Несмотря на активные разработки новых материалов с хорошими эксплуатационными свойствами, долговечностью и доступной ценой, сталь в виде сортового, листового и трубного проката продолжает сохранять доминирующее положение на рынке строительных материалов. Причем, как в ближайшей, так и долгосрочной перспективе объемы потребления стали в строительной отрасли и народном хозяйстве в целом будут только возрастать, а использование альтернативных материалов по-прежнему оставаться локальным, не влияющим сколь значимо на общую конъюнктуру потребительского рынка.

В то же время сводные данные статистики по металлургической отрасли разных государств мира показывают, что мировая экономика ежегодно из-за естественных коррозионных процессов теряет более пятой части всего объема произведенной за этот период конструкционной углеродистой и легированной стали. И в этой связи вопросы защиты стальных изделий от коррозии рассматриваются, как приоритетные во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и строительстве.

В строительной отрасли все негативные последствия коррозионных процессов стальных изделий и конструкций можно условно разделить на: пассивные, приводящие к необходимости дополнительных вложений на реновацию и потерям из-за нарушения функциональности и/или выхода из строя отдельных элементов систем и конструкций (трубопроводы инженерных систем, строительные конструкции, кровельные стальные покрытия и т.д.): активные, способные привести к нарушению целостности зданий/сооружений, обрушениям и человеческим жертвам (предварительно напряженные и ненапрягаемые железобетонные изделия и конструкционные армированные изделия из легких и ячеистых бетонов, закладные в связках конструкционных элементов в панельном домостроении и т.д.).

Теоретические аспекты коррозии стали

Рассматривая коррозионные процессы в стальных изделиях в их совокупности можно прийти к выводу, что определяющей в эксплуатационный период является не газовая коррозия, для интенсивного протекания которой необходимы высокая температура и повышенное давление, а различные виды «мокрой» коррозии, идущие по электролитическому механизму (сплошная, щелевая, питтинговая, межкристаллитная и т.д.). Причем для появления гальванической пары вовсе не обязательно иметь контакт двух металлов с разными электрохимическими потенциалами.

В стали микропары анод-катод образуются на границах раздела между перлитными, ферритными, цементитными зернами, включениями легирующих, сернистых, фосфористых элементов и т.д. В случае напряженного металла места концентрации напряжений на микро и макро дефектах структуры имеют более низкий электрохимический потенциал, интенсивно растворяются, что вызывает образование микротрещин, язв, причем зона метала возле вершины микротрещин насыщается диффузионным водородом, что существенно снижает прочность и может вызвать разрушение.

Отчасти решает проблему электрохимической коррозии метод катодной защиты, впервые описанный англичанином Гемфри Дэви в 1824 году. Сталь покрывается металлом, имеющим более низкий электрохимический потенциал, благодаря чему коррозирует именно покрытие, а продукты его окисления выполняют роль барьера, препятствуя проникновению влаги на поверхность и в структуру стали. По возрастанию электрохимического потенциала наиболее часто используемые сегодня металлы и сплавы расположены в ряду Магний-Цинк-Алюминий-Кадмий-Сталь-Чугун-Свинец-Олово-Никель-Медь-Латунь-Бронза-Медно-никелевые сплавы-Монель-Серебро.

Из этого ряда видно, что для защиты стали и чугунов можно использовать покрытия на основе магния, цинка, алюминия, и кадмия, однако оптимальным по ценовой доступности и относительной технической простоте нанесения остается цинк. И сегодня цинковая проволока, мелкофракционный цинковый порошок (цинковая пыль), используемые в различных способах формирования покрытий потребляются в объемах более 3,5 млн. тонн в год.

Технологии нанесения цинковых покрытий

Сегодня выделяют пять основных способов нанесения цинковых покрытий на поверхность стальных изделий:

• нанесение протекторных покрытий от 10 до 60 мкм цинконаполненными красками;
• горячее оцинкование погружением в ванны с расплавами цинка с получением слоя 50-100 мкм толщиной;
• гальванопластика с нанесением поверхностного слоя от 5 до 15 мкм;
• газотермическое напыление с покрытием от 80 до 150 мкм;
• термодиффузионное оцинкование.

Здесь следует отметить, что гальванопластика используется преимущественно для декоративно-защитных покрытий мелких деталей и в строительстве практически не нашла применения из-за малых толщин покрытия, его пористости и дороговизны процесса, а холодное оцинкование протекторными красками с содержанием цинка более 90% применяется в качествен дополнительной обработки сварных соединений и закладных непосредственно на строительных объектах. Причем качество защиты поверхности металла во многом определяется числом слоев покрытия, направлением нанесения, качеством предварительной обработки поверхности. Покрытие нуждается в регулярном (5-7 лет) обновлении и его долговечность не превышает 25-30 лет.

Использование способов оцинкования в строительстве

В большинстве случаев трубопрокат и листовой прокат, в том числе профилированный для кровельных покрытий обрабатывается способом непрерывного горячего оцинкования. Аналогично наносится защитное цинковое покрытие на стальную проволоку, готовые стальные сетки, элементы крупногабаритных строительных конструкций. Технология горячего оцинкования позволяет наносить покрытия в потоке металлопроката, является высокопроизводительной, сравнительно недорогой и наиболее используемой сегодня в промышленности. Однако слой наносимого цинка остается пористым, неустойчивым к механическим повреждениям и образует на поверхности наплывы, не всегда допустимые по технологии. Кроме того, поверхность стальных изделий для горячего оцинкования очищают, протравливают, обезжиривают и т.д., что не только удорожает процесс, но и требует габаритного вспомогательного оборудования и значительных трудозатрат.

К перспективным для строительства относится способ газотермического (или электротермического) напыления. Цинковая проволока или цинковый порошок переводятся в газообразное состояние нагревом электрической дугой или пламенем газовой горелки и распыляются на поверхности принудительным воздушным потоком. Установки для напыления мобильны и используются непосредственно на строительных объектах для оцинкования закладных в строительных панелях, мест сварки трубопроводов, металлоконструкций и т.д. К недостаткам способа относят необходимость нанесения многослойных покрытий, подготовку поверхности под напыление, вредность работ, пористость получаемого покрытия и малую устойчивость к внешним и внутренним механическим воздействиям.

Термодиффузионное оцинкование решает проблемы не только поверхностной, но и внутрикристаллической коррозии и сегодня рассматривается, как наиболее эффективный способ защиты арматуры и закладных в панелях и перекрытиях из железобетона, легких и ячеистых бетонов (СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии), а также труб горячего и холодного водоснабжения и отопления в инженерных системах. Термодиффузионное оцинкование регламентировано ГОСТ Р 9.316 и выполняют его в специальных камерах, где мелкофракционный цинковый порошок использукется для формирования диффузионной смеси, при температурах 400-470oС проникающей в структуру стали на треть от толщины покрытия. Коррозионная устойчивость такого покрытия в 5 раз выше, чем у гальванопластикового и в 2 раза – чем у покрытия, полученного способом горячего оцинкования.

Согласно СНиП 2.03.11-85 (заменяет действующий ранее СН 206—62 «Временные Указания по антикоррозийной защите стальных закладных деталей и сварных соединений в крупнопанельных зданиях») термодиффузионному покрытию с высокой плотности нужно подвергать закладные детали в конструкционных элементах зданий из тяжелых, легких и ячеистых бетонов, а все сварные швы обрабатывать способом газотермического напыления непосредственно на строительных объектах, усиливая защиту нанесением протекторных слоев цинконаполненными красками.