Transfer inovácií 17/2010
2010
APLIKACE NÁTĚROVÝCH SYSTÉMŮ NA KONSTRUKCE Z PATINUJÍCÍCH OCELÍ Ing. Tomáš Laník VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, Katedra mechanické technologie 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba e-mail:
[email protected] doc. Ing. Jitka Podjuklová, CSc. VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, Katedra mechanické technologie 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba e-mail:
[email protected] Ing. Kateřina Kreislová, Ph.D. SVÚOM s.r.o., U Měšťanského pivovaru 934/4, 170 00 Praha 7 e-mail:
[email protected] Ing. Vratislav Bártek VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, Katedra mechanické technologie 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba e-mail:
[email protected] Ing. Kamila Hrabovská, Ph.D. VŠB-TU Ostrava, Institut fyziky 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba e-mail:
[email protected] Ing. Petr Šrubař VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, Katedra mechanické technologie 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba e-mail:
[email protected] Ing. Kateřina Suchánková VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, Katedra mechanické technologie 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba e-mail:
[email protected] Ing. Sylvie Kopaňáková VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, Katedra mechanické technologie 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba e-mail:
[email protected] Abstract Weathering steel is used not only for the building industries during the construction of bridges, but also in the architecture or in the art. Chemical composition of steel and conditions of atmospheric spawn, that on the surface of material make up stable oxide layer called patina. Patina layer of this steels governed by degradation effects of atmosphere corrosion slower in compared with carbon steel. One of the prominent properties
weathering steels is that dispense of surface treatment. In the wake of this happen to cost economic reduction and at the time to load environmental decrease. Influence of environmental can have an effect on creation of stabile layer of patina and reduce the protective functions of patina layer. One of the negative aspects is salt solutions, which coming into direct contact with surface material while winter road maintenance of roadway surfaces. In case that the surface patina is disturbed or come to large decrement material, this surface conserve is necessary. One of the appropriate options of protections surface material is the application of protective layers e.g. paint system. For experimental tests was used surface blasted and surface with created patina layer. On these surfaces were applied four types of paint systems. Were pursued and compared adhesion and corrosion resistance of paint systems on various surfaces. Key words: layer of oxide, weathering steel, paint system, bridge construction, corrosion resistance ÚVOD Patinující oceli se řadí do skupiny nízkolegovaných ocelí, kde obsah legujících prvků nepřesahuje hodnotu 2 %. Tyto oceli za vhodných atmosférických podmínek vytvářejí na povrchu stabilní oxidickou vrstvu tzv. patinu. Ochranná vrstva zpomaluje korozní proces, čímž se zvyšuje životnost konstrukce. Při vzniku ochranné patinující vrstvy musí v prostředí docházet k cyklickému střídání vlhkého a suchého povrchu exponovaného materiálu. Jestliže se materiály nachází v prostředí, kde není tento předpoklad splněn a povrch je trvale vlhký, proces vzniku patinující vrstvy neprobíhá. Pokud ovšem na konstrukci leží místy nános korozních produktů a nečistot, korozní rychlost procesu se zvyšuje a dochází k degradaci materiálu.
Obr. 1 Neodstraněné spady na mostní konstrukci [1]
85
Transfer inovácií 17/2010 V případě, že je mostní konstrukce nevhodně navržena nebo jsou části konstrukce odcizeny (např. svody povrchové vody) nebo do mostní konstrukce zatéká povrchová voda, nedochází k vytváření stabilní vrstvy patiny. V zimních měsících povrchová voda obsahuje chloridy z chemických rozmrazovacích látek. Chloridy můžeme považovat za nejhorší znečišťovatele mostních konstrukcí. Škody vzniklé napadením materiálů mohou být značně vysoké.
2010 se vyžaduje vyšší odolnost proti povětrnostním vlivům (atmosférické korozi), i když mají horší zpracovatelské vlastnosti. Materiály s obchodním označení Cor-ten B je možné použít na mostní konstrukce a fasády budov. Vyznačují se bezproblémovým zpracováním podobně jako běžné konstrukční oceli. V povrchu vzorků Cor-ten A, Cor-ten B se nacházely zatryskané zrna otryskávacího média. Částice se na povrchu vzorku vyskytovaly zřídka, přesto mohou mít negativní vliv na přilnavost aplikovaných nátěrových systémů. Následující snímky jednotlivých povrchů byly pořízeny na přístroji Phillips XL30 Series v Laboratoři elektronové mikroskopie Centra Nanotechnologií, VŠB-TU Ostrava.
Obr. 2 Zatékání povrchové vody do mostní konstrukce [2] Před aplikací nátěrových systémů je nutné z povrchu odstranit zbytky solících roztoků a nepřilnuté oxidické vrstvy. 1. METODY EXPERIMENTÁLNÍCH PRÁCÍ a) Stanovení tloušťky mokrého a suchého nátěrového filmu dle ČSN EN ISO 2808 pomocí elektromagnetického tloušťkoměru typu ELCOMETR 456. b) Korozní zkouška v umělé atmosféře – zkouška solnou mlhou dle ČSN EN ISO 9227. c) Hodnocení stupně puchýřkování dle ČSN EN ISO 4628-2. d) Hodnocení stupně prorezavění dle ČSN EN ISO 4628-3. e) Mřížková zkouška přilnavosti dle ČSN EN ISO 16276-2. dle f) Odtrhová zkouška přilnavosti ČSN EN ISO 16276-1. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁLY Jako experimentální materiály byly použity vzorky typu Atmofix a Cor-ten. Na vzorcích typu Atmofix byla vytvořena stabilní vrstva patiny. Tyto vzorky byly získány z opláštění obchodního domu v Liberci. Materiál typu Atmofix zde exponoval 24 let. Před aplikací nátěrových systémů byl povrch okartáčován na stupeň přípravy povrchu St 2 dle ISO 8501. Materiály s obchodním označení Cor-ten (typ A a B) byly otrýskány korundem na čistotu povrchu Sa 2 1/2 dle ISO 8501. Cor-ten A se vyznačuje lepší odolností proti povětrnostním podmínkám. Tyto oceli je vhodné použít tam, kde 86
Obr. 3 SEM snímek - povrch vzorku typu Atmofix 24 let exponovaný, zvětšení 120x
Obr. 4 SEM snímek - povrch vzorku typu Cor-ten A, zvětšení 350x
Obr. 5 SEM snímek - povrch vzorku typu Cor-ten B, zvětšení 350x
Transfer inovácií 17/2010
2010 stupně prorezavění dle ČSN EN ISO 4628-3. Hodnocení je uvedeno v tab. 1 pro konečný cyklus 720 h. tab. 1 Hodnocení nátěrových systémů po 720 hodinách v korozní komoře A – Amercoat 450 S, B – Amershield, C – Amerlock 400 Al, D – Amerlock 400 Color
APLIKACE NÁTĚROVÝCH SYSTÉMŮ Nátěrové systémy byly aplikovány na vzorky o rozměru 100 x 150 x 3 mm oboustranně štětcem vždy ve dvou vrstvách. Pro základní i krycí vrstvu byl použit vždy stejný typ nátěrového systému. Tloušťka mokré vrstvy nátěrových systémů byla zvolena dle technického listu, který byl dodán společně s nátěrovými systémy. Pro zkoušky byly zvoleny čtyři typy nátěrových systémů. Jednalo se o nátěry, které se běžně používají v průmyslové praxi a z již dříve provedených zkoušek vykazovaly dobré výsledky.
Použité nátěrové systémy: a) Amercoat 450 S - Alifatický polyuretan (celková tloušťka dvou suchých vrstev nátěrového systému – 100 µm ) b) Amershield - Alifatický polyuretan (celková tloušťka dvou suchých vrstev nátěrového systému – 250 µm ) c) Amerlock 400 Al - Epoxidová nátěrová hmota s vysokým obsahem pevných látek (celková tloušťka dvou suchých vrstev nátěrového systému – 200 µm ) d) Amerlock 400 Color - Epoxidová nátěrová hmota s vysokým obsahem pevných látek (celková tloušťka dvou suchých vrstev nátěrového systému – 200 µm ) 4.
EXPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY
4.1 KOROZNÍ ZKOUŠKA V UMĚLÉ ATMOSFÉŘE – ZKOUŠKA SOLNOU MLHOU DLE ČSN EN ISO 9227 Pro korozní zkoušku v umělé atmosféře byl použit chlorid sodný. Vzorky bez poškození nátěrového systému byly umístěny do stojanů s rozestupy, aby se zajistilo dostatečné proudění solné mlhy. V průběhu korozní zkoušky byla provedena fotodokumentace. Interval hodnocení a fotodokumentace nátěrových systémů byl zvolen 0 h, 24 h, 48 h, 96 h, 168 h, 240 h, 480 h a 720 h. Na vzorcích s aplikovanými nátěrovými systémy bylo provedeno hodnocení stupně puchýřkování dle ČSN EN ISO 4628-2 a hodnocení
Cor-ten B
3.
Atmofix 24 let exponovaný
Obr. 6 SEM snímek - sekundární znečištění povrchu otryskávacím médiem, zvětšení 800x
Cor-ten A
Podklad
Nátěrový Stupeň systém puchářkování
Stupeň prorezavění
A
2 (S4)
Ri 1 (S1)
B
0 (S0)
Ri 0 (S0)
C
0 (S0)
Ri 0 (S0)
D
0 (S0)
Ri 0 (S0)
A
3 (S4)
Ri 1 (S1)
B
0 (S0)
Ri 0 (S0)
C
0 (S0)
Ri 0 (S0)
D
0 (S0)
Ri 0 (S0)
A
4 (S2)
Ri 1 (S1)
B
5 (S2)
Ri 0 (S0)
C
3 (S2)
Ri 0 (S0)
D
3 (S2)
Ri 0 (S0)
Z tab. 1 je patrné, že nejlepších výsledků bylo dosaženo na podkladových materiálech Cor-ten A a Cor-ten B u nátěrových systémů Amershield, Amerlock 400 Al a Amerlock 400 Color. U těchto nátěrových systémů nebylo vizuálně patrné žádné poškození povlaku po 720 hodinách expozice v korozní komoře. K prvnímu viditelnému poškození nátěrového systému Amercoat 450 S došlo po 120 hodinách expozice v korozní komoře na podkladovém materiálu typu Cor-ten B a po 168 hodinách expozice v korozní komoře na podkladovém materiálu typu Cor-ten A. Na podkladových materiálech typu Atmofix 24 let exponovaný se na povrchu všech aplikovaných nátěrových systémů objevily puchýře. U nátěrového systému Amercoat 450 S došlo zároveň po 480 hodinách expozice v korozní komoře k prorezavění. Rez pronikala na povrch a bylo viditelné podkorodování. První puchýře se oběvovaly po 48 hodinách expozice v korozní komoře na vzorcích s aplikovaným nátěrovým systémem Amercoat 450 S. U nátěrového systému Amershield se první puchýře objevily po 120 hodinách expozice v korozní komoře. U nátěrových systémů Amerlock 400 Al a Amerlock 400 Color došlo k prvnímu vzniku puchýřků po 504 hodinách expozice v korozní komoře.
87
Transfer inovácií 17/2010 4.2 MŘÍŽKOVÁ ZKOUŠKA DLE ČSN EN ISO 16276-2 Mřížková zkouška byla provedena na referenčních vzorcích a vzorcích vložených do korozní komory. Interval prováděných zkoušek byl zvolen 0h, 120h, 480h a 720h. Vzdálenost řezů byla zvolena dle tloušťky povlaku. U nátěrových systému Amershield, Amerlock 400 Al a Amerlock 400 Color byl rozestup mezi řezy zvolen 3 mm a u nátěrového systému Amercoat 450 S byl zvolen 2 mm.
Graf 1 Průměrné hodnoty klasifikace mřížkové zkoušky nátěrového systému Amercoat 450 S
Graf 2 Průměrné hodnoty klasifikace mřížkové zkoušky nátěrového systému Amershield
Graf 3 Průměrné hodnoty klasifikace mřížkové zkoušky nátěrového systému Amerlock 400 Al
88
2010
Graf 4 Průměrné hodnoty klasifikace mřížkové zkoušky nátěrového systému Amerlock 400 Color Výsledky mřížkové zkoušky provedené na nátěrových systémech aplikovaných na podkladový materiál typu Atmofix 24 let exponovaný, poukázaly na velmi nízkou odolnost nátěrových systémů vůči provedeným řezům řezným nástrojem s jedním ostřím až na podkladový kov. Nátěrové systémy se podél řezů odlupovaly nebo se některé čtverce odlouply zcela. V průměru bylo porušení plochy v rozmezí 35 % až 65 % i více. To odpovídá klasifikačnímu stupni 4 a 5 mřížkové zkoušky dle ČSN EN ISO 16276 – 2. Nejlepších výsledků bylo dosaženo u nátěrového systému Amershield aplikovaného na podkladový materiál typu Cor-ten B, kde se v průměru nátěrový systém odlupoval v místech křížení řezů. Poškozená plocha byla menší než 5%. 4.3 ODTRHOVÁ ZKOUŠKA DLE ČSN EN ISO 16276-1 Odtrhová zkouška byla provedena na referenčních vzorcích a vzorcích vložených do korozní komory. Interval prováděných zkoušek byl zvolen 0h, 120h, 480h a 720h. Výsledky odtrhové zkoušky jsou uvedeny v grafu 5 – 8.
Graf 5 Průměrné hodnoty odtrhové pevnosti nátěrového systému Amercoat 450 S
Transfer inovácií 17/2010
2010 k adheznímu poškození mezi podkladem a první vrstvou nátěrového systému. 5.
Graf 6 Průměrné hodnoty odtrhové pevnosti nátěrového systému Amershield
Graf 7 Průměrné hodnoty odtrhové pevnosti nátěrového systému Amerlock 400 Al
Graf 8 Průměrné hodnoty odtrhové pevnosti nátěrového systému Amerlock 400 Color Nejnižších průměrných hodnot odtrhové pevnosti bylo dosaženo u všech nátěrových systémů aplikovaných na podkladový materiál typu Atmofix 24 let exponovaný. Průměrná hodnota odtrhové pevnosti se pohybovala mezi 1 MPa až 4 MPa, což poukazuje na velmi nízkou přilnavost. Převážně se jednalo o kohezní poškození podkladu. Průměrné hodnoty odtrhové pevnosti nátěrových systémů aplikovaných na podkladové materiály typu Cor-ten A a Cor-ten B se pohybovaly nad hodnotou 6 MPa, což poukazuje na velmi dobrou přilnavost. Z větší části docházelo ke koheznímu poškození druhé vrstvy nátěrového systému. Tento výsledek můžeme hodnotit kladně, protože i po poškození druhé vrstvy nátěrového systému může podkladový materiál chránit první vrstva nátěrového systému. Pouze u nátěrového systému Amershield docházelo převážně
ZÁVĚR Budeme-li předpokládat, že 720 hodin expozice v korozní komoře odpovídá korozní odolnosti cca 10-ti letům v prostředí o korozní agresivitě C5, bude nejvhodnějším nátěrovým systémem Amershield aplikovaný na podkladový materiál typu Cor-ten B. Tento nátěrový systém po 720 hodinách v korozní komoře nevykazoval žádné změny povlaků. Nevyskytly se na povlaku puchýře, ani nedošlo k prorezavění. Při mřížkové zkoušce byla v průměru poškozená plocha menší než 5%. Z provedené odtrhové zkoušky bylo zjištěno, že nátěrový systém má průměrnou odtrhovou pevnost 7MPa, což se hodnotí jako velmi dobrá přilnavost k podkladu. Bohužel docházelo k adheznímu lomu mezi podkladem a první vrstvou nátěrového systému. Z tohoto můžeme usuzovat, že tento nátěrový systém je méně vhodný pro aplikaci na konstrukce, které jsou namáhané na tah. V tomto případě je vhodnější použít nátěrový systém Amerlock 400 Al. Tento nátěrový systém vydržel v korozní komoře bez poškození povlaku 720 hodin expozice. Mřížková zkouška vykazovala v průměru poškození plochy 15 % až 35 % a při odtahové zkoušce byla průměrná hodnota odtrhové pevnosti 5 MPa. V průměru docházelo k adheznímu lomu mezi první a druhou vrstvou nátěrového systému. V tomto případě může ochrannou funkci ještě plnit první vrstva nátěrového systému. Výsledky aplikovaných nátěrových systémů na podkladové materiály typu Atmofix 24 let exponovaný nevyšly pozitivně. Z těchto výsledků můžeme usuzovat, že povrch před aplikací je vhodné nejprve otrýskat a poté aplikovat nátěrový systém. Samotné kartáčování povrchu se projevilo jako nedostačující. Příspěvek byl zpracován za podpory projektu MPO FT-TA5/076. Literatura [1] KREISLOVÁ, K.; KNOTKOVA, D.; LOMOZOVÁ, A. II Korozní chování patinujících ocelí. Výzkum vlastností stávajících a nově vyvíjených patinujících ocelí z hlediska jejich využití pro ocelové konstrukce. Zpráva FT-TA5/076-2008. [2] POŠVÁŘOVÁ, M. Mýty a realita chování patinující oceli při jejím použití na mostních konstrukcích v České republice. SILNICE ŽELEZNICE, květen, roč. 3, č. 2. ISSN 1803-8441 [3] PODJUKLOVÁ, J.; LANÍK, T.; PELIKÁNOVÁ, K.; DOBROVODSKÁ, L.; BÁRTEK, V. Korozní charakteristiky ocelí odvozené ze zkoušek a z hodnocení typických konstrukcí. Výzkum vlastností 89
Transfer inovácií 17/2010
[4]
[5]
[6]
90
stávajících a nově vyvíjených patinujících ocelí z hlediska jejich využití pro ocelové konstrukce. Zpráva E6-5 FT-TA5/076-2009. LANÍK, T. Vliv efektivity použití ochranných povlaků na životnost samo pasivujících materiálů pro mostní konstrukce. Ostrava, 2010. 62s. Teze doktorské disertační práce na strojní fakultě VŠB – TUO na katedře mechanické technologie. Vedoucí doktorských tezí doc. Ing. Jitka Podjuklová, Csc. ČSN EN ISO 8501-1. Příprava ocelových povrchů před nanesením nátěrových hmot a obdobných výrobků - Vizuální vyhodnocení čistoty povrchu - Část 1: Stupně zarezavění a stupně přípravy ocelového podkladu bez povlaku a ocelového podkladu po úplném odstranění předchozích povlaků. Praha: Český normalizační institut, 2007. ČSN EN ISO 4628-2 Nátěrové hmoty – Hodnocení degradace nátěrů – Klasifikace množství a velikosti defektů a intenzity jednotných změn vzhledu – Část 2:
2010
[7]
[8]
[9]
.
Hodnocení stupně puchýřkování. Praha: Český normalizační institut, 2004. ČSN EN ISO 4628-3 Nátěrové hmoty – Hodnocení degradace nátěrů – Klasifikace množství a velikosti defektů a intenzity jednotných změn vzhledu – Část 3: Hodnocení stupně prorezavění. Praha: Český normalizační institut, 2004. ČSN EN ISO 16276-2. Ochrana ocelových konstrukcí proti korozi ochrannými nátěrovými systémy - Hodnocení a kritéria přijetí, adheze/koheze (odtrhová pevnost) povlaku - Část 2: Mřížková zkouška a křížový řez. Praha: Český normalizační institut, 2008. ČSN EN ISO 16276-1. Ochrana ocelových konstrukcí proti korozi ochrannými nátěrovými systémy - Hodnocení a kritéria přijetí, adheze/koheze (odtrhová pevnost) povlaku - Část 1: Odtrhová zkouška. Praha: Český normalizační institut, 2007
