Лекция 5 Коррозия металлических конструкций

Коррозия металлических конструкций может происходить по химическому или электрохимическому механизму. Химическая коррозия металлов протекает в среде сухих газов (при температуре газовой среды более 100°С) или в среде неэлектролитов. При воздействии па металлические конструкции воды, растворов электролитов и влажных газов износ материала элементов зданий сопровождается электрохимической коррозией. При химической коррозии окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды подчиняются законам химической кинетики.

При электрохимической коррозии процесс протекает в электропроводящей среде, где процессы ионизации атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды происходят параллельно и скорости их зависят от электродного потенциала металла, а также от характера окружающей среды (природы агрессивных ионов, их концентрации, температуры электролита и др.).

Взаимодействие металла с электролитом, характер­ное для электрохимической коррозии (рис. 1), сопро­вождается тремя основными процессами:

анодным, при котором образуются гидратированные ионы металла, перешедшие в электролит, и избыточные электроны:

Ме + mН₂O  Меⁿ⁺ + mН₂О + пē;

п ереходом электронов по металлу от анодных уча­стков к катодным;

катодным, при котором ионы ассимилируются электронами или молекулами растворов, способными к восстановлению на катодных участках:

D + пē [Dпē].

Участки анодной и катодной реакции разделены, и для протекания процесса необходим переток электронов металлов и ионов в электролите. Протекание электронов от более отрицательных участков (анодов) к менее отрицательным (катодам) выравнивает зна­чение потенциалов участков, которые практически становятся электродами короткозамкнутого гальванического элемента. Если бы при этом анодный и катодный процессы не протекали, то потенциалы участков (электродов) сравнялись бы и наступила полная поляризация. При эксплуатации металлических конструкций указанные процессы, как правило, не прекращаются. Ионы и молекулы раствора электролита, обеспечивающие катодный процесс, называются деполяризаторами.

В условиях эксплуатации зданий наиболее распространены атмосферная коррозия, коррозия подземных конструкций, а также систем водо– и теплоснабжения.

Основной фактор, определяющий механизм и скорость атмосферной коррозии – степень увлажнения поверхности конструкции. По степени увлажнения атмосферную коррозию подразделяют на:

мокрую, происходящую при относительной влажности воздуха около 100% и капельной конденсации влаги, а также при непосредственном увлажнении металлических конструкций атмосферными осадками;

влажную, происходящую при наличии на поверхности металла пленки влаги толщиной 10^-6...10^-5см (100...1000°А), которая образуется в результате капиллярной, адсорбционной или химической конденсации при относительной влажности воздуха менее 100%. Таким образом, атмосферная коррозия протекает при наличии сравнительного тонкого слоя электролита на поверхности металлической, конструкции. В этом случае электролитом является как сама влага, так и увлажненный слой продуктов коррозии.

Наличие в атмосфере минеральных солей, например, хлористого натрия, также ускоряет коррозию, при этом с повышением относительной влажности воздуха скорость коррозии увеличивается в десятки раз, что объясняется гигроскопичностью хлористого натрия.

Одна из разновидностей коррозии – нитевидная, которая характеризуется узкими нитевидными каналами. Установлено, что образованию таких каналов на поверхности незащищенной металлической конструкции способствуют загрязнения твердыми частицами, попадающими из воздуха (угольной пыли, оксидов металлов, сульфатов кальция и магния, хло­ридов кальция и натрия и других веществ), способных создать анодный микро участок. На поверхностях стальных конструкций и конструкций из алюминия при наличии микрочастичек хлористого натрия, сульфата кальция и высокой относительной влажности уже через несколько суток начинает развиваться нитевидная коррозия. На стальных конструкциях глубина коррозионных поражений за 25...30 суток достигает 0,1...0,2 мм, ширина канавки по всей поверхности бывает разной и остается примерно одинаковой во времени. На окрашенных конструкциях нитевидная коррозия встречается редко, обычно из-за дефекта лакокрасочного покрытия, в котором проникшие агрессивные ионы из­меняют электродный потенциал металла, создавая анодный микро участок.

Распространенными видами коррозии в атмосферной среде, которые встречаются в процессе эксплуатации металлических элементов и конструкций, являются контактная и щелевая, а также коррозия под напряжением.

Контактная коррозия происходит при контакте двух и более металлов, имеющих разные электродные потенциалы:

При контакте, например, цинка и железа, цинк будет разрушаться как более электроотрицательный металл по сравнению с железом. Таким образом, при контакте любых разнородных металлов коррозия более электроотрицательного металла будет ускоряться, а более электроположительного замедляться. На этом принципе используется метод защиты стального листа оцинкованием.

С увеличением расстояния от границы контакта анода с катодом сила коррозионного тока ослабевает вследствие роста омического сопротивления тонкого слоя электролита, находящегося на поверхности металла. Следовательно, для прекращения коррозии необходимо наносить на поверхность металлических конструкций покрытия, обладающие высокими

диэлектрическими свойствами, например перхлорвиниловые или из эпоксидных смол.

В местах соединений элементов строительных конструкций почти всегда остаются зазоры, щели и другие неплотности. Возможны два типа неплотных соединений: между элементами из одноименных металлов (сталь – сталь, сплав алюминия – сплав алюминия) и между элементами разноименных металлов. В первом случае возможно коррозионное разрушение по механизму чистой щелевой коррозии, во втором – по механизму щелевой, усиленной контактной.

Металл	Потенциал, В	Металл	Потенциал, В
Мg/Мg+	-2,363	Fе/Fе2+	-0,445
Al/Al3+	-1,663	Fе/Fе3+	-0,037
Сг/Сг2+	-0,913	Сu/Сu2+	+0,337
Zn\Zn2+	-0,761	Сu/Сu+	+0,521
Сг/Сг3+	-0,744

В местах соединения элементов строительных конструкций из однородных металлов (например, фальцевые соединения кровельных листов из стали, неплотности в креплении парапетной решетки к стальной кровле и др.) интенсивная коррозия объясняется тем, что доступ кислорода в щели затруднен, поэтому здесь образуются анодные участки. Поскольку их площадь значительно меньше площади открытых поверхностей металлических элементов, которые являются в данном случае катодами, коррозионное разрушение металла в щели протекает с большой скоростью.

В том случае, когда щель образуется при соединении разнородных металлов (болты из алюминиевых сплавов на стальных конструкциях, стальные решетки на латунных трубках бойлеров и др.), коррозия носит характер щелевой, усиленной контактной, вследствие образования гальванической пары между металлами, имеющими разные электродные потенциалы.

Не рекомендуется, например, крепить оцинкованные водосточные трубы с помощью медной проволоки. Медь и цинк, образуя гальваническую пару, в которой цинк как более электроотрицательный является анодом, коррозируют. Скорость коррозии усиливается за счет образования щели между оцинкованной трубой и медной проволокой.

Следует помнить, что все увлажненные участки металлических элементов, к которым ограничен доступ кислорода, разрушаются быстрее открытых, так как он являются анодами.

При осмотрах зданий необходимо в первую очередь обращать внимание на элементы, которые неодинаково аэрируются кислородом воздуха (металлические консольные балки балконов в местах заделки, закладные детали сборных железобетонных конструкций и др.). Наиболее надежным способом предохранения металла в не плотностях и зазорах от коррозии является их полная изоляция от электролита (влаги) путем уплотнения негигроскопичными материалами. В качестве таких материалов наиболее эффективны тиоколовые или силиконовые мастики. Можно также использовать стойкие лакокрасочные материалы (эпоксидные лаки, хлорсульфированные композиции полиэтилена и др.).

Коррозия подземных конструкций, которой подвержены в основном трубопроводы, а также некоторые закладные детали и арматура подземных железобетонных конструкций, связана с наличием в почвах и грунтах влаги с растворенными в них агрессивными веществами. Процесс коррозионного разрушения ме­таллических конструкций часто протекает в условиях недостаточной аэрации, что вызывает местные (язвенные) коррозионные разрушения. При этом участки конструкций, которые меньше снабжаются кислородом, становятся анодом и разрушаются. По этой причине наиболее часто коррозионные повреждения трубопроводов происходят под проезжей частью дорог, так как асфальтовое покрытие меньше проницаемо для кислорода, чем открытые грунты.

Агрессивные свойства грунта определяются его пористостью, влажностью, степенью аэрации, электропроводностью, а также наличием растворенных солей. В зависимости от этого грунты классифицируют на высоко- и средне коррозионные, а также инертные.

Пористые грунты способны сохранять влагу в течение длительного времени и хорошо проницаемы для кислорода и других газов, поэтому скорость коррозии во влажных пористых грунтах в начальный момент высокая. В дальнейшем продукты коррозии могут тормозить процесс коррозионного разрушения.

Влажность грунтов влияет на скорость коррозии двояко. Максимальная скорость коррозии подземных конструкций отмечается при влажности грунтов 15... 25%. При дальнейшем увеличении влажности поры грунта полностью насыщаются водой, что затрудняет доступ кислорода к металлу конструкции, и коррозионный процесс замедляется вследствие торможения катодного процесса.

Микроорганизмы могут воздействовать на катодные или анодные электрохимические процессы, придавать почвам агрессивные свойства, разрушать защитные покрытия металлоконструкций. Биокоррозия может протекать в аэробных (при доступе кислорода) или анаэробных (при отсутствии кислорода) условиях. Например, биокоррозия в присутствии серобактерий протекает в аэробных условиях. Серобактерии в процессе своей жизнедеятельности окисляют сероводород сначала в серу, а затем в серную кислоту по следующим реакциям:

2Н₂S + О₂ → 2Н₂O + S₂;

S₂ + 2Н₂O + 3O₂ → 2Н₂SO₄.

В анаэробных почвенных условиях микроорганизмы могут выделять сероводород, углекислоту, углеводороды и другие соединения, которые активизируют процесс коррозии подземных конструкций.

Среди методов защиты от подземной коррозии в первую очередь следует назвать применение защитных покрытий, устройство электрохимической защиты, обработку грунтовой и водной среды для снижения их коррозионной активности.

Для защиты от коррозии в атмосферных условиях на строительные конструкции наносят лакокрасочные покрытия.

Металлические конструкции, эксплуатируемые во влажной среде, а также подземные конструкции изолируют от воздействия агрессивной среды путем устройства битумной или полимерной изоляции.

Наиболее надежный способ защиты металлоконструкций от коррозии металлов – легирование, т.е. введение в металл легирующих элементов, придающих защищаемому металлу свойство пассивироваться. В качестве легирующих добавок применяют медь, хром, никель и др. Коррозионная стойкость углеродистых и низколегированных сталей значительно повышается при введении в сплав до 0,5 % меди благодаря образованию пленки с более высокими защитными свойствами. Но этот способ защиты требует больших затрат денежных средств и может осуществляться только при изготовлении металла. В условиях эксплуатации легировать, стальные конструкции невозможно.

В заводских условиях можно наносить защитные покрытия:

- нанесение оксидных пленок (оксидирование, или воронение) – создание на поверхности металлов пленки магнитного оксида железа (анодная поляризация);

- окисление поверхности конструкций (из алюминия и его сплавов) погружением в электролитную ванну, наполненную раствором хромового ангидрида или щавелевой кислоты и др.;

- нанесение фосфатных пленок путем обработки поверхности фосфатами марганца и железа.

Способ металлических покрытий предусматривает нанесение на поверхность защищаемой конструкции пленки другого металла. Различают катодное (покрытие металлом, более электроположительным по отношению к защищаемому) и анодное покрытия. Анодное покрытие более надежное. Пример анодного покрытия – оцинкованное железо, пример катодного покрытия – луженое железо (покрытие железа оловом). При катодном покрытии пленка защищает металл только механически, а при ее повреждении ускоряется коррозионное разрушение основного металла, который в данном случае является анодом.

В условиях эксплуатации анодное и катодное покрытия наносят методом металлизации – набрызгиванием на защищаемый элемент конструкции другого расплавленного металла. При таком методе не создаются достаточно плотные металлические пленки, поэтому их дополнительно покрывают лакокрасочными материалами. Наиболее часто так защищают закладные детали и другие ответственные элементы, контроль за состоянием которых в процессе эксплуатации затруднен или невозможен.

Процесс электрохимической коррозии может быть приостановлен путем устройства электрозащиты.

Если электрохимическая защита осуществляется электродами – протекторами, подключаемыми с помощью проводника к защищаемой конструкции и обладающими более отрицательным потенциалом, чем материал конструкции, то в паре с защищаемым металлом протектор является анодом, а защита называется протекторной. Протекторы изготовляют из магниевого сплава, цинка или алюминия в виде цилиндров или пластин. Протекторы соединяются с защищаемым сооружением изолированным проводом (рис. 64) через стальной сердечник, вмонтированный в протектор.

Если конструкция от коррозии защищается путем подачи на ее поверхность постоянного тока от источника постоянного тока, то такая защита называется катодной (рис. 65). К минусовой клемме источника тока подключается защищаемая конструкция, потенциал которой значительно сдвигается в положительную сторону и она становится катодом по отношению к аноду, который, разрушаясь, защищает подземную конструкцию. В качестве электрода {анода) используют старые металлические трубы, рельсы, которые по мере разрушения заменяют.

Особый вид электрокоррозии металлических конструкций вызывают блуждающие токи, которые в местах повышенных сопротивлений токоведущих элементов (в рельсовых путях трамваев, электропоездов, токоведущих шин гальванических цехов) стекают в грунт. Попав в грунт, а затем на металлические конструкции или арматуру железобетона, они вызывают их электрокоррозию (рис. 66).

Рельсы электрического транспорта или другие токопроводящие магистрали постоянного тока практически всегда имеют контакт с грунтом, который, несмотря на значительное электросопротивление, является как бы параллельно уложенным проводником. В этом случае часть тока переходит в грунт и, встретив подземные металлические конструкции, стекает на металл этих конструкций, если их изоляционное покрытие имеет меньшее электросопротивление, чем грунт. При прохождении блуждающего тока по подземной конструкции можно выделить три характерные зоны:

- катодную – участок попадания блуждающих токов на конструкцию (в коррозионном отношении безопасен);

- нейтральную – участок протекания блуждающего тока по конструкции как по проводнику;

- анодную – участок выхода блуждающих токов из металлоконструкции в грунт (металл интенсивно разрушается).

Как участок входа блуждающего тока на конструкцию, так и участок отекания его обратно в грунт, как правило, имеет недостаточную гидроизоляцию с малым сопротивлением электрическому току, поэтому обязательным условием надежной защиты подземных конструкций, в условиях городов является устройство весьма усиленной гидроизоляции.

В еличина силы блуждающих токов вблизи источника постоянного тока может достигать 200...300 А. Необходимо помнить, что ток силой 1А за год разрушает 9кг. железа, 11кг. цинка, 33кг. свинца, 3кг. алюминия. Поэтому при опасности коррозии, вызываемой блуждающими токами, наряду с устройством надежной гидроизоляции их дополнительно защищают путем устройства дренажных систем (рис. 67)