Αντιδιαβρωτικές µέθοδοι προστασίας του εκτεθειµένου στην ατµόσφαιρα δοµικού χάλυβα µε τη χρήση επιστρωµάτων που περιέχουν αναστολείς διάβρωσης.

Transcript

1 Αντιδιαβρωτικές µέθοδοι προστασίας του εκτεθειµένου στην ατµόσφαιρα δοµικού χάλυβα µε τη χρήση επιστρωµάτων που περιέχουν αναστολείς διάβρωσης. Ε.Ντάφλου, Ε.Ρακαντά Χηµικός Μηχανικός. Σχολή Χηµικών Μηχανικών Ε.Μ.Π. Τοµέας Επιστήµης και Τεχνικής των Υλικών. Γ.Μπατής Καθηγητής. Σχολή Χηµικών Μηχανικών Ε.Μ.Π. Τοµέας Επιστήµης και Τεχνικής των Υλικών. Λέξεις κλειδιά: Πτητικοί αναστολείς διάβρωσης, ατµοσφαιρική διάβρωση, αναµονές δοµικού χάλυβα ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην παρούσα εργασία χρησιµοποιήθηκαν δύο κατηγορίες αντιδιαβρωτικών επιστρωµάτων ως µέθοδος προστασίας του δοµικού χάλυβα έναντι της ατµοσφαιρικής διάβρωσης. Στην πρώτη χρησιµοποιήθηκε αντιδιαβρωτικό χρώµα που η προστατευτική του επίδραση στηρίζεται στη συνεχή ροή ιόντων του αναστολέα ( V.C.I ατµώδης αναστολέας διάβρωσης), που δρα ως µονωτής µεταξύ των ενεργών κέντρων εµποδίζοντας την οξειδωτική και αναγωγική δράση, ενώ στη δεύτερη κατηγορία ουδέτερος µετατροπέας οξειδίων του σιδήρου. Αντικείµενο της εργασίας είναι η µελέτη της ανθεκτικότητας των παραπάνω επιστρώσεων και η εκτίµηση του βαθµού προστασίας τους έναντι της διάβρωσης σε δοκίµια χάλυβα. Η αποτελεσµατικότητα της προστασίας έναντι της διάβρωσης πραγµατοποιήθηκε ποσοτικά µε σταθµικό προσδιορισµό της απώλειας µάζας ως προς τον χρόνο έκθεσης των δοκιµίων. Εκτιµήθηκαν ηλεκτροχηµικές παράµετροι όπως πυκνότητα ρεύµατος διάβρωσης, I corr και η αντίσταση γραµµικής πόλωσης, R p, όπως και η επίδραση των επικαλυµµένων και µη, δοµικών χαλύβων στην συνάφεια µεταξύ χάλυβα / σκυροδέµατος µε δοκιµές εξόλκευσης (pull out). 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η διάβρωση γενικά των µετάλλων είναι ένα ηλεκτροχηµικό φαινόµενο το οποίο συνοδεύεται από µεταφορά φορτίου (ηλεκτρονίων) µεταξύ των παθητικών και των ενεργών περιοχών του. Μέσω µιας φυσικής ηλεκτροχηµικής δράσης, η οποία προκαλείται από την αντίδραση του υλικού αυτού µε το περιβάλλον στο οποίο είναι εκτεθειµένο, το υλικό αυτό επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Πρωταρχική απαίτηση για να συµβεί αυτό είναι η παρουσία ενός λεπτού στρώµατος ηλεκτρολύτη. Παρόλο που η διαδικασία της ατµοσφαιρικής διάβρωσης είναι µια φυσική δράση, συγκεκριµένοι ατµοσφαιρικοί παράγοντες στους οποίους το µέταλλο εκτίθεται κατά τη διαδικασία της παραγωγής, κατεργασίας,αποθήκευσης, µεταφοράς και εγκατάστασης µπορούν να επιταχύνουν µε έντονους ρυθµούς αυτή τη διαδικασία (Boyle,B., 2004.).Έτσι όταν τα επίπεδα σχετικής υγρασίας είναι πάνω από 75% και κυρίως σε παραθαλάσσιες περιοχές όπου ο κύριος παράγοντας διάβρωσης είναι και η παρουσία αλάτων χλωρίου, παρατηρείται έντονος ρυθµός διάβρωσης (Roberge,P.R., 2002., Mendoza,A.R., 1999.). Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ότι σε περιοχές παράκτιες η συγκέντρωση των αλάτων είναι ο κύριος παράγων έναρξης και επιτάχυνσης της ατµοσφαιρικής διάβρωσης των µεταλλικών επιφανειών, η οποία όµως κυµαίνεται σε πολύ υψηλές τιµές σε περιοχές έντονου κυµατισµού και σε χαµηλές τιµές σε περιοχές ήρεµων υδάτων. Η συγκέντρωση των χλωριόντων στην ατµόσφαιρα εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως απόσταση από την ακτογραµµή, τοπογραφία της περιοχής, διεύθυνση και ταχύτητα ανέµων κ.α. (Corvo,F., et all, 1997.). Απουσία χλωριόντων, η ανοδική αντίδραση στην επιφάνεια του χάλυβα 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

2 (οξείδωση - διάλυση) καθορίζεται και ρυθµίζεται από την αναγωγή του οξυγόνου. Παρουσία χλωριόντων, αυτά αρχικά διαλύονται στο λεπτό στρώµα υγρασίας το οποίο δηµιουργείται στην επιφάνεια του χάλυβα ενώ παράλληλα αυξάνουν την αγωγιµότητα του ηλεκτρολύτη καταστρέφοντας έτσι το υπάρχων παθητικό στρώµα στην επιφάνεια του µετάλλου. Τα χλωριόντα ταυτόχρονα δρουν και ως καταλύτες στην απελευθέρωση των ιόντων του σιδήρου, Fe 2+ προσροφόµενα ή διαχεόµενα µέσα στο στρώµα των οξειδίων. Προηγούµενες έρευνες ως προς την ατµοσφαιρική διάβρωση του χάλυβα, αναφέρουν ότι τιµές χλωριόντων κάτω από το όριο των 100mg Cl - m -2 d -1 δηµιουργούν µικρή επίδραση στην ατµοσφαιρική διάβρωση, ενώ δηµιουργείται επιτάχυνση του φαινοµένου εάν το όριο των χλωριόντων στην ατµόσφαιρα ξεπεράσει την τιµή των 400mg Cl - m -2 d -1 (Morcillo,M.,et all, 2000.). Η Ελλάδα είναι µια χώρα όπου διαβρέχεται από θάλασσα µε υψηλές κατά µέσο όρο θερµοκρασίες ιδιαίτερα κατά τους θερινούς µήνες. Κατά συνέπεια το φαινόµενο της διάβρωσης παρουσιάζεται σε έντονο βαθµό όχι µόνο στις παράκτιες περιοχές αλλά και στις πιο ορεινές λόγω των ανέµων. Οι επιπτώσεις της διάβρωσης από οικονοµική άποψη είναι πολύ µεγάλες, αρκεί να αναφερθεί ότι υπολογίζεται ότι το ¼ περίπου της παγκόσµιας παραγωγής σιδήρου και χάλυβα καταστρέφεται από τη διάβρωση ( Oh,S.J., et all, 1999, Bhaskaran,R., et all, 2005.). Είναι γενικά γνωστό πόσο σηµαντικό ρόλο παίζει στην ανθεκτικότητα των κατασκευών η φθορά του οπλισµού στο σκυρόδεµα εξαιτίας της ατµοσφαιρικής διάβρωσης και την οικονοµική σηµασία που έχει. Στην Ελλάδα οι αναµονές του οπλισµού στις κατασκευές εκτίθενται στην ατµόσφαιρα για µεγάλα χρονικά διαστήµατα είτε γιατί δεν έχει ολοκληρωθεί η κατασκευή η για µελλοντικές προσθήκες και επεµβάσεις, και δεδοµένων όλων των ατµοσφαιρικών παραγόντων που αναφέρθηκαν προηγούµενα, παρατηρείται στην επιφάνειά τους έντονος σχηµατισµός προϊόντων διάβρωσης. Όταν λοιπόν συνεχιστεί η κατασκευή η χρειαστεί να επεκταθεί, τα σχηµατισµένα προϊόντα της διάβρωσης θα επηρεάσουν τη συνάφεια µεταξύ του οπλισµού και του σκυροδέµατος µειώνοντάς τη. Επίσης σηµαντικό είναι ότι µεταξύ παλαιού (διαβρωµένου οπλισµού ) και του νέου θα δηµιουργηθούν γαλβανικά στοιχεία. Είναι µείζονος λοιπόν σηµασίας όχι µόνο από οικονοµικής άποψης αλλά και από την πλευρά της συµπεριφοράς των κατασκευών και ένας από τους στόχους της έρευνας αυτής η έµφαση στην προστασία των µεταλλικών επιφανειών ειδικότερα των αναµονών του οπλισµού και γενικότερα των κατασκευών από την ατµοσφαιρική διάβρωση (Batis,G., et all, 2005.). Η χρήση αντιδιαβρωτικών επιστρωµάτων είναι από τις πιο κοινές µεθόδους προστασίας των µεταλλικών επιφανειών και ειδικότερα στη περίπτωση προστασίας του χάλυβα. Η προστασία των αντιδιαβρωτικών χρωµάτων βασίζεται άλλοτε µεν στο φαινόµενο της παρεµπόδισης επαφής της επιφάνειας του χάλυβα µε το διαβρωτικό περιβάλλον (barrier effect) άλλοτε δε περιέχουν ουσίες που επιδρούν στην επιφάνεια του χάλυβα µε φυσικό ή χηµικό τρόπο ώστε να σχηµατίζεται κάποιο λεπτό προστατευτικό επίστρωµα ή και τα δύο (Batis,G., et all, 2000, Zubielewicz,M., et all, 2004.). Η χρησιµοποίηση αντιδιαβρωτικών χρωµάτων που περιέχουν αναστολείς διάβρωσης σε ιοντική µορφή, δηµιουργεί ένα προστατευτικό στρώµα ιόντων στην επιφάνεια του χάλυβα, που σταµατά την ηλεκτρολυτική δράση µεταξύ ανόδων καθόδων. Τις τελευταίες δεκαετίες η ανάγκη για την χρήση µη τοξικών επιστρωµάτων έδωσε πολλές ερευνητικές προσπάθειες µε αξιόλογα αποτελέσµατα και ανέδειξε εµπορικά την χρήση αντιδιαβρωτικών χρωµάτων που περιέχουν τους ονοµαζόµενους πτητικούς αναστολείς διάβρωσης (Vapour Phase Corrosion Inhibitors, VpCI) στη σύνθεσή τους (Miksic,B.A., et all, 1980). Οι πτητικοί αναστολείς διάβρωσης ορίζονται ως ενώσεις ή µείγµα ενώσεων (συνήθως οργανικώνβάση αµίνης, διαλυτές στο νερό) µε υψηλή πίεση ατµών ( mmhg) που µπορούν να αποτρέψουν την ατµοσφαιρική διάβρωση µεταλλικών υλικών. Είναι δευτεροταγούς ηλεκτρολυτικού στρώµατος αναστολείς οι οποίοι κατέχουν αξιόλογη κορεσµένη πίεση ατµών σε ατµοσφαιρικές συνθήκες, επιτρέποντας έτσι την συνεχή ροή -µεταφορά ιόντων του αναστολέα σε ατµώδη φάση. Ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα είναι ότι οι προστατευτικοί ατµοί διαχέονται σε όλα τα απόµακρα σηµεία και τις κοιλότητες του µετάλλου που είναι δύσκολο να προσεγγιστούν µε άλλους τρόπους. Έχουν την ιδιότητα να δηµιουργούν ένα λεπτό µονοµοριακό προστατευτικό στρώµα πάνω στην µεταλλική επιφάνεια εµποδίζοντας έτσι την διείσδυση των διαβρωτικών στοιχείων. Το µοριακό 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

3 ανασταλτικό στρώµα ιόντων δρα και στην άνοδο και στην κάθοδο του µετάλλου εµποδίζοντας την ηλεκτρόλυση-διάβρωση Το στρώµα αυτό αποκαθίσταται και αυτοαναπληρώνεται µε περαιτέρω συµπύκνωση των ατµών (Furman,A.Y., et all, 2004, Chandler,C.J., et all, 2002, Prenosil,M., 2001, Estevao,L.R.M., et all, 2001.). Στην περίπτωση πτητικών ενώσεων µε βάση τις αµίνες ο σχηµατισµός του δεσµού µε την µεταλλική επιφάνεια επιτυγχάνεται µέσω του αζώτου της αµίνης το οποίο έχει δύο ελεύθερα ηλεκτρόνια τα οποία προσελκύονται στην πολική µεταλλική επιφάνεια. Αυτή η έλξη στην µεταλλική επιφάνεια κάνει το υπόλοιπο µόριο του αναστολέα υδροφοβικό µε αποτέλεσµα να απωθεί την υγρασία και να καθυστερεί σε σηµαντικό βαθµό την διάβρωση. Οι υδροφοβικές ιδιότητες των πτητικών αναστολέων επιτρέπουν τη δράση τους ως ρυθµιστικά διαλύµατα που κρατούν το ph στη διεπιφάνεια µετάλλου-αναστολέα στην αλκαλική περιοχή. Ο προτεινόµενος µηχανισµός δράσης δίνεται στην παρακάτω εικόνα 1. Εικόνα 1. Προτεινόµενος µηχανισµός δράσης πτητικών αναστολέων διάβρωσης (VpCI). Σύµφωνα µε αυτό τον µηχανισµό η οµάδα R1 του µορίου του αναστολέα είναι υπεύθυνη για την δηµιουργία σταθερού δεσµού µε την µεταλλική επιφάνεια. Η οµάδα R2 καθορίζει το πάχος και την ικανότητα της προστασίας του σχηµατιζόµενου µονοµοριακού στρώµατος(bastidas,d.m., et all, 2005.). Στην παρούσα εργασία χρησιµοποιήθηκε αφενός αντιδιαβρωτικό χρώµα το οποίο περιέχει πτητικό αναστολέα διάβρωσης µε φορέα εποξειδικής ρητίνης και αφετέρου επίστρωµα ουδέτερου µετατροπέα οξειδίων σιδήρου. Ο µηχανισµός δράσης του δευτέρου είναι η µετατροπή του δισθενούς σιδήρου, Fe +2, σε τρισθενή, Fe +3, και την ταυτόχρονη δηµιουργία ενός προστατευτικού στρώµατος το οποίο εµποδίζει την εξέλιξη της διάβρωσης (Batis,G., et all,1998.). Αντικείµενο της εργασίας είναι η µελέτη της ανθεκτικότητας των παραπάνω επιστρώσεων και η εκτίµηση του βαθµού προστασίας τους έναντι της ατµοσφαιρικής διάβρωσης σε δοκίµια δοµικού χάλυβα. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

4 2 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΤΗΣ ΙΑΒΡΩΣΗΣ Προκειµένου να εκτιµηθεί η ανθεκτικότητα και η αποτελεσµατικότητα των επιστρώσεων έναντι της διάβρωσης πραγµατοποιήθηκαν πειραµατικές δοκιµές διάβρωσης που αφορούσαν δοκίµια χάλυβα οπλισµού σκυροδέµατος (ΧΟ.Σ), τα οποία εκτέθηκαν στην ατµόσφαιρα (Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου). Ειδικότερα, εξετάστηκαν δύο επιστρώσεις ως προς την ανθεκτικότητα τους στην ατµοσφαιρική διάβρωση. Ως πρώτη επίστρωση χρησιµοποιήθηκε αντιδιαβρωτικό χρώµα το οποίο περιέχει πτητικό αναστολέα διάβρωσης, VpCI και ως δεύτερη επίστρωση ουδέτερος µετατροπέας οξειδίων σιδήρου,ru. Η χρονική διάρκεια έκθεσης των δοκιµίων στην ατµόσφαιρα ήταν έως 24 µήνες. Οι δύο παραπάνω σειρές επικαλύψεων εφαρµόστηκαν σε δοκίµια χάλυβα Ο.Σ, τύπου S500s Tempcore διαµέτρου 12mm (D=12) και µήκους 100mm, τα οποία και παρέµειναν 7 ηµέρες σε θάλαµο ξήρανσης (40 ο C). Τα δοκίµια των χαλύβων πριν την έκθεση τους στο περιβάλλον διάβρωσης και για τις δύο κατηγορίες, καθαρίστηκαν σύµφωνα µε το πρότυπο (ISO/DIS ). Ο βαθµός προστασίας των εξεταζόµενων χρωµάτων έναντι της διάβρωσης πραγµατοποιήθηκε µε σταθµικό προσδιορισµό της απώλειας µάζας συναρτήσει του χρόνου έκθεσής τους. Επιπρόσθετα εκτιµήθηκαν ηλεκτροχηµικές παράµετροι όπως πυκνότητα ρεύµατος διάβρωσης, Icorr,και αντίσταση γραµµικής πόλωσης R p.. Η πειραµατική διάταξη για την διεξαγωγή των ηλεκτροχηµικών µετρήσεων (γραµµική και κυκλική πόλωση) περιελάµβανε Ποτενσιοστάτη/ γαλβανοστάτη της E.G & Model 263 συνδεδεµένο µε υπολογιστή για την καταγραφή των πειραµατικών δεδοµένων. Για την επεξεργασία των ηλεκτροχηµικών αποτελεσµάτων χρησιµοποιήθηκε λογισµικό Softcorr III της εταιρίας E.G & G Princeton Research. Οι ηλεκτροχηµικές µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν σε κελί ηλεκτρόλυσης υπό σταθερές συνθήκες θερµοκρασίας η διάταξη ήταν τριών ηλεκτροδίων. Ως ηλεκτρόδιο αναφοράς χρησιµοποιήθηκε ηλεκτρόδιο κεκορεσµένου καλοµέλανα SCE. Ως ηλεκτρόδιο εργασίας το επικαλυµµένο δοκίµιο δοµικού χάλυβα, ενώ ως βοηθητικό ηλεκτρόδιο χρησιµοποιήθηκε ηλεκτρόδιο άνθρακα. Ο ηλεκτρολύτης ο οποίος χρησιµοποιήθηκε ήταν υδατικό διάλυµα ΝaCl. Στην τεχνική γραµµικής πόλωσης ο χάλυβας πολώνεται σε µικρό εύρος δυναµικών ± 20mV από το ελεύθερο δυναµικό διάβρωσης του(e corr ), και λαµβάνεται διάγραµµα σάρωσης των δυναµικών συναρτήσει της πυκνότητας του ρεύµατος διάβρωσης. Στη περιοχή [E corr -20mV, E corr +20mV] η συνάρτηση του δυναµικού ως προς την πυκνότητα του ρεύµατος ακολουθεί τον νόµο του Ohm (γραµµική µεταβολή ρεύµατος ως προς δυναµικό). Βήµα σάρωσης (Scan rate) δυναµικού για την γραµµική πόλωση και την τεχνική Tafel ήταν 0.1mV/sec Οι δοκιµές εξόλκευσης πραγµατοποιήθηκαν σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM C ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ -ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 3.1 Μετρήσεις απώλειας µάζας Μετά την πάροδο των 6,12,18 και 24 µηνών έκθεσης στο περιβάλλον τα δοκίµια αποµακρύνθηκαν από το περιβάλλον διάβρωσης προκειµένου να εκτιµηθεί ο ρυθµός διάβρωσης τους ο οποίος προσδιορίστηκε σύµφωνα µε την σχέση 1. Ρυθµός ιάβρωσης ( µm / year ) = 7 W (1) A T D όπου W = απώλεια µάζας (g), A = επιφάνεια χάλυβα (cm 2 ), T = χρόνος έκθεσης (h), D = πυκνότητα χάλυβα ( g/cm 3 ). Τα αποτελέσµατα από την επί τοις εκατό απώλεια µάζας των χαλύβων συναρτήσει του χρόνου έκθεσης στην ατµόσφαιρα και του ρυθµού διάβρωσης φαίνονται στις Εικόνες 2 και 3 αντίστοιχα. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

5 0,90 Μεταβολή επί τοις εκατό κατά βάρος ( Β/Βαρχ)% 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 RF: οκίµια αναφοράς (χωρίς επικάλυψη) VCI: Επικάλυψη µε πτητικό αναστολέα διάβρωσης 0,613 0,501 0,032 0,009 0,719 0,046 0,802 0,077 0, Χρόνος (µήνες) Εικόνα 2. Επί τοις εκατό µεταβολή βάρους επικαλυµµένων και µη µε οργανική επικάλυψη µε αναστολέα διάβρωσης δοκιµίων, µετά από έκθεση στην ατµόσφαιρα για χρονικό διάστηµα 6,12,18 και 24 µηνών. RF: οκίµια αναφοράς (χάλυβες χωρίς επικάλυψη), VCI: οκίµια µε επιφανειακή οργανική επικάλυψη η οποία περιέχει πτητικό αναστολέα διάβρωσης. 1,2 1,142 1,1 1 RF: οκίµια αναφοράς (χωρίς επικάλυψη) VCI: Επικάλυψη µε πτητικό αναστολέα διάβρωσης 0,9 Ρυθµός διάβρωσης ( mpy) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,695 0,535 0,460 0,3 0,2 0,1 0 0,020 0,035 0,034 0, Χρόνος (µήνες) Εικόνα 3. Ρυθµός ιάβρωσης χαλύβων επικαλυµµένων και µη µε οργανική επικάλυψη µε αναστολέα διάβρωσης µετά από έκθεση στην ατµόσφαιρα για χρονικό διάστηµα 6,12,18 και 24 µηνών. RF: οκίµια αναφοράς (χάλυβες χωρίς επικάλυψη), VCI: οκίµια µε επιφανειακή οργανική επικάλυψη η οποία περιέχει πτητικό αναστολέα διάβρωσης. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

6 3.2 Ηλεκτροχηµικές µετρήσεις Στην παρούσα εργασία τόσο το φαινόµενο της διάβρωσης του χάλυβα όσο και η ανθεκτικότητα και η αποτελεσµατικότητα των επικαλύψεων, εξετάζεται µε τη χρήση ηλεκτροχηµικών µεθόδων. Οι ηλεκτροχηµικές µέθοδοι βασίζονται στην ηλεκτροχηµική φύση της διάβρωσης και µετρούν τις ηλεκτρικές ιδιότητες της ηλεκτρισµένης διπλοστοιβάδας (δηλ. της διεπιφάνειας µετάλλου / διαλύµατος) τόσο για την διερεύνηση του µηχανισµού της διάβρωσης όσο και για την παρακολούθηση και τον έλεγχό της στην πράξη. Οι τεχνικές που χρησιµοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία είναι η τεχνική της γραµµικής πόλωσης και η τεχνική προεκβολής του Tafel για χρόνους έκθεσης στην ατµόσφαιρα 6,12,18 και 24 µήνες. Στην τεχνική της γραµµικής πόλωσης σαρώνεται το δυναµικό του οπλισµού ± 20 mv από το δυναµικό διάβρωσης του. Λόγο του ότι η αυτή η διαταραχή / πόλωση που προκαλείται στον οπλισµό είναι πολύ µικρή, θεωρείται ότι η σχέση δυναµικού ως προς αποδιδόµενο ρεύµα είναι γραµµική δηλαδή υπακούει στον νόµο του Ohm. Οπότε η αντίσταση γραµµικής πόλωσης R p προκύπτει από την κλίση της ευθείας που προκύπτει από την σάρωση του δυναµικού ως προς την αποδιδόµενη πυκνότητα ρεύµατος (απόκριση) σύµφωνα µε τον συσχετισµό του Stern Geary. I corr = B / R p, όπου B = σταθερά Stern Geary και ίση µε β α β c 2.3 (β α + β c ) Η τιµή της σταθεράς Β για τον χάλυβα παίρνει την τιµή 26mV όταν βρίσκεται σε ενεργή κατάσταση και 52mV όταν είναι σε παθητική κατάσταση, β α και β c ανοδική και καθοδική σταθερά Tafel, αντίστοιχα. Από τον νόµο του Faraday και µε γνωστή τη πυκνότητα του ρεύµατος διάβρωσης I corr (από την µέθοδο της γραµµικής πόλωσης) καταλήγουµε στον προσδιορισµό του ρυθµού διάβρωσης του χάλυβα. Ρυθµός ιάβρωσης (µm/y) = 3.27 I corr E.W d όπου I corr = πυκνότητα ρεύµατος διάβρωσης σε µα/cm 2, E.W = ισοδύναµο βάρος σε g ( για τον χάλυβα E.W = g ), d = πυκνότητα χάλυβα σε g/cm 3 (ρ = 7.95 g / cm 3 ) (Chandler,C.J., 2002.). Στην τεχνική Tafel το δυναµικό µεταβάλλεται σταθερά από το δυναµικό διάβρωσης και εκτείνεται στα 250 mv τόσο στην καθοδική όσο και στην ανοδική περιοχή και καταγράφεται η µεταβολή της έντασης του ρεύµατος. Οι µετρήσεις της έντασης του ρεύµατος σε αυτή την περίπτωση είναι η διαφορά µεταξύ της ανοδικής και καθοδικής έντασης ρεύµατος. Από τον Πίνακα 1 είναι φανερό ότι και οι δύο επικαλύψεις εµφανίζουν σηµαντική προστατευτική επίδραση για τον χάλυβα. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

7 Πίνακας 1. Συγκριτικές τιµές ηλεκτροχηµικών µετρήσεων Κωδική ονοµασία δοκιµίων Χρόνος έκθεσης (µήνες) Τεχνική Γραµµικής Πόλωσης Τεχνική Tafel I corr R p Ρυθµός διάβρωσης ( mpy ) I corr Ρυθµός διάβρωσης ( mpy ) (µα / cm 2 ) (KOhms) (µα / cm 2 ) RF RU VCI RF RU VCI RF RU VCI RF RU VCI ,75 RF: οκίµια αναφοράς (χωρίς επικάλυψη) ,16 144,4 RU: επικάλυψη µε ουδετερο µετατροπέα οξειδίων του σιδήρου VCI: Επικάλυψη µε πτητικό αναστολέα διάβρωσης Ρυθµός διάβρωσης (mpy) , ,24 0,87 6,42 3,11 5,76 5,13 2,96 8, Χρόνος ( µήνες ) Εικόνα 4. Ρυθµός ιάβρωσης χαλύβων επικαλυµµένων και µη µε οργανική επικάλυψη µε αναστολέα διάβρωσης µετά από έκθεση στην ατµόσφαιρα για χρονικό διάστηµα 6,12,18 και 24 µηνών. RF: οκίµια αναφοράς (χάλυβες χωρίς επικάλυψη), RU: οκίµια µε επικάλυψη ουδέτερου µετατροπέα οξειδίων του σιδήρου, VCI: οκίµια µε επιφανειακή οργανική επικάλυψη η οποία περιέχει πτητικό αναστολέα διάβρωσης. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

8 3.3 Μετρήσεις συνάφειας χάλυβα / σκυροδέµατος Εικόνα 5. οκιµές εξόλκευσης Οι δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM C-234 µε σκοπό να εξεταστεί η συνάφεια µεταξύ του επικαλυµµένου χάλυβα και του σκυροδέµατος. Η µέγιστη δύναµη εξόλκευσης ασκήθηκε στα 49 kn µε µέγιστη ολίσθηση του δοκιµίου στα 0,3mm. 4 ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στην εργασία αυτή εξετάστηκε η ανθεκτικότητα δύο επικαλύψεων που χρησιµοποιούνται σαν αστάρια πάνω στην επιφάνεια του χάλυβα οπλισµού σκυροδέµατος σε έκθεση στην ατµόσφαιρα. Στην ατµοσφαιρική διάβρωση και οι δύο επικαλύψεις παρουσίασαν σηµαντικό βαθµό προστασίας στον χάλυβα. Θα έπρεπε να σηµειωθεί ότι τα επιστρώµατα αυτά κανονικά δεν χρησιµοποιούνται µόνα τους αλλά επικαλύπτονται από ένα άλλο χρώµα. Βεβαίως οι αναστολείς διάβρωσης προστίθενται στα αστάρια και όχι στα τελικά επιφανειακά χρώµατα Παρόλα αυτά η προστασία ήταν ικανοποιητική. Αντίθετα από τον Πίνακα 1 των ηλεκτροχηµικών µετρήσεων το VpCI παρουσιάζει καλύτερο βαθµό προστασίας. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι ακόµα και µετά την αποµάκρυνσή της επικάλυψης από το δοκίµιο παραµένει το µονοµοριακό στρώµα του αναστολέα διάβρωσης. Όσο αφορά τη σύγκριση των δύο επικαλύψεων θα πρέπει να αναφερθεί ότι τα αποτελέσµατα δεν είναι ξεκάθαρα. Λαµβάνοντας υπόψη την συνάφεια, η επικάλυψη RU παρουσιάζει καλύτερη συµπεριφορά από την VCI. Εάν πάλι ληφθεί υπόψη η ηλεκτροχηµική συµπεριφορά τότε η επικάλυψη VpCI υπερτερεί της RU. Η διαφορετική αυτή εικόνα των αποτελεσµάτων οφείλεται στον διαφορετικό µηχανισµό προστασίας που εµφανίζουν οι επικαλύψεις αυτές. Το στρώµα του Fe 3 O 4 που εµφανίζει η επικάλυψη RU δεν επιτρέπει την εύκολη δίοδο του οξυγόνου και της υγρασίας προς τον χάλυβα. Η παρατηρούµενη µικρή διάβρωση (για τη χρονική διάρκεια των πειραµάτων) οφείλεται στη µετακίνηση ιόντων Fe από την διεπιφάνεια χάλυβα-επικάλυψης στη διεπιφάνεια επικάλυψηςδιαβρωτικού περιβάλλοντος. Για το λόγο αυτό η συνάφεια της επικάλυψης RU είναι πολύ καλή. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

9 Αντίθετα, στη επικάλυψη VCI η διάβρωση πραγµατοποιείται µε διείσδυση του οξυγόνου και της υγρασίας προς τη διεπιφάνεια επικάλυψης-χάλυβα. Τα σχηµατιζόµενα προϊόντα διάβρωσης προκαλούν την αποκόλληση της επικάλυψης από τον χάλυβα. Παρά όµως την αποκόλληση αυτή η διάβρωση παραµένει σε σχετικά χαµηλά επίπεδα λόγω του µονοµοριακού στρώµατος αναστολέα διάβρωσης στην επιφάνεια του χάλυβα. t=0 t = 24 µήνες Εικόνα 6. οκίµια µε επικάλυψη ουδέτερου µετατροπέα οξειδίων του σιδήρου(ru) t=0 t = 24 µήνες Εικόνα 7. οκίµια µε οργανική επιφανειακή επικάλυψη η οποία περιέχει πτητικό αναστολέα διάβρωσης (VCI). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

10 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Όπως φαίνεται από τα αποτελέσµατα και οι δύο επικαλύψεις αστάρια παρουσιάζουν σηµαντική προστασία έναντι της ατµοσφαιρικής διάβρωσης µε έµφαση στην επικάλυψη που περιέχει τον πτητικό αναστολέα διάβρωσης. Από την οπτική παρατήρηση των δοκιµίων του δοµικού χάλυβα µετά από 24 µήνες έκθεση στην ατµόσφαιρα είναι φανερό ότι στα δοκίµια µε την επικάλυψη του ουδέτερου µετατροπέα οξειδίων του σιδήρου (RU) υπάρχουν προϊόντα διάβρωσης κυρίως όµως στους νευρώνες του χάλυβα, ενώ σε αυτά που στην επικάλυψη περιέχεται πτητικός αναστολέας διάβρωσης (VCI) παρατηρείται σε περιορισµένες περιοχές διάβρωση µε βελονισµούς. Από τις ηλεκτροχηµικές µετρήσεις φαίνεται ότι η επικάλυψη VCI δίνει 96,40 %προστασία από ότι τα γυµνά δοκίµια. Από τις δοκιµές εξόλκευσης (pull out) µεταξύ των δοκιµίων αναφοράς και αυτών µε την επικάλυψη VCI φαίνεται ότι υπάρχει καλή συνάφεια σκυροδέµατος /χάλυβα. 6 ΑΝΑΦΟΡΕΣ Bastidas,D.M., Cano,E.& Mora,E.M Volatile corrosion inhibitors: a review. Anti-Corrosion Methods and Materials, 52, 2 :71-77 Batis,G., Kouloumbi,N. & Soulis,E Sandblasting: the only way to eliminate rust? Anti- Corrosion Methods and Materials, 45, 4 : Batis G., Rakanta E., Tsampras L., Mougiakos S. & Agnantiari G., Corrosion of reinforcing steel. Journal of Greek Civil Engineers, 280: Batis G. & Rakanta E., Corrosion of steel reinforcement due to atmospheric pollution. Cement & Concrete Composites, 27: Bhaskaran,R., Palaniswamy,N., Rengaswamy,N.S. & Jayachandran,M., A review of different approaches used to estimate the cost of corrosion (and their relevance in the development of modern corrosion prevention and control strategies). Anti-Corrosion Methods and Materials, 52, 1 :29-41 Boyle,B., A look at development in vapor phase corrosion inhibitors. Metal Finishing, 102:37-41 Chandler,C.J., Environmentally friendly Volatile Corrosion Inhibitors. Corrosion NACE, paper no Corvo,F., Mendoza,A.R, Autie,M. & Betancourt,N Role of Adsorption and salt content in atmospheric corrosion products of steel. Corrosion Science 39, 4: Estevao,L.R.M. & Nascimento, R.S.V, Modifications in the volatilization rate of volatile corrosion inhibitors by means of host-quest systems. Corrosion Science, 43: Furman,A.Y., Kharshan, M. & Chandler, C.J., Performance and testing of vapour phase corrosion inhibitors, Corrosion NACE, paper no ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,

11 Mendoza,A.R. & Corvo,F., Outdoor and indoor atmospheric corrosion of carbon steel. Corrosion Science 41:75-86 Miksic, B.A. & Miller,R.H., Fundamental Principles of Corrosion protection with Vapour Phase Corrosion Inhibitors, 5 th European Symposium on Corrosion Inhibitors, Italy Morcillo, M., Chico, B., Mariaca, L. & Otero, E., Salinity in marine atmospheric corrosion: it s dependence on the wind regime existing in the site. Corrosion Science, 42: Oh,S.J., Cook,D.C. & Townsend,H.E., Atmospheric corrosion of different steels in marine rural and industrial environments. Corrosion Science, 41: Prenosil,M., Volatile Corrosion Inhibitor Coatings. Supplement to Materials Performance Roberge, P.R., Klassen, R.D. &.Haberecht, P.W., Atmospheric corrosivity modelling a review. Materials and Design, 23: Zubielewicz,M.& Gnot, W., Mechanisms of non-toxic anticorrosive pigments in organic waterborne coatings. Progress in Organic Coatings, 49: ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου,