NINCS TÖBB KORRÓZIÓ a galvanikus anódokkal

A korrózió által okozott károsodás mértékének növekedése új távlatokat nyitott meg a vasbeton szerkezetek tartósságának és stabilitásnak fejlesztését illetően, főként a nagymértékben agresszív környezet estén.

Különféle jelenségek járulnak hozzá a korrózió kialakulásához a betonban lévő acélbetétekben. Ebben a cikkben a korrózió leggyakoribb okaival foglalkozunk, különös figyelmet fordítva a karbonátosodásra és a kloridokra.

Lúgos jellege miatt a beton védelmező környezetet alkot az acél körül, viszont ez a környezet nem tart örökké. A vizsgálatok kimutatták, hogy a korrózió miatti károsodás akkor következik be, amikor kritikus mennyiségű agresszív anyagok hatolnak át a beton pórusai között, megtámadják és tönkreteszik az acél körül lévő passziváló védőréteget, és így kiteszik a betonacélt a korróziós folyamatnak.

A roncsoló anyagoknak két fő típusa van, amelyek ezt a jelenséget okozhatják:

Karbonátosodás: a környező levegőben lévő szén-dioxid és nedvesség behatol a beton pórusaiba és a pH szintet közel semleges értékre csökkenti. Ilyen körülmények között a betonacél korrodálódhat;
Kloridok: a betonba való behatolás által ez a típusú roncsoló anyag áttörhet a védőrétegen, és helyi korróziót (lyukkorrózió) okozhat, akár lúgos körülmények között is, amely még a betonacél tönkremenetelét is okozhatja.

Az ilyen jelenségek által okozott korrózió a betonacélon vas-oxidot képez (Fe₂O₃). Mivel a vas-oxid (rozsda) sokkal terjedelmesebb, mint a tömör acél (5-6-szor), akár kismértékű fém veszteség (pl. ~0,1 mm) a betonacél felületén már elegendő korróziót képes okozni ahhoz, hogy belső feszültség alakuljon ki, amely a beton repedését és sérülését idézi elő (1. ábra).

A kloridkorrózió helyi és sokkal nagyobb mértékű károsító hatással bír, és kétség kívül a legagresszívabb és legveszélyesebb típus a vasbetonelem szerkezeti stabilitásának szempontjából.

Az amerikai Közlekedési Minisztérium egyik ügynöksége, a Federal Highways Administration (Szövetségi Autópálya Igazgatóság).

egy jelentése szerint a katódos védelem (CP) bizonyul a leghatékonyabb technikának a kloridok által szennyezett vasbeton szerkezetek helyreállítására, valamint a korrózió megállítására, azok szintjétől függetlenül [1]. A katódos védelem alkalmazásával a korróziós feszültség egy immun területre kerül továbbításra, és a korróziós folyamat megszűnik. A katódos védelem alkalmazásához a betonnak csak a sérült részét kell eltávolítani, és nem mindig szükséges kivenni a szilárd, szennyezett részt. A katódos védelem vasbeton szerkezetre történő alkalmazása átalakítja a megerősítés körül lévő környezetet és számos további pozitív hatással bír. A katódos védelemmel ellátott beton belsejében az áramot az ionok szállítják, koncentrációjuk és mobilitásuk arányában. A pozitív ionok az árammal egy irányban mozognak, azaz az anódtól a katód felé, míg a negatív ionok az ellentétes irányban mozognak. Ezalatt a kloridok által szennyezett betonon átáramló áram arra készteti a kloridokat (Cl-), hogy a katód (-) körüli területről az anód (+) körüli terültre vándoroljanak. Ilyen esetekben a folyó áram határozza meg a betonacél felületén lévő klorid tartalom csökkenését, ezt nevezzük klórmentesítésnek (2a ábra).

A betonacélok felületén lévő oxigént és vizet is elnyeli és hidroxil ionokat alkot (2OH-) az alábbi egyenletnek megfelelően:

H₂ +¹/₂ O₂ + e  2OH

A hidroxil ionok visszaállítják a fém felületének lúgosságát kb. 12-es pH szintre, ezt nevezzük újralúgosító hatásnak (2b ábra), továbbá a megerősítés újrapassziválását idézik elő.

Az agresszív környezetben lévő új szerkezeteket CP-rendszerrel lehet ellátni, melyet az élettartamuk megkezdésekor kell alkalmazni. Az ilyen típusú védelmet nevezzük „katódos védelemnek”, és egyaránt lehet használni új vagy már meglévő szerkezeteken, amelyekben a korróziós folyamat még nem kezdődött el, de valószínűleg be fog következni a káros anyagok hónapok és évek során történő folyamatos behatolása miatt. Ilyen esetekben a katódos védelmet nagyon egyszerűen lehet alkalmazni folyamatos gyengeárammal, amely elegendő a szerkezet megóvásához és hosszú távú védelmet biztosít. Ez költséghatékony is, ha figyelembe vesszük, hogy alacsony áramszint is elegendő a már passzivált betonacélhoz.

Kétféle katódos védelem létezik: külső áramforrással működő (ICCP) vagy galvanikus védelem (SACP). A megfelelő tervezés, telepítés és üzembe helyezés esetén mindkét rendszer bizonyítottan képes megfékezni vagy csökkenteni a korróziót a szükséges védelmi szint biztosításával. A fő különbség a két rendszer között, hogy a külső áramforrással működő típushoz (ICCP) egy tápegység és egy villamos energiaforrás szükséges, hogy működtessük. Emellett a galvanikus rendszer (SACP) azon az elven alapul, hogy két különböző fémet kapcsolnak össze ugyanabban a környezetben, amely az akkumulátorhoz hasonlóan így villamos energiát termel.

Az SACP egyik fő előnye, hogy a telepítést követően minimális karbantartást igényel. Mivel nincs szükség hozzá áramforrásra, a rendszert nem érintik az áramszünetek vagy a tápegység váratlan meghibásodása. Ezenkívül a galvanikus rendszer viszonylag alacsony feszültségű természetes forrású áramot használ (a természetes feszültségbeli különbség a fogyó anód és a védendő acél között), amely megakadályozza az olyan problémák lehetőségét, amelyek hidrogénridegség és a feszített acél feszültségkorróziója miatt fordulnak elő. Ezek azonban előfordulhatnak az ICCP-rendszerekkel történő magas fokú védelem esetén. Az SACP-rendszerek fő előnyei tehát az egyszerű kialakítás és minimális karbantartási igénye. Az SACP-rendszerben az áram önszabályozó a betonacél korróziójának mértékhez megfelelően; ez azt jelenti, hogy a rendszer aszerint és akkor működik, amikor szükséges, erőltetés és túlterhelés nélkül [3].

Az SACP-rendszernek korlátjai is vannak. A fő üzemi korlát, hogy a galvanikus rendszereknek saját fix, természetes feszültsége van, és ennek eredményeként a nagymértékben megerősített elemekben lehet, hogy nem mindig elegendő a generált áram az acél polarizálásának biztosítására. Ilyen esetekben hatékony megoldás lehet a fogyó anódok számának növelése és alacsony ellenállóképességű habarcs használata. Az SACP-rendszerben az anódok élettartamát több tényező határozza meg és ezek idővel változhatnak is. Az anódot felemésztő anódos feszültség
és az idő múlásával a tömegveszteségben kifejezett korrózió mértékét Faraday első törvényének alkalmazásával kapjuk meg. A hatékonysági és használati tényezőket is tartalmazó anódos anyag tömegét ennek a törvénynek az alkalmazásával lehet kiszámolni az alábbi egyenlet szerint:

W = (ARC * CR * L) / (E * U)

Ahol:

ARC a szükséges átlag áram (jellemzően 2 és 20 mA/m² között a régebbi szerkezet esetében és 0,2 és 2 mA/m² között az újabb szerkezetek esetében az ISO 12696:2012 „Betonban lévő acél katódos védelme” c. szabvány szerint)
CR az anód fogyasztási mértéke;
L a tervezési élettartam;
E a használt fém hatékonysága;
U a használt anód használati tényezője.

Például, ha egy cink anódot veszünk figyelembe, amely állandó 1 mA feszültséget generál egy évig, az anódos anyag fogyasztási mértéke 12-14 g körül van.

A „Betonban lévő acél katódos védelme” c. szabványban foglaltak [4,5] figyelembe vételével egy szerkezetre alkalmazott CP-rendszer teljesítményének megállapítására a leginkább elfogadott kritérium a depolarizáció mérése az „Azonnali lekapcsolás” feszültségtől kezdve. Gyakorlati szempontból az anódokkal felszerelt betonacél feszültségét meg kell mérni (polarizáció), melyet követően az anódokat le kell csatlakoztatni a betonacélokról és a mérést meg kell ismételni.

Depolarizációs jelenség történik, amely az acélbetétek feszültségében növekedést idéz elő a pozitív értékek irányában (pl. polarizáció -450mV; depolarizáció -285mV). Az ISO 12696 szabvány szerint ennek a feszültségeltolódásnak legalább 100 mV-nak kell lennie maximum 24 órán belül, vagy legalább 150 mV-nak hosszabb időtartamon keresztül. Egy jellemző depolarizációs grafikon látható a 3. ábrán.

A feszültség mérésére használt eszközök lehetnek manuális vagy hordozható berendezések, vagy olyanok, amelyek állandóra vannak felszerelve a szerkezetre. Az állandó, online monitoring rendszer használata jobb, mert így bármikor hozzá lehet férni az adatokhoz, és a problémákat is azonnal felismeri. A legfontosabb szerkezetek esetében az ellenőrzéseket általában egy meghatározott ütemezés szerint végzik, amely hónapoktól akár évekig is terjedhet, hacsak nincsenek olyan különleges feltételek, amelyek gyakoribb ellenőrzést igényelnek. Remélhető, hogy a nem túl távoli jövőben a nagy infrastruktúrákat ilyen típusú rendszerekkel szerelik fel annak érdekében, hogy a biztonsági problémákat kiküszöböljék, valamint hogy a szerkezetek romlásával összefüggő mechanizmusokat megfigyeljék, és jobban megértsék.

Eng. Hadi Beirami. Korróziótechnikai Mérnök, PhD, Beton szerkezetek korrózió és védelmi szakértője, Nace tag

HIVATKOZOTT IRODALOM

1Scheffy, C. F. (1981). Bridge deck deterioration - A 1981 perspective. FHWA Memorandum, Federal Highway Administration Office of Research.
Pedeferri, P. (1996). Cathodic protection and cathodic prevention. Construction and building materials, 10(5), pp. 391-402.
Item No. 24224, (2005). Sacrificial cathodic protection of reinforced concrete elements. Houston, TX: NACE International.
ISO, B. (2016). 12696 -2016. Cathodic protection of steel in concrete.
SP0216 (2016). Sacrificial cathodic protection of reinforcing steel in atmospherically exposed concrete structures. Houston, TX: NACE International.

MAPESHIELD ANÓDOK

VASBETONBAN LÉVŐ BETONACÉL VÉDELME A KORRÓZIÓVAL SZEMBEN

A galvanikus katódos védelem két különböző feszültséggel rendelkező fém összekapcsolásának elvén alapul: szénacél, amelyet a betonacélhoz használnak és cink az anódokban. A két fém összekapcsolásával a beton vagy javítóhabarcs elektrolitként működik és folyamatosan áramot generál, amely megóvja az acélt a korrózióval szemben. A leginkább negatív potenciállal rendelkező fém oxidálja, ezáltal pedig megvédi a két fém közül a kevésbé negatívat, amely így passziválva lesz.

A cink tartalmú MAPESHIELD anódok idővel oxidálnak, és mártír fémmé válnak a betonban lévő betonacél javára, így késleltetve vagy megállítva a korróziós folyamatot és jelentősen növelve a szerkezet tartósságát. Szintén az anódokban lévő elektromos töltésnek köszönhető, hogy képesek vonzani a kloridokat és távol tartani azokat a betonacéltól, és így jótékony hatást fejtenek ki a korrózióval szemben.

A MAPESHIELD anódok hatását jellemző és növelő egyik aspektus az elektrolit típusa, amellyel bevonták azokat. Ez az anyag vezetőképes akril kötőanyagokból és egy PH szabályozóból készül, amely biztosítja, hogy a cink passziválása nem történik meg lúgos környezetben, mint a beton, amely így megakadályozná az anód megfelelő működését. Ez az elektrolit biztosítja az anódok állandó hatékonyságát, még nagyon kevés nedvességet tartalmazó környezetben is. A MAPESHIELD anódok legjobb pozícióját a betonacél sűrűségének megfelelően számítjuk ki, azaz a megvédendő acél felülete és a szennyezőanyaggal érintkező beton felülete közötti arány, de figyelembe kell venni a szerkezet geometriáját

1. KÉP Példa a MAPESHIELD I új szerkezetre való alkalmazására.

2. KÉP Példa a MAPESHIELD E helyreállított szerkezetre való alkalmazására.

3. KÉP Közeli felvétel arról, hogyan csatlakozik a MAPESHIELD I a betonacél rudakhoz egyszerűen a megfelelő helyre rögzítve egy darab vashuzallal.

4. KÉP Közeli felvétel arról, hogyan lehet a MAPESHIELD E terméket csatlakoztatni a betonacél rudakhoz az által, hogy egy menetes acélrudat hegesztünk a betonacélra.

és a roncsoló anyagoknak való kitettségét is.

A MAPESHIELD anódok számos előnnyel rendelkeznek, használhatók új (megelőzés) és régi (védelem) szerkezeteken, és elhelyezésük megválasztható és pontosan végezhető, azaz a szerkezet csak azon részeire kell felhelyezni, ahol a legnagyobb a korrózió veszélye. Mi több, nem igényelnek karbantartást a normál élettartamuk során, és egy egyszerű ellenőrző rendszer beszerelésével megfigyelhetők a működés során.

MAPESHIELD I ÉS MAPESHIELD E ANÓDOK

A MAPESHIELD I termék belső anódokból áll speciális cink maggal, amelyek azonos térfogaton növelik a védő felületet. Ez a tulajdonság, a bevonatként szolgáló speciális elektrolit anyaggal együtt hatékonnyá és tartóssá teszi a terméket. Négy különböző típusú belső galvanikus anód létezik, különböző méretekben és cink tömeggel, így védelmet biztosítanak a legtöbbféle vasbeton szerkezetnek. Az anódok a fém betonacélhoz vannak rögzítve, amelyek védelmet igényelnek a beton öntése előtt vagy a javítóhabarcs felvitele előtt.

A MAPESHIELD E termék öntapadó cink lemezekből áll, amelyeket közvetlenül a beton felületére kell felhelyezni. Ezt a típusú anódot egyszerűen és gyorsan lehet alkalmazni. A védőfóliát levéve a vezetőgélről, a lemezt a beton felületére kell nyomni. A lemezek ezután a már előzőleg a betonacélokra rögzített elektromos csatlakozásokkal kapcsolódnak a beton belsejében lévő betonacél betétekhez.

A MAPESHIELD anódok megfelelnek az ISO 12696 „Betonban lévő acél katódos védelme” c. szabványnak az acél megerősítés depolarizálásának elve szerint.