BUDOWNICTWO

Fot. arch. Wikimedia (public domain)
dr inż.
Mirosław Broniewicz
lipiec 2014
BUDOWNICTWO
Jak przeciwdziałać
Builder
46
Politechnika Białostocka
korozji?
Korozją nazywa się niezamierzone,
odbywające się stopniowo niszczenie metali,
powstające wskutek chemicznego lub
elektrochemicznego oddziaływania
środowiska, które je otacza. W przypadku
konstrukcji budowlanych konsekwencje tego
zjawiska mogą być katastrofalne, dlatego
ogromne znaczenie mają właściwie
przeprowadzone działania prewencyjne.
P
roces korodowania rozpoczyna się zawsze na powierzchni nieosłoniętego metalu, a następnie, w zależności od różnych czynników,
obejmuje głębsze warstwy, przy czym odbywa się to z różną szybkością odmienną z powodu lokalnego ukształtowania przedmiotu, lokalnej struktury materiału, a w pewnych przypadkach zależnie od występujących w przedmiocie naprężeń. Niepożądanym następstwem korozji jest przekształcenie się metalu (również jego stopu) w produkty korozji o właściwościach chemicznych, strukturalnych i mechanicznych
zupełnie odmiennych od właściwości metalu (jego stopu). Wskutek tego następuje stopniowe zmniejszenie się przekroju poprzecznego wyrobu. Z tym związane jest z reguły zmniejszenie się nośności elementu.
W miarę niezahamowanego postępowania procesów korodowania dochodzi do bardzo znacznego zmniejszenia przekroju wyrobów metalowych. W przypadku konstrukcji nośnych dochodzi wówczas wskutek tego do awarii lub całkowitego ich zniszczenia. Natomiast
w przypadku elementów odgradzających (ścian, dachów i stropów) do-
chodzi do zniszczenia ich właściwości wodoszczelnych i utraty cech
termicznych materiałów zastosowanych do wypełniania tych elementów, a po upływie dłuższego czasu eksploatacji – również do ich zniszczenia [1].
Sposoby ochrony
Liczne metody zapobiegania korozji i ochrony przed nią wyrobów oraz
konstrukcji stalowych można sklasyfikować następująco:
• ochrona przed korozją na etapie projektowania poprzez dobór właściwych materiałów konstrukcyjnych, możliwie nieskomplikowany kształt
profili, rozwiązania konstrukcyjne zapobiegające możliwości gromadzenia się cieczy, sposób łączenia poszczególnych elementów konstrukcji (śruby, spawy, nity), unikanie możliwości spiętrzania naprężeń
i lokalnego przegrzewania;
• stosowanie inhibitorów korozji, czyli substancji, które wprowadzone
w niewielkich ilościach do środowiska korozyjnego powodują znaczne ograniczenie szybkości korozji; inhibitory korozji mogą być anodowe lub katodowe, odpowiednio zmniejszające i zwiększające polaryzację anodową metalu i przez to przesuwające potencjał korozyjny metalu w kierunku ujemnym lub dodatnim;
• ochrona elektrochemiczna polegająca na ochronie katodowej elektrolitycznej lub galwanicznej; ochrona elektrochemiczna konstrukcji (np.
rurociągów, obiektów mostowych) dzięki zastosowaniu zewnętrznego źródła napięcia powoduje, że metal chroniony staje się katodą lub
anodą ogniwa, co znacznie ogranicza intensywność korozji; w przypadku ochrony galwanicznej stosuje się specjalne kształtki ochronne
z materiału o niskim potencjale elektrochemicznym, które montuje się
na chronionej konstrukcji;
• stosowanie powłok ochronnych organicznych (farby, lakiery, tworzywa sztuczne) oraz metalicznych anodowych w postaci cynku lub
kadmu lub katodowych z miedzi, niklu, chromu i cyny; powłoki me-
taliczne mogą być nakładane przez zanurzenie w ciekłym metalu
albo natryskiwanie roztopionego metalu na powierzchnię chronioną
lub za pomocą elektrolizy.
Gdzie może wystąpić korozja?
W przypadku powszechnie stosowanych stalowych konstrukcji budowlanych najczęściej występuje korozja elektrochemiczna. Procesy
korozyjne występują w takich środowiskach naturalnych, jak atmosfera otwartego otoczenia, woda i gleba, albo w środowiskach sztucznie
wytwarzanych, jak atmosfera pomieszczeń, rozpuszczalniki i gazy (np.
w obiektach o cyrkulacji zamkniętej). W tych środowiskach występują
gazy, ciecze lub stopione ciała stałe, a także ich mieszaniny, przy czym
pod wpływem czynników chemicznych, fizycznych lub biologicznych zachodzi korozja tworzywa.
Środowisko korozyjne, atmosferyczne w [2] zostało podzielone na następujące kategorie: C1 – bardzo słaba, C2 – słaba, C3 – średnia, C4 –
wysoka, C5-I – bardzo silna (przemysłowa), C5-M – bardzo silna, morska. Charakterystykę tych środowisk i ich przypisanie do kategorii korozyjnej zawiera tabela 1.
Jak dobrać zestaw malarski?
Optymalnie dobrany zestaw malarski o odpowiedniej do danego przeznaczenia grubości powinien zapewnić właściwą, długotrwałą ochronę konstrukcji przed korozją. Powłoka malarska powinna być doskonale
szczelna, przyczepna do podłoża i wypełniona pigmentem.
Dobór zestawu malarskiego powinien wynikać z przeprowadzonej analizy techniczno-ekonomicznej, uwzględniającej następujące czynniki:
• kształt konstrukcji,
• rodzaj i stan powierzchni do zabezpieczenia antykorozyjnego,
• wymagany okres trwałości powłoki malarskiej,
• agresywność korozyjną środowiska,
• potrzebną odporność chemiczną, termiczną i mechaniczną powłoki,
• możliwość i sposób oczyszczenia powierzchni,
• właściwości aplikacyjne farby (grubość powłoki, czas schnięcia, warunki nakładania),
• warunki atmosferyczne prowadzenia prac (temperatura, wilgotność),
• zakładaną trwałość powłoki malarskiej w odniesieniu do okresu eksploatacji konstrukcji,
• wymagania ochrony środowiska oraz bezpieczeństwa pożarowego,
• aspekty ekonomiczne.
Oznaczenia systemów antykorozyjnych według normy [3] zawierają
symbol systemu malarskiego, rodzaj farby, nominalną grubość powłoki
na sucho, liczbę warstw farby, rodzaj powierzchni oraz stopień jej
REKLAMA
lipiec 2014
przygotowania. Przykład oznaczenia systemu malarskiego przedstawiono na rys. 1.
Trwałość systemu malarskiego jest kategorią techniczną, pozwalającą na ustalenie właściwego planu renowacji konstrukcji. Nie jest jednak
utożsamiana z okresem gwarancyjnym producenta. Trwałość systemu
malarskiego określana jest w trzech okresach: okres krótki (L) – od 2 do
5 lat, okres średni (M) – od 5 do 15 lat, okres długi (H) – powyżej 15 lat.
47
Sposób zabezpieczenia powierzchni konstrukcji powinien zostać
określony w dokumentacji technicznej lub pozostawiony do uznania wykonawcy pod warunkiem zagwarantowania wymaganej trwałości. Projekt
ochrony antykorozyjnej powinien określać:
• sposób przygotowania powierzchni, tj. jej oczyszczenia, i wymagany
stopień czystości,
• rodzaj, grubość i liczbę powłok oraz sposób ich nakładania w wytwórni i na placu budowy,
• nazwy i producentów wyrobów,
• sposób zabezpieczenia łączników.
Przy wymaganiu określonej trwałości zabezpieczeń należy w projekcie podać: wymagany okres gwarancji trwałości powłok, charakterystykę środowiska korozyjnego, klasę połączeń ciernych (jeżeli występują),
wymagany kolor powłok lakierowych, zalecenia lub przeciwwskazania dotyczące powłok metalowych, wymagania dotyczące odporności
ogniowej.
Projekt zabezpieczenia antykorozyjnego powinien opracować wykonawca na podstawie założeń i uzgodnień z producentem lakierów.
Wykonanie powłok powinno być przeprowadzone przez rzetelnych robotników i kontrolowane przez właściwe służby nadzoru.
Rys. 1. Oznaczenie systemu malarskiego
Builder
Projekt zabezpieczenia. Zasady ogólne
BUDOWNICTWO
Konstrukcja – na co zwrócić uwagę?
Konstrukcja stalowa powinna być zaprojektowana w taki sposób, aby
nie istniały miejsca potencjalnych ognisk korozji, z których mogłaby się
ona rozprzestrzenić na całość konstrukcji. Kształt konstrukcji powinien
być prosty, ułatwiający przygotowanie powierzchni, jej malowanie i renowację. W miejscach gdzie konstrukcja stalowa jest obmurowana lub obetonowana, powinna być ona zabezpieczona na cały okres eksploatacji.
Powierzchnia konstrukcji stalowej narażona na oddziaływanie niekorzystnych czynników środowiskowych powinna być możliwie najmniejsza. Spoiny powinny być ciągłe, a złącza – zawierać jak najmniejszą liczbę nakładek, zagięć, krawędzi i innych nieregularności. Konstrukcje stalowe powinny być zaopatrzone w haki, uchwyty, pomosty i ruchome platformy, co ułatwi ich kontrolę oraz konserwację. Wszystkie powierzchnie
przeznaczone do malowania powinny być łatwo dostępne dla wykonawcy, aby personel miał możliwość łatwego i bezpiecznego poruszania się
na elementach konstrukcji. Elementy narażone na ryzyko korozji i niedostępne po montażu powinny być wykonane z materiału odpornego
na korozję lub mieć zabezpieczenie antykorozyjne skuteczne do końca
okresu eksploatacji konstrukcji.
Builder
48
lipiec 2014
Uwaga, złącze!
Złącza spawane są zwykle miejscami elementów, na których utrudnione jest oczyszczanie ich powierzchni ze względu na kształt, jak też nierówności spoin i rodzaj zanieczyszczeń. Strefa przyspoinowa o szerokości około 50 mm od spoiny wymaga również oczyszczenia z odprysków
żużla oraz ze zniszczonej powłoki (jeżeli spawanie było wykonane na
placu budowy). Oczyszczenie powinno być szczególnie staranne, gdyż
miejsca ułożenia spoin są zwykle bardziej narażone na korozję niż inne
powierzchnie elementów. Powodem tego jest kształt złącza (wzajemne
nachylenie łącznych części) i nierówna powierzchnia spoin wykonywanych ręcznie, a zwłaszcza niejednorodność metalurgiczna, zwiększająca
podatność na korozję elektrochemiczną.
Ważnym czynnikiem, wpływającym zasadniczo na trwałość powłok,
jest agresywność środowiska. Należy dążyć do jej obniżenia, co uzyskuje się przez zapewnienie odpowiednich urządzeń w stosowanych procesach produkcyjnych, ich lokalizację w wydzielonych pomieszczeniach,
gdy procesy produkcyjne są szczególnie uciążliwe, oraz przez utrzymywanie odpowiednich warunków wilgotności i temperatury w pomieszczeniach zamkniętych.
Przykłady zalecanych systemów antykorozyjnych proponowanych
przez ECCS [4] przedstawiono w tabeli 2.
Jak dobierać kształt konstrukcji?
Kolejnym czynnikiem wpływającym na trwałość powłok jest dobór
kształtu konstrukcji. Wyroby stalowe różnych kształtów, zestawione w elementy konstrukcyjne, są narażone na osiadanie pyłów i skraplanie się pary wodnej. Ich powierzchnie są wystawione na te czynniki w różnych konfiguracjach, zależnych od sposobu wzajemnego zestawienia, ukształtowania węzłów i połączeń wzajemnego nachylenia ścianek lub elementów
w przestrzeni. Ogólnie można stwierdzić, że konstrukcja cienkościenna,
której powierzchnia w m² na 1 Mg jest większa niż konstrukcji o grubych
ściankach, jest bardziej narażona na czynniki korozyjne i wymaga więcej
zabiegów przy nakładaniu powłok ochronnych. Należy również stwierdzić, że konstrukcje kratowe, chociaż umożliwiają zmniejszenie zużycia materiału, powodują równocześnie stosowanie wyrobów o drobniejszych wymiarach, a zarazem o rozbudowanych gabarytach, co w koń-
Tabela 1. Kategorie korozyjności atmosfery
Kategoria korozyjności
C1 (bardzo słaba)
C2 (słaba)
C3 (średnia)
C4 (duża)
C5-I (bardzo duża, przemysłowa)
C5-M (bardzo duża, morska)
Przykłady środowisk typowych dla klimatu umiarkowanego
Na zewnątrz
Wewnątrz
Atmosfery w małym stopniu zanieczyszczone (tereny wiejskie)
Ogrzewane budynki z czystą atmosferą (szkoły, sklepy, biura, hotele).
Budynki nieogrzewane, w których może wystąpić kondensacja pary wodnej
(magazyny, hale sportowe).
Pomieszczenia produkcyjne o dużej wilgotności i pewnym
Atmosfery miejskie i przemysłowe, średnie zanieczyszczenie SO2.
zanieczyszczeniu powietrza (zakłady spożywcze, pralnie, browary).
Obszary przybrzeżne o małym zasoleniu.
Obszary przemysłowe i przybrzeżne o średnim zasoleniu.
Zakłady chemiczne, pływalnie, stocznie remontowe.
Budowle lub obszary z prawie ciągłą kondensacją i dużym zanieczyszczeniem.
Obszary przemysłowe o dużej wilgotności i agresywnej atmosferze.
Budowle lub obszary z prawie ciągłą kondensacją i dużym
Obszary przybrzeżne i oddalone od brzegu w głąb morza, o dużym
zanieczyszczeniem.
zasoleniu.
Tabela 2. Propozycje systemów zabezpieczeń antykorozyjnych dla poszczególnych kategorii korozyjności środowiska [4]
Kategoria
Kategoria C3
Numer systemu
Kategoria C4
Kategoria C5
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E9
C3
20
20
15-20
20-40
20
25
25
30
30
35
C4
10
10
7-10
15-20
15
15-20
20
20-25
25
30
C5
5
5–7
5
8-15 (C5-I)
15-20 (C5-M)
10
12
15
15
20
25
Równoważny system wg PN-EN ISO12944
S3-18
S3-06
S3-06
S4-21
S4-21
S4-29
S5M-7
S5I-8
Stopień
przygotowania
powierzchni
Osc1)
Osc1)
Osc1)
Osc1)
Osc1)
Osc1)
Osc1)
Oczekiwana trwałość
powłoki antykorozyjnej
w latach
Sa 21/2
Sa 21/2
Sa 21/2
Rodzaj warstwy
PEFC
100µm
FNIA
100µm
PAFC
80µm
NABZ
60µm
PAFC
80µm
PAPA
60µm
Rodzaj warstwy
brak
NABZ
60µm
PAAA
60µm
45
50
50
Warsztat
Teren
Koszt zł/m2
CZ
85µm
46
Osc1)
E10
Sa 21/2
Sa 21/2
Sa 21/2
Sa 21/2
Sa 21/2
Osc1)
Sa 21/2
GEFC
80µm
EPBZ
100µm
GEFC
40µm
EPBZ
100µm
PAFC
80µm
NABZ
60µm
NA
150µm
GEFC
50µm
GEFC
40µm
2xEPBZ
200µm
PAFC
80µm
2xEPBZ
200µm
PFN
60µm
EPBZ
100µm
NPIA
100µm
PFN
60µm
NPIA
80µm
PFN
60µm
55
55
65
115
73
77
1) Osc – obróbka strumieniowo cierna
GEFC – Grunt epoksydowy, utwardzany, pigmentowany antykorozyjnie fosforanem cynku, NPIA – Poliuretanowa farba nawierzchniowa utwardzana izocyjanianem alifatycznym,
GAFC – Grunt alkidowy pigmentowany antykorozyjnie fosforanem cynku, NABZ – Alkidowa jednoskładnikowa farba pigmentowana błyszczem żelazowym (MIO), PAPA – Podkład
alkidowy pigmentowany antykorozyjnie, PAAA – Pigmentowana antykorozyjnie alikdowa farba nawierzchniowa, EPBZ – Epoksydowa farba utwardzana poliamidem, pigmentowana
błyszczem żelazowym (MIO), PFN – Poliuretanowa farba nawierzchniowa, PKC – Podkład krzemianowo-cynkowy, CZ – cynkowanie zanurzeniowe, NA – natrysk powłoką aluminiową,
Ułatwić czyszczenie
Do wymienionych zaleceń zostanie podanych kilka uzupełniających
informacji. Zestawienie kształtowników o wąskiej szczelinie uniemożliwia prawidłowe oczyszczenie powierzchni i nałożenie powłok ochronnych. Zagrożenie korozją jest wówczas bardzo duże. Również wypełnienie wnętrza dwóch kształtowników innymi, rozbudowanymi przestrzennie
wyrobami jest niewłaściwe z takich samych powodów, jak wymienione
uprzednio. Aby możliwe było oczyszczenie powierzchni ścianek, przynajmniej za pomocą szczotki, i prawidłowe nałożenie warstwy ochronnej pędzlem, kształtowniki o małych wymiarach zaleca się rozmieszczać
w odstępach nie mniejszych niż 1/3 wysokości ścianki lub większych niż
45 mm. Przy zestawieniu kształtowników w przekroje tworzące wewnętrzną komorę zalecenie jest jeszcze ostrzejsze – odstęp stopek należy powiększyć do 80 mm. Taka szczelina zapewnia możliwość włożenia
dłoni wraz z narzędziami do oczyszczania, malowania i swobodne manipulowanie nimi wewnątrz komory. W szczególnie korozyjnych środowiskach zaleca się wypełnienie szczelin przekładką stalową wystającą ponad kształtowniki i dookoła ospawaną.
Kształtowanie powierzchni elementów
Należy tak kształtować powierzchnię elementów, aby nie gromadziła się na nich woda opadowa. W tym celu należy projektować powierzchnie pochyłe lub ścięte oraz unikać kieszeni i wgłębień, w których może się gromadzić brud (rys. 3). Należy zapewnić odprowadzenie z konstrukcji wody i cieczy powodujących korozję. Spływ
wody nie może następować ze stali węglowej na stal nierdzewną. Ostre brzegi elementów należy zaokrąglać lub fazować, aby było możliwe naniesienie na nich powłoki o równomiernej grubości.
Spoiny powinny być pozbawione podtopień, odprysków, kraterów czy
pęcherzy, które jest trudno pokryć prawidłowo ułożoną powłoką malarską. Śruby, nakrętki i podkładki powinny być zabezpieczone przed korozją na cały okres eksploatacji konstrukcji. Powierzchnie cierne powinny być oczyszczone do odpowiedniej chropowatości (np. 2 1/2) oraz
pokryte powłoką o odpowiednim współczynniku tarcia.
Elementy z kształtowników zamkniętych lub skrzynkowych, mające
niezamknięte końce, powinny mieć otwory drenażowe umożliwiające
swobodny spływ wody. Natomiast elementy zamknięte na końcach powinny być nieprzepuszczalne dla wody i wilgoci przez uszczelnienie spoiną ciągłą. Wycięcia w elementach (żebra, środniki) powinny mieć promień nie mniejszy niż 5 cm. Ukształtowanie żeber i usztywnień nie może pozwalać na gromadzenie się osadów lub wody oraz powinno umożliwiać właściwe ułożenie powłoki antykorozyjnej.
Gdy powierzchnia elementów konstrukcji przewidziana do odnowienia
jest trudno dostępna, wówczas należy przewidzieć do niej dostęp z koszy zawieszonych na konstrukcji, drabin obrotowych lub innych urządzeń. Dotyczy to ścian zewnętrznych budynków wysokich, hal o dużej
wysokości, zbiorników, kopuł i innych konstrukcji o dużych powierzchniach. Te urządzenia w przypadku zbiorników i kopuł są stałym wyposażeniem obiektów.
Literatura:
[1] Jan Bródka, Mirosław Broniewicz, Projektowanie konstrukcji stalowych według Eurokodów.
Polskie Wydawnictwo Techniczne, Rzeszów 2013.
[2] PN-EN-ISO 12944.
[3] PN-EN ISO 12944-5.
[4] Surface protection guide for steelwork exposed to atmospheric environments. The European
Convention for Constructional Steelwork ( ECCS). 2008.
Abstract: How to prevent corrosion?
Corrosion is called unintentional, gradually taking place destruction of metals that result from chemical or electrochemical interaction with the environment that surrounds them. In the case of building structures consequences of this phenomenon can be disastrous, therefore immensely important are properly carried out preventive measures. They are the subject of
this article.
49
Rys. 3. Kształtowanie powierzchni elementów
lipiec 2014
Rys. 2. Ubytki korozyjne w milimetrach w zależności od rodzaju kształtownika
Builder
cowym wyniku prowadzi do wzrostu gabarytowej powierzchni w m2 na
1 Mg w stosunku do konstrukcji pełnościennych (blachownicowych)
i również do większego zagrożenia czynnikami korozyjnymi.
Powierzchnie wyrobów stalowych przy takiej samej ekspozycji korodują z różną prędkością. Na rys. 2 przedstawiono przykłady różnych
kształtowników lub ich zestawienia oraz ubytki materiału przy takiej samej eksploatacji, lecz przy różnym ustawieniu ścianek. Intensywność korozji jest największa na powierzchni kształtowników, na których łatwo
mogą się gromadzić i utrzymywać przez długi czas stałe zanieczyszczenia oraz para wodna, która po skropleniu ma utrudniony odpływ lub
wysychanie. Bardziej powolna jest korozja na ściankach pionowych lub
ukośnych w stosunku do korozji ścianek, ułożonych poziomo lub ułożonych w zagłębieniach.
Podczas doboru kształtu elementów konstrukcji należy brać pod uwagę następujące zalecenia:
• unikać wąskich szczelin przy zestawieniu kształtowników w przekrój
dwu- lub więcej gałęziowy, utrudniających lub uniemożliwiających odnowienie powłoki,
• unikać przekrojów o poziomo rozwiniętych półkach,
• stosować kształtowniki zamknięte lub otwarte o zwartych kształtach;
elementy o przekrojach zamkniętych (rurowe lub skrzynkowe) hermetycznie zamykać,
• umożliwić spływ skraplającej się wody; zapobiegać tworzeniu się
zbiorników kurzu i wody,
• w wyjątkowych wypadkach zastosowania elementów z wąskimi szczelinami uszczelnić je pastami i kitami,
• nie stosować konstrukcji kratowych przy dużym zagrożeniu korozją,
• nie stosować spoin przerywanych lub niepełnych (czołowych) przy dużym zagrożeniu korozją,
• nie dopuszczać do powstawania kawern w stykach,
• uszczelniać złącza śrubowe,
• stosować przekładki izolacyjne, aby nie dopuścić do korozji w styku
różnych metali,
• nie stosować nakładek lub przykładek, gdy można przyjąć rozwiązanie, w którym są eliminowane.