Защита строительного крепежа от коррозии

Последствия ошибок при выборе материала крепежа без учета его коррозионной стойкости могут быть различными: от некрасивых пятен на фасаде до катастрофических разрушений строительных конструкций. Так, частой ошибкой является применение анкерных болтов из оцинкованной углеродистой стали для наружных конструкций или конструкций, которые находятся в условиях повышенной влажности. Обычное цинковое покрытие — электролитическое — можно применять только в сухих внутренних помещениях или на очень короткий срок во влажных условиях. Даже известные марки нержавеющей стали 304 и 316, которые считаются идеальными для большинства видов коррозионных наружных условий, также имеет свои ограничения в некоторых экстремальных условиях.

1. Инструкция по защите крепежа от коррозии

Ниже представлены основные положения инструкции (Guidance Note) британской Ассоциации строительного крепежа (Construction Fixing Association), признанного европейского авторитета по строительному крепежу. Цель этой инструкции — сформулировать основные положения по:

условиям возникновения коррозии строительного крепежа;
степени коррозионной защиты, которую обеспечивают различные материалы и покрытия;
основным путям предотвращения коррозии крепежа.

2. Условия эксплуатации строительного крепежа

В таблице 1 представлены рекомендации для применения анкерных болтов из различных материалов в типичных условиях их работы для крепления деталей или кронштейнов, которые совместимы с ними с точки зрения контактной коррозии (см. 3.3).

Таблица 1 — Материалы и защитные покрытия анкерных болтов в различных атмосферных условиях

Самым важным выводом из таблицы 1 является то, что обычный, электролитически оцинкованный крепеж можно применять только в условиях сухих внутренних помещений или на очень короткий срок во влажных внутренних условиях (см. раздел 6).

3. Типы коррозии, характерные для крепежа

Для строительного крепежа характерны шесть типов коррозионных повреждений (термины — по действующему ГОСТ 5272-68):

атмосферная коррозия;
точечная коррозия (питтинг);
контактная коррозия (часто называется гальванической коррозией);
щелевая коррозия;
коррозия под напряжением (коррозионное растрескивание);
снижение коррозионной стойкости нержавеющих сталей под воздействием высоких температур.

Потенциальными факторами, которые оказывают влияние на коррозионную стойкость крепежа, являются:

тип металла;
влажность;
присутствие загрязняющих веществ;
температура;
напряжения;
особенности конструкции, например, узкие щели и стыки.

3.1. Атмосферная коррозия

3.1.1. Сущность атмосферной коррозии

Большинство металлов встречаются в природе в виде окислов. Поэтому их окисление, которое происходит в присутствии кислорода и воды — это просто естественная тенденция возврата к этому состоянию. Для железа и стали «ржавление» — это интенсивное явление, при котором происходит настолько значительное увеличение объема вещества, что оно может вызывать усилия, способные вызывать растрескивание бетона или кирпичной кладки.

Окисление алюминия происходит сразу же, как только он соприкасается с атмосферой с образованием плотного оксидного покрытия, который защищает его от дальнейшей коррозии.

Нержавеющая сталь обладает аналогичным защитным механизмом — на ее поверхности образуется пассивированное защитное покрытие на основе оксидов хрома.

Коррозия цинка, когда он соприкасается с атмосферой, происходит в виде образования карбоната цинка («белая ржавчина») со скоростью примерно в десять раз медленнее, чем образование обычной, «рыжей», ржавчины.

3.1.2. Меры по предотвращению атмосферной коррозии:

Крепеж из оцинкованной углеродистой стали может применяться в наружных строительных конструкциях только при ограничении требуемого срока службы и незначительной степени загрязнения окружающей среды.
Для большинства атмосферных условий при длительном сроке службы в сельских и городских регионах с низкой концентрацией хлоридов рекомендуется применять крепеж из нержавеющей стали марки А2.
Для городских районов с повышенным содержанием хлоридов, промышленных или прибрежных районов рекомендуется применять нержавеющую сталь марки А4 (см. таблицу 1).

3.2. Точечная коррозия

3.2.1. Сущность точечной коррозии

Точечная коррозия — это локальное разрушение пассивированного слоя на таких материалах как нержавеющая сталь и алюминий (алюминиевые сплавы). Этот тип коррозии проявляется в виде образования отдельных язвинок (ямок), которые при небольшой толщине изделия могут приводить к образованию сквозных отверстий. Точечная коррозия обычно начинается в результате химического загрязнения, например, морской водой и другими хлоридами.

3.2.2. Меры предотвращения точечной коррозии:

Обеспечивать достаточную толщину крепежных компонентов.
Избегать загрязнения поверхности посторонними коррозивными материалами, например, стальной стружкой.
Применять нержавеющую сталь марки А4 для загрязненных атмосферных условий (см. таблицу 1).
Для особо агрессивных условий эксплуатации «специальные» марки нержавеющей стали (см. 4.5.3).

3.3. Контактная коррозия

3.3.1. Сущность контактной коррозии

Иногда называется биметаллической коррозией.. Она случается, когда два различных металла находятся в электрическом контакте в присутствии электролита, например, дождевой воды.

Металл, который является менее «благородным» в гальваническом ряду, будет корродировать быстрее, чем это было бы, если бы он был изолирован от другого металла. Именно благодаря этому эффекту цинковое покрытие защищает сталь. Если поцарапать цинковое покрытие или удалить его на небольшой поверхности, то происходит следующее. Цинк, который является менее благородным, чем сталь, корродирует быстрее, тогда как коррозия стали замедляется и, таким образом, она оказывается защищенной от коррозии.

Когда цинковое покрытие удаляется с большой поверхности, то происходит обыкновенная атмосферная коррозия. Выбор соотношения площадей анода и катода — менее благородного и более благородного металлов — является одним из рычагов для снижения скорости коррозии. Если более благородный металл имеет относительно большую площадь, то менее благородный металл будет корродировать быстрее. Влияние на скорость коррозии крепежа, который находится в контакте с другими металлами, показано в таблице 2 для сельских и городских районов.

Относительная «благородность» крепежных материалов (от менее благородных к более благородным):

Цинк
Алюминий
Углеродистая сталь
Латунь
Нержавеющая сталь

Таблица 2 — Гальваническое влияние контакта на скорость коррозии крепежа в сельских и городских районах

3.3.2. Меры предотвращения контактной коррозии

Необходимо выбирать материал крепежа и скрепляемые материалы, которые или идентичны, или имеют рейтинг () в таблице 2. Если это невозможно, то необходимо или полностью исключить попадание воды в крепежное соединение или электрически изолировать материалы друг от друга с помощью неметаллических шайб или втулок или другим способом.

Например, при установке анкера из нержавеющей стали в условиях морской воды или другой агрессивной среды может возникнуть гальваническая коррозия в контакте нержавеющего анкера со стальной арматурой, которая находится в бетоне. В таком случае необходимо обеспечить между ними электрическую изоляцию. Этого легче всего достигнуть путем применения химического анкера, в котором такая изоляция получается сама собой. Однако в случае агрессивной окружающей среды необходимо убедится в коррозионной стойкости самого полимерного состава такого анкера.

3.4. Щелевая коррозия

3.4.1. Сущность щелевой коррозии

Щелевая коррозия возникает в растворах, содержащих хлориды, когда узкие щели или трещины ограничивают к металлу доступ кислорода, но позволяют доступ раствора. Этот вид коррозии может поражать даже нержавеющие стали, которые являются очень стойкими к общей атмосферной коррозии.

Щелями, которые вызывают этот вид коррозии, могут быть стыки между шайбами и гайками (или головками болтов) и материалом, которые они скрепляют.

Загрязнения, такие как остатки цементного раствора, песка или накопленная грязь могут способствовать к щелевой коррозии.

3.4.2. Предотвращение щелевой коррозии

Исключить загрязнение мест крепления цементным раствором, песком и другими строительными веществами.
Избегать образования застоя воды на элементах конструкции.
Наиболее стойкими материалами к щелевой коррозии являются специальные нержавеющие стали (см. 4.5.3).

3.5. Коррозия под напряжением

3.5.1. Сущность коррозии под напряжением

К этой проблеме приводит комбинация трех специфических условий:

напряжений, присутствия хлоридов и повышенной температуры. Стандартные аустенитные стали, такие как А2 и А4, которые находятся под воздействием нагрузок, особенно подвержены коррозии под напряжением в средах с присутствием хлоридов и температуре выше 60 ºС. Поэтому конструкции крыши плавательных бассейнов особенно склонны к такому виду коррозии. Напряжения могут вызываться, например, затяжкой болтов, а также быть остаточными от холодной обработки или термических циклов при сварке крепежных приспособлений. Результат коррозии под напряжением не виден невооруженным взглядом, так как имеет вид очень тонких трещин, которые могут приводить к катастрофическому разрушению.

3.5.2. Меры по предотвращению:

Стали А2 и А4 не рекомендуется применять в условиях, которые могут вызывать коррозию под напряжением. В таких случая применяют специальные нержавеющие стали (см. 4.5.3).

Традиционным советом для конструкций, подобных плавательным бассейнам, является применение крепежных элементов из углеродистой стали с защитным лакокрасочным покрытием. Это означает, однако, что потребуется периодический осмотр и ремонт этих лакокрасочных покрытий.

3.6. Нержавеющие стали под воздействием высокой температуры

Коррозионная стойкость сталей А2 и А4 может быть значительно снижена под воздействием высокой температуры, например, при неправильной шлифовке или при сварке.

Меры предотвращения:

Нержавеющие крепежные изделия нельзя сваривать.
Нельзя шлифовать нержавеющие детали, если они будут применяться в крепежных элементах.
Если шлифовка применяется для укорачивания шпилек, то нужно не допускать их контакта с другими нержавеющими деталями.

4. Материалы анкерных болтов и их коррозионная стойкость

4.1. Углеродистая сталь

Углеродистая сталь без коррозионной защиты быстро подвергается сильной коррозии при эксплуатации во влажных или нормальных атмосферных условиях. Поэтому крепеж из углеродистой стали применяют только с цинковым покрытием, гальваническим или горячего окунания.

4.2. Электролитически оцинкованная углеродистая сталь

Защита от атмосферной коррозии, которую обеспечивает цинковое покрытие, прямо пропорционально его толщине. В случае крепежа с электролитическим цинковым покрытием это составляет обычно всего лишь 5-10 микрометров. Поэтому такое цинковое покрытие может служить защитой только в сухих внутренних условиях.

На срок службы покрытия влияют факторы, которые способствуют удалению с поверхности детали карбонат цинка, образующийся при нормальной атмосферной коррозии. Таким положительным фактором является, например, регулярная мойка конструкции. Это значит, что все оценки срока службы цинкового покрытия являются очень приблизительными. Обычно в наружных городских условиях электролитическое цинковое покрытие исчезает менее чем за два года, а в морской воде — за считанные месяцы.

4.3. Хроматная пассивация

Это дополнительная обработка цинкового электролитического покрытия, которая делает его желтоватым, золотистым или голубоватым. Эта пассивация предназначена в основном для предотвращения коррозии цинка по отношению к химическим веществам, которые содержатся в упаковочных материалах. Она не дает значительной дополнительной защиты по отношению к атмосферной и другим видам коррозии.

4.4. Горячеоцинкованная углеродистая сталь

Как и для электролитически оцинкованной стали срок службы горячего цинкового покрытия определяется его толщиной. Толщина цинкового покрытия, которая применяется для крепежа, составляет от 45-60 микрометров. Поэтому можно ожидать защиту стали от коррозии около 10-12 лет в городских условиях и только около трех лет в морской воде. Необходимо помнить, что цинковый слой может повреждаться или удаляться на некоторых типах крепежа в ходе его установки, например, анкеры при забивании их в отверстие в бетонной стене. Если такие сомнения возникают, лучше применить анкеры из нержавеющей стали.

4.5. Нержавеющая сталь

Аустенитная нержавеющая сталь обязана своей коррозионной стойкости хрому, никелю и, в некоторых, марках, молибдену.

4.5.1. Марка А2 (303 и 304)

Содержит 17-19,5 % хрома и 8-10,5 % никеля. Пассивированный слой является стойким к атмосферной коррозии в незагрязненных сельских местностях, но может подвергаться язвенной и щелочной коррозии в агрессивных средах, таких как атмосфера промышленных и прибрежных районов. В загрязненной городской атмосфере может покрываться пятнами.

Традиционные (американские) обозначения, такие как AISI 303 и AISI 304 в Европе заменены новыми обозначениями, например, сталь 1.4301.

4.5.2. Марка А4 (316)

Содержит 16-18,5 % хрома, 10,5-14 % никеля, 2,5-3,0 % молибдена. Молибден повышает стойкость к точечной коррозии. Эта марка нержавеющей стали подходит для долгосрочного применения в «обычных» сильно агрессивных средах, таких как, промышленная прибрежная атмосфера и морская атмосфера, включая полное погружение в морскую воду (кроме «прибойной» зоны, см. 5.1). Нержавеющая сталь марки 316 имеет хорошее сопротивление к точечной и щелевой коррозии при нормальных температурах.

Нержавеющая сталь марки 316 в Европе имеет обозначения 1.4401, 1.4547 и 1.4436.

4.5.3. Специальные марки нержавеющей стали

Эти марки нержавеющей стали имеют повышенную стойкость к точечной и щелевой коррозии по сравнению с маркой А4. Они имеют более высокое содержание хрома и никеля, а главное — не меньше 6,0 % молибдена. Одна из этих марок, 1.4529, содержит 19,0-21,0 % хрома, 24,0-26,0 никеля и 6,0-7,0 % молибдена.

Крепеж из этой стали изготавливают в основном под заказ. Его применяют для работы в особо агрессивных условиях, включая среды с высоким содержанием хлоридов. Такие среды характерны для дымовых труб электростанций, оборудования для десульфуризации дымовых газов тепловых электростанций, а также для автомобильных тоннелей, где применяют противогололедные соли. С учетом конкретных условий эти марки нержавеющей стали могут применяться в конструкциях крыш плавательных бассейнов.

4.6. Коррозия химических анкеров

Химические анкеры также могут иметь проблемы с коррозией. Речь идет о стойкости химических составов, которые входят в эти анкеры, к конкретным коррозионным условиям. Обычно эти данные предоставляет изготовитель этих анкеров.

Большинство полимеров, которые применяют в химических анкерных болтах, являются стойкими к хлоридам, включая морскую воду и слабые растворы кислот. Они обычно имеют низкую стойкость к смазочным маслам, сильным кислотам, ацетону и чистящим растворам. Однако, эти полимеры обычно спрятаны внутри стены, а малая их часть на ее поверхности может оказывать только незначительное влияние на общую прочность установленного анкера.

5. Особые условия применения крепежа

Для большинства случаев применения строительного крепежа можно применять рекомендации, которые указаны в таблице 1. Однако, в случае особо агрессивных коррозионных условий, когда существует явный риск возникновения конкретных механизмов коррозии, например, щелевой коррозии или коррозии под напряжением, возникает необходимость в дополнительных мерах по защите от коррозии. Некоторые такие особые ситуации обсуждаются ниже.

5.1. Морская вода

Крепежные изделия, которые погружены в морскую воду, работают в особо агрессивных условиях. Для таких условий, особенно в зоне прибоя, необходимо применять специальные нержавеющие стали с повышенным легированием, в том числе, молибденом.

5.2. Дорожные тоннели

Сильное загрязнение атмосферы и применение солей против гололеда в дорожных тоннелях и на подходах к ним могут служить причиной интенсивной коррозии. Поэтому в этих условиях обычно применяют крепежные изделия из нержавеющей стали марки А4, а в особых случаях — специальные нержавеющие стали с повышенным легированием.

5.3. Промышленные дымовые трубы

Продукты сгорания являются очень коррозийными. Поэтому применение в таких случаях нержавеющей стали марки А4 — это необходимый минимум. В некоторых случаях, когда существует риск коррозии под напряжением, необходимо применять специальные нержавеющие стали с повышенным легированием.

5.4. Станции обработки сточных вод

В зависимости от уровня содержания хлоридов применяют нержавеющие стали марок А2 или А4.

6. Временные крепления

Когда крепежные изделия применяют снаружи для короткого (до 2 лет) или среднего срока (до 10 лет) срока службы необходимо предусмотреть, что с ними делать после окончания их срока службы. Если крепеж нельзя будет извлечь из конструкции, и он будет оставлен на своем месте или срезан заподлицо с поверхностью, то лучше избегать анкерных болтов из углеродистой стали, так они будут ржаветь с увеличением объема, что может привести к повреждению конструкции. В таких случаях нужно применять крепеж, который предназначен для длительного срока службы.

7. Мониторинг крепежа

В некоторых случаях, когда трудно обеспечить должную защиту от коррозии или когда объем коррозии трудно прогнозировать, необходимо конструктивно предусмотреть возможность периодического осмотра крепежных узлов конструкции во время планового технического обслуживания здания.

Источник: CFA Guidance Note: Fixing and Corrosion, Construction Fixing Association