Защита от коррозии арматурной стали методом холодного фосфатирования

ВЕСТНИК 4/2009

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ АРМАТУРНОЙ СТАЛИ МЕТОДОМ ХОЛОДНОГО ФОСФАТИРОВАНИЯ

С.В. Федосов, В.Е. Румянцева

ИГАСУ

В данной работе авторы рассматривают две основные схемы разрушения стальной арматуры в бетонах, теорию пассивности стали, методы защиты от коррозии и представляют новый модифицированный электролит для холодного фосфатирования стальных поверхностей.

In the given article the authors consider two basic schemes of steel reinforcement destruction in concrete, theory of steel passivity, methods of corrosion protection and present a new modified electrolyte for cold phosphate treatment of steel faces/

Железобетон широко известен как долговечный материал, в большинстве случаев не нуждающийся в какой-либо защите от воздействий внешней среды [4]. Стальная арматура обычно находится под надежной защитой слоя бетона. Однако известно немало фактов, когда происходят как местные повреждения, так иногда и значительные разрушения железобетонных конструкций, задолго до окончания проектного срока их эксплуатации [9].

Можно отметить две основные схемы развития процесса коррозии железобетонных конструкций [3]. По первой коррозия арматуры начинается после разрушения бетона в защитном слое, т. е. причина повреждения конструкции заключается в недостаточной стойкости бетона.

Развитие коррозии по второй схеме начинается с арматуры, когда бетон не обладает достаточными защитными свойствами, но и не разрушается под действием среды, которая в данном случае не является по отношению к нему агрессивной. Разрушение бетона происходит под давлением растущей на арматуре ржавчины, т. е. носит чисто механический характер. Обычно такого рода разрушение железобетонных конструкций вызывается действием влажного воздуха или периодического увлажнения и характерно для влажного климата

Плотный бетон на портландцементе, как среда для арматурной стали, характеризуется значением рН поровой жидкости, равным 12—12,5. При этом пористая структура бетона в большинстве случаев обеспечивает поступление к поверхности арматуры атмосферного кислорода [1].

Известно также, что в таком бетоне сталь становится пассивной и остается в этом состоянии до тех пор, пока сохраняется защитный слой бетона и зона, в которой протекают процессы взаимодействия бетона со средой, способствующие нарушению пассивности (карбонизация, диффузия хлор-ионов), не достигла поверхности арматуры.

В работе [2] были изучены электродные потенциалы и скорость коррозии железа в щелочных растворах. Установлено, что в разбавленных растворах NaOH (pH<11,3) коррозия стали имеет ярко выраженный местный характер, критическое значение рН нахо-

4./2009 ВЕСТНИК _4/2009_МГСУ

дится в пределах 11,3 - 11,8. Сталь не пассивируется в щелочных растворах, имеющих рН ниже указанной величины.

Стальная арматура в бетоне защищена до тех пор, пока пассивное состояние её не нарушено. Сталь теряет пассивность и начинает корродировать в бетоне при частичной карбонизации, когда значение рН равно 11. Нарушение пассивности может произойти по целому ряду причин. Основными можно назвать карбонизацию бетона, в результате чего рН среды становится равной 9, а процесс коррозии может пойти и при частичной карбонизации уже при рН= 11. Другой причиной является загрязнение среды вредными газами и поступления к поверхности стали активирующих ионов, например С1- или 802.

Для предотвращения коррозии стальной арматуры в состав бетонной смеси вводят ингибиторы, но действие этих компонентов с течением времени падает. Также ингиби-рующие добавки могут негативно влиять на механические и физические свойства бетона [8]. Применение ингибиторов коррозии анодного действия, таких как МаМ02, также не безопасно, т. к. при малых концентрациях они усиливают скорость коррозии стали и их содержание нужно строго контролировать [7].

Другим способом торможения коррозионного процесса является нанесение на стальную арматуру защитного покрытия, которое бы изолировало её от воздействия агрессивных веществ. Такого рода покрытия могут быть оксидные, фосфатные или полимерные плёнки с высокими антикоррозионными свойствами [10].

Проведя анализ литературных источников [5,6,10], авторы статьи выбрали метод нанесения фосфатных пленок на стальные поверхности.

Химическому фосфатированию могут подвергаться углеродистые, низколегированные и среднелегированные стали, чугун, алюминиевые и магниевые сплавы, цинковые и кадмиевые покрытия [6].

Сущность химического фосфатирования состоит в обработке металлов и сплавов в подкисленных растворах однозамещенных фосфатов или монофосфатов Бе, Мп, 2п, Ва, Са и других [10].

Процесс химического фосфатирования обусловлен гидролизом однозамещенных фосфатов металлов, в результате чего устанавливается равновесие между одно-, двух-, трех-замещенными фосфатами металлов и ортофосфорной кислотой - Н3Р04 .

Образующаяся при этом свободная Н3Р04 в процессе фосфатирования взаимодействует с основным металлом, в результате чего образуются труднорастворимые двух- и трехзамещениые фосфаты, являющиеся основной составляющей частью фосфатных пленок.

На качество фосфатных пленок оказывают влияние общая (КО) и свободная (КС) кислотности фосфатирующего раствора, его состав, подготовка поверхности металла и технологические параметры (температура фосфатирующего раствора, время обработки).

На состав фосфатных пленок большое влияние оказывает вид катионов фосфати-рующего раствора.

Для ускорения процесса фосфатирования в раствор вводят окислители, например №М03, МаМ02, 2п(М03)2, КВг03, КС10, в результате чего увеличивается скорость катодного процесса.

Растворы для холодного фосфатировання состоят, в основном, из монофосфата цинка (60—100 г/л) или препарата МАЖЕФ (30—60 г/л) (препарат, выпускаемый про-

ВЕСТНИГ 4/2009

мышленностью, состоит из монофосфата марганца и железа (??)) со специальными добавками [10]. Они образуют светло-серые пленки с мелкокристаллической структурой толщиной 3—8 мкм.

Наиболее перспективным является создание на стали фосфатной пленки из растворов холодного фосфатирования, по целому ряду причин: покрываемое изделие не требует подготовительных работ (обезжиривания, травления, активации и т.д.); растворы не содержат вредных и экологически опасных веществ; ведение процесса при комнатной температуре уменьшает энергозатраты; снижается наводороживание стали; обеспечивается формирование мелкокристаллической пленки [6,10]. Однако традиционно применяемые растворы холодного фофатирования имеют ряд серьёзных недостатков: большая продолжительность процесса фосфатирования, не совсем удовлетворительные защитные свойства покрытия, большое количество нерастворимых фосфатов железа, выпадающих в виде шлама, и затрудняющих процесс фосфатирования и др.

В ходе сравнительных испытаний было установлено, что пленки, полученные на арматурной стали из раствора на основе фосфата цинка, содержащего Н3Р04 - 80 г/л; 2п0 - 16 г/л; №N0 - 1,5 г/л, характеризуются невысокой коррозионной стойкостью, малой толщиной. В ходе процесса фосфатирования идет сильное наводораживание стали вследствие повышенного содержания свободной фосфорной кислоты - процесс травления преобладает над процессом осаждения защитного покрытия.

Фосфатные пленки, полученные из раствора на основе препарата МАЖЕФ, характеризуются более высокими защитными свойствами. Они хорошо сцеплены с основой, имеют мелкокристаллическую структуру. В ходе процесса идет меньшее выделение водорода по сравнению с раствором на основе фосфатов цинка. После нанесения фосфатной пленки потенциал стали смещается в положительную сторону, что свидетельствует о повышении ее коррозионной устойчивости. Однако процесс фосфатирования в данном случае более требователен к качеству подготовки поверхности. Этот недостаток может быть устранен за счет введения в состав растворов добавки ПАВ (поверхностно-активного вещества), содержащих серу, обладающих ингибирующим действием по отношению к стали. Было обнаружено, что при введении в состав раствора добавки ПАВ в количестве 1 г/л, скорость и величина смещения потенциала стали в положительную сторону возрастают. В результате поверхность плёнки приобретает более мелкокристаллическую структуру по сравнению с пленкой, полученной из стандартного раствора. Этот факт свидетельствует о том, что ПАВ адсорбируется на активных центах поверхности и выступает в качестве ингибитора коррозии. С использованием капельного метода испытаний было установлено, что контрольное время изменения окраски после обработки стали в растворе, содержащем ПАВ, увеличивается в 2-3 раза, по сравнению с контрольным раствором.

В результате проведенных поляризационных, хронопотенцио-метрических исследований, измерения поляризационного сопротивления системы - металл 11 раствор был разработан модифицированный раствор холодного фосфатирования, содержащий:

МАЖЕФ - 30-40 г/л; 2п(Ш3)2 - 50-60 г/л; №Ш2 - 3-4 г/л; ПАВ- 1-2 г/л; нитри-лотриуксусную кислоту - 5-7 г/л; препарат ОС-20 - 5-10 г/л; 1 = 20 - 30 °С; тпроцесса = 10 - 15 мин и подана заявка на изобретение №2008130731/02(038144) от 24.07.2008.

По сравнению с традиционными растворами фосфатирования, предлагаемый раствор позволяет повысить коррозионную устойчивость арматурной стали с фосфатным покрытием, сократить продолжительность обработки, обладает большей работоспособностью и меньшей экологической опасностью.

4/2009 ВЕСТНИК

Литература

1. Алексеев С. Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне. 2-е изд., перераб. и доп. - M.: Стройиздат, 1968. 232 с.

2. Алексеев С. H., Розенталь Н. К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкции в агрессивной промышленной среде. - M.: Стройиздат, 1976. 205 с.

3. Бабушкин В.И. Физико-химические процессы коррозии бетона и железобетона. -М.: Стройиздат, 1968.-187 ^[RTF bookmark end: _Ref190515547]

4. Баженов Ю.М., Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. - М.: Высшая школа, 1984. 672 ^[RTF bookmark end: _Ref190515030]

5. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. В 2-х томах. / под ред. М. А. Шлугера. - M.: Машиностроение, 1985. Т. 2, 248 с.

6. Грилихес С. Я. Оксидирование и фосфатирофание металлов. - Л.: Химия, 1971. 81 с.

7. Иванов Е. С. Ингибиторы коррозии металлов в кислых средах. - M.: Металлургия, 1986, 175 с.

8. Резерфорд И.Л.Ингибиторы коррозии. - М.:Химия,1977. 352 с.

9. Степанова В.Ф. Проблема долговечности зданий и сооружений (от конференции до конференции). // Проблемы долговечности зданий и сооружений в современном строительстве: материалы международной конференции.- СПб.: Роза мира, 2007. С. 12-15.

10. Федосова Н.Л., Румянцева В.Е., Румянцева К.Е., Балмасов А.В., Чекунова М.Д. Антикоррозионная защита металлов в строительстве. - Иваново: ИГАСУ, 188 с.

Ключевые слова: коррозия, защита от коррозии, скорость коррозии, потенциал, пассивность, арматурная сталь, ингибиторы, защитные покрытия, холодное фосфатирование

Keywords: Corrosion, corrosion protection, corrosion rate, potential, passivity, reinforcement steel, inhibitors, protective coatings, cold phosphate treatment.

Рецензент: Коршков В.К., доктор технических наук, профессор кафедра «Технология пищевых продуктов и биотехнология» Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет».