-nia żelaza – (rys. 6a),• katodowe – które w środowi-skach alkalicznych tworzą war-stewkę ochronną na katodowej powierzchni stali, ograniczając reakcje katodowe w obecności tlenu – (rys. 6b),• mieszane – powodujące równo-czesne hamowanie reakcji anodo-wych 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 poten-cjału doprowadzając do pasywa-cji. Pasywatory są inhibitorami anodowymi. Mechanizm ich dzia-łania polega na naprawie war-stewki pasywnej lub w przypadku jej uszkodzenia na adsorpcji czą-steczek inhibitora do powierzchni stali [19]. Cząsteczki te aktywnie konkurują z chlorkami niszczący-mi warstewkę pasywną. Do naj-popularniejszych inhibitorów ano-dowych stosowanych w ochronie zbrojenia konstrukcji żelbetowych należą azotyny i azotany wapnia.Jednak związki nieorganicz-ne cechuje duża toksyczność. Ze względu na szkodliwe działanie na ludzi i środowisko zastępuje się je bardziej przyjaznymi inhi-bitorami organicznymi. Inhibitory organiczne wywołują procesy ochronne o charakterze miesza-nym (anodowo-katodowym), two-rząc monomolekularną warstewkę pomiędzy powierzchnią metalu a wodą. Hamuje ona korozję wsku-tek adsorpcji grup polarnych, które wypierają cząsteczki wody i agre-sywne jony. Efektywne hamowa-nie korozji następuje jednak przy większym stężeniu niż w wypadku inhibitorów nieorganicznych.Inhibitory organiczne stanowią związki należące do amin, alkilo-amin, estrów, kwasów organicz-nych i ich soli [19, 20]. W paten-

a b

Rys. 4. Przykład zastosowania zbrojenia zabezpieczonego powłoką epoksy-dową – San Mateo Bridge: a), zbrojenie bloków fundamentowych, b) zbrojenie słupów o przekroju kołowym [10]

Rys. 5. Skutki wygięcia że- browanego pręta zbrojeniowe-go zabezpieczonego: a) nie-elastyczną powłoką epoksy-dową pre-bent, b) metaliczną powłoką cynkową [13]a b

PRZEGLĄD BUDOWLANY 2/200730

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁYA

RT

YK

UŁ

Y P

RO

BL

EM

OW

E

cie [21] wskazuje się właściwości inhibitujące grupy amin, wyszcze-gólniając: dietanoloaminę, dime-tylopropanoloaminę, etanoloaminę i dimetyloetanoloaminę. Cząsteczki adsorbującej się aminy są z jed-nej strony hydrofilowe, a z drugiej hydrofobowe. Powoduje to usta-wianie się cząsteczek równolegle względem siebie i prostopadle do powierzchni zbrojenia.Szczególne znaczenie w napra-wach konstrukcji żelbetowych ma- ją inhibitory migrujące, które na- niesione na powierzchnię elemen-tu działają na umieszczone w głębi betonu zbrojenie. Oprócz zdolności do ograniczenia korozji zbrojenia inhibitory migrujące muszą charak-teryzować się dodatkową cechą – łatwym wnikaniem w otulinę beto-nu na skutek dobrych właściwości dyfuzyjnych w cieczy porowej oraz wysokiej prężności pary. Stosując aminy i alkiloaminy opracowa-no 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 wprowa-dzić do betonu jako:• płynny, suchy lub zawiesino-wy dodatek do świeżej mieszanki betonowej – (rys. 7a),• składnik zaprawy naprawczej typu PCC (Polymer Cement Con-crete) – (rys. 7b),• powłokę w postaci impregna-tu lub farby, zabezpieczającą powierzchniowo beton lub roztwór nasycający otulinę, aplikowany na powierzchnię związanego beto-nu – (rys. 7c).W nowo wykonywanych konstruk-cjach żelbetowych istnieje moż-liwość stosowania inhibitorów w postaci dodatków do świeżej mie-szanki betonowej. Dodatki te ma- ją na celu opóźnienie w przyszło-ści momentu wystąpienia korozji

zbrojenia. Domieszki zawierające inhibitory korozji, można również aplikować w zaprawach systemów naprawczych typu PCC (Polymer Cement Concrete). W tym wypadku inhibitor powinien działać hamują-co na zainicjowane procesy koro-zyjne.Stosowana w kraju domieszka FerroGard 901 [23], jest płynną, nietoksyczną substancją, dozowa-ną w ilości 3÷4% masy cementu lub 12 kg/m3 betonu. Według pro-ducenta FerroGard 901 nie wpływa na właściwości mieszanki betono-wej oraz nie oddziałuje negatywnie na cechy mechaniczne stwardnia-łego betonu. Domieszkę FerroGard

901 można stosować ze wszystkimi rodzajami cementów.Oferuje się także domieszki z in- hibitorami korozji do betonów i zapraw w postaci: płynu – MCI 2000, proszku – MCI 2001 lub zawiesiny – MCI 2002 [22]. Zaleca się dozowanie w ilości: MCI 2000 – 0,62 l/m3, MCI 2001 – 1,78 kg/m3 oraz MCI 2002 – 1,5÷2,5 l/m3 [22]. Wytwórca zapewnia, że domieszka MCI 2000 nie zmienia w sposób istotny właściwości związanego betonu, pod warunkiem przestrze-gania zalecanego dawkowania.W istniejących konstrukcjach żel-betowych aplikację roztworów zawierających migrujące inhibitory korozji można wykonać niskociśnie-niowym natryskiem, wałkiem lub pędzlem. Znany w kraju preparat FerroGard 903 [23] jest bezbarw-ną, niezawierającą rozpuszczalni-ków, emulsją o lepkości 25 mPa·s. Preparat nanosi się 3÷5-krotne na powierzchnię zabezpieczane-go elementu, tak aby łączne jego zużycie wynosiło 0,3÷0,5 kg/m2. Producent informuje, że prędkość penetracji preparatu FerroGard 903 przez otulinę w kierunku zbro-jenia wynosi 2÷20 mm/dobę, przy czym minimalna głębokość wnika-nia po 28 dobach powinna wyno-sić 80 mm.Inny, stosowany w kraju prepa-rat MCI 2020, zawierający migru-jące inhibitory korozji (Migrating Corrosion Inhibitors) został opa-tentowany w USA w 1986 r. [22].

beton

a)

roztwór

Fe2+OH

estal

b)

Fe2+OH

e

stal

c)

Fe2+OH

estal

roztwórroztwór

3 4

3 43 4

21

Rys. 6. Schemat działania inhibi-torów: 1 – beton bez właściwości ochronnych z zaadsorbowanym inhi-bitorem, 2 – strefa korozji zbrojenia, 3 – miejsce reakcji katodowej, 4 – miej-sce reakcji anodowej [26]

Rys. 7. Techniki aplikacji i zasięg oddziaływania inhibitorów korozji zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych [22]

PRZEGLĄD BUDOWLANY 2/2007

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁY

31

AR

TY

KU

ŁY

PR

OB

LE

MO

WE

Preparat MCI 2020 nanosi się w postaci zawiesiny wodnej na oczyszczoną powierzchnię beto-nu w ilości 0,1÷0,3 kg/m2. Dane producenta wskazują, że prędkość penetracji molekuł MCI w głąb otu-liny wynosi 30 mm w ciągu 1÷7 dni, w zależności od oporu dyfuzji betonu.

7. Skuteczność działania inhibitorów

Skuteczność ochronnego działania inhibitorów korozji zbrojenia kon-strukcji betonowej można określić na podstawie badań elektroche-micznych. Najczęściej stosuje się proste pomiary rozkładu potencja-łu stacjonarnego. Jednak znacznie precyzyjniejsze wyniki otrzymu-je się bardziej zaawansowanymi metodami polaryzacji liniowej LPR (Linear Polarization Resistance) lub spektroskopii impedancyjnej EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy).Na podstawie stałoprądowych pomiarów LPR, uzyskuje się mię-dzy innymi wartość gęstości prądu korozyjnego ikor [µA/cm2], na pod-stawie którego oblicza się wskaź-nik szybkości korozji zbrojenia vkor [mm/rok]. Wskaźnik vkor określa szybkość powstawania ubytków korozyjnych w okresie jednego roku. Przeprowadzenie zmienno-prądowych pomiarów EIS umożli-wia ustalenie mechanizmu proce-sów korozyjnych na zbrojeniu oraz skuteczność ich hamowania przez zastosowane inhibitory.Skuteczność działania inhibitorów określa się według wzoru

w którym vkor jest szybkością ko- rozji stali zbrojeniowej w betonie nie zawierającym inhibitora, nato-miast vkor,inh – szybkością korozji tej stali po wprowadzeniu do beto-nu badanego inhibitora korozji.Przeprowadzane w kraju badania laboratoryjne i terenowe skutecz-ności inhibitorów migrujących [25]

polegały na pomiarach potencja-łu korozyjnego i rezystywności betonu. Na podstawie tych badań wnioskowano o pozytywnym dzia-łaniu inhibitorów. Wnioski z badań są jednak zbyt optymistyczne. Pomiary potencjału stacjonarnego i rezystywności betonu określają jedynie warunki przebiegu proce-sów elektrochemicznych, nato-miast nie wskazują ich rzeczywis- tej intensywności.Niepokojące wyniki uzyskano pod- czas badań zarysowanych ele-mentów próbnych metodą pola-ryzacji liniowej [26]. Stwierdzono, że testowane inhibitory w począt-kowym okresie po zaaplikowaniu ograniczały korozję zbrojenia. Jednak po upływie dwóch lat inten-sywność korozji zbrojenia przekra-czała poziom z przed zastosowa-nia inhibitora. Dlatego do oceny skuteczności in- hibitorów w warunkach krajowych należy podchodzić bardzo rozważ-nie, a nawet ostrożnie. Inhibitor dzia-ła za pośrednictwem cieczy porowej zawierającej rozpuszczalne składni-ki cementu. Istnieje zatem uzasad-niona obawa nieprzewidywalnych reakcji ze składnikami stosowanych u nas cementów i w konsekwencji wystąpienia efektów odmiennych od oczekiwanych.Na konieczność ostrożnego pos-tępowania przy doborze środ-ków ochronnych wskazują wyniki badań inhibitorów zawierających aminy. Stwierdzono, że w miarę up- ływu czasu może nastąpić pogor-szenie zabezpieczenia przeciw-korozyjnego zbrojenia w beto-nie. Adsorbowane chemicznie na powierzchni stali aminy są obecne przez pewien ograniczony okres. Okres ten zależy od czasu trwa-nia przewagi sił wiązania między atomami azotu i żelaza nad roz-puszczalnością w otaczającym roztworze porowym. Siły wiąza-nia przewyższają rozpuszczalność w roztworze niezawierającym agre-sywnych substancji, co powodu-je zachowanie wysokiego stopnia ochrony. Natomiast obecność chlorków prowadzi do niekorzyst-

nych zmian. Ciepło adsorpcji chlorków jest zbliżone do energii wiązania amin z żelazem. Na styku roztwór porowy zawierający inhibi-tor – powierzchnia stali, zwolnione przez aminy miejsca mogą być zastępowane jonami chlorkowymi. Proces ten powoduje przyspiesze-nie korozji.Badania szeregu związków zawie-rających alkiloaminy wykazały nie-dostateczne inhibitowanie wżerów na stali w próbkach z zaprawy cementowej oraz brak obniżenia wartości współczynnika korozji [27]. Niekorzystne wyniki otrzyma-no pomimo dobrej skuteczności ochronnej tych samych związków stosowanych w roztworach wod-nych. Stwierdzono jedynie opóź-nienie inicjacji procesów korozyj-nych, chociaż i ten efekt ulegał zmniejszeniu w wypadku karbona-tyzacji próbek. Uważa się, że nie-wystarczające działanie ochronne substancji zawierających alkilo-aminy było spowodowane różni-cami szybkości dyfuzji występują-cych w migrujących inhibitorach składników lotnych i nielotnych. Ograniczenie przeciwkorozyjne-go działania upatruje się także w reakcjach chemicznych inhibito-ra z rozpuszczalnymi minerałami cementu.Do ostrożnego stosowania inhibi-torów migrujących skłaniają także doświadczenia z preparatem zawie-rającym około 95% dietyletanoloami-ny. Po naniesieniu na powierzchnię próbek tego preparatu w dużym stę-żeniu (około 1 mol/dm3) stwierdzano efekt inhibitowania korozji wżerowej zbrojenia [20]. Jednak właściwo-ści inhibitujące roztworu obniżały się w czasie na skutek odparowa-nia substancji lub wytrącania się nielotnych składników mieszaniny w obecności jonów wapniowych.Opublikowane wyniki badań kra-jowych i zagranicznych skłaniają do stwierdzenia, że:• skuteczność inhibitorów migru-jących powinna być sprawdzana przez długi okres, gdyż ich dzia-łanie ochronne może ograniczać się jedynie do czasu bezpośrednio

PRZEGLĄD BUDOWLANY 2/200732

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIAŁYA

RT

YK

UŁ

Y P

RO

BL

EM

OW

E

po zaaplikowaniu na powierzchni elementów betonowych,• określając skuteczność inhibito-rów migrujących szczególną uwagę powinno zwrócić się na ich działa-nie 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 związ-ków zawartych w inhibitorach migru-jących należy precyzyjnie przewi-dywać okresy ponawiania zabiegu lub równocześnie stosować środ-ki 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 materia-łowo-geometryczne otuliny, dobra-ne w zależności od klasy ekspozy-cji 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 zabez-pieczenia, do których należą mię-dzy 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 dzia-łania inhibitorów należy uznać za nie-wystarczające. Za granicą do zbroje-nia konstrukcji narażonych na wpły-wy czynników agresywnych stosuje się pręty zabezpieczone powłoka-mi z cynku i tworzyw sztucznych. Badania eksploatowanych obiektów wskazują, że powłoki cynkowe przy-

czyniły się do zwiększenia trwało-ści konstrukcji, natomiast powłoki z tworzyw sztucznych mogą być zawodne. Aczkolwiek zabezpiecze-nie 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 wyni-ku zmniejszenia stężenia inhibitora migrującego, wywołanego odparo-waniem lotnych składników.

BIBLIOGRAFIA[1] PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne i projektowanie[2] Jaśniok M., Zybura A., O przeciw-korozyjnym 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, 43403 Ugine cedex France, także informacja – Przegląd Budowlany 12, 2006, s. 1[4] Galvanizers Association of Australia – Product News;http://www.spec-net.com.au/press/1105/ 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, http://www.precast.org/publications/mc/[8] American Galvanizers Association – Concrete Corrosion;http://www.galvanizeit.org/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; http://www.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 630.369.8915 – http://www.rustfreetrucks.com/rebar/ Rust free rebar 630.369.8915 – http://www.rustfreetrucks.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., 1981. wg http://www.tfhrc.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, 1980.wg http://www.tfhrc.gov/structur/corros/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. 577–589[20] Elsener B., Büchler D., Böhni H., Corrosion inhibitors for steel in concrete. Proc. European Corrosion Congress, “Eurocorr’97”, 22–25.09 Trondheim, Norwegia, 1997, pp. 469–474[21] USA Patent No 5 262 089 z 16.11.1993[22] Cortec Corporation, http://www.cortecmci.com[23] Sika Poland Sp. z o.o., http://www.sika.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. 134–144[25] Michalak E., Wpływ migrujących inhibitorów korozji na ochronę antykorozyjną stali zbrojeniowej w obiektach inżynierskich. X seminarium: Współczesne metody wzmacniania i przebudowy mostów, Poznań 6–7.06.2000 r., s. 174–181[26] Jaśniok T., Śliwka A., Zybura A., Wpływ inhibitorów migrujących na stopień ograniczenia korozji zbrojenia w elementach zarysowanych; Inżynieria i Budownictwo, 4, 2006, s. 219–223[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. 259–267