Цинковая проволока и цинковый порошок в защите строительных материалов, конструкций и инженерных систем

Ежегодные потери мировой экономики от коррозионных процессов стали по статистике составляют объемы, сравнимые с 2-% ежегодного совокупного производства стального проката и стальных изделий. Поэтому над способами защиты метала от коррозии работают ведущие ученые научных и исследовательских институтов во всех развитых странах мира, а государственные органы стандартизации регулярно обновляют нормативную базу, определяющую нормы обработки стальных изделий и конструкций.

Основное внимание ученых и разработчиков сегодня уделено решению проблем «мокрых» типов коррозии, идущих по электрохимическому механизму. Связано это с тем, что газовая коррозия, как таковая в заслуживающих внимания объемах наблюдается только при высоких температурах и давлениях. И даже при автоклавной обработке армированных ячеистых бетонов вклад газовой коррозии в негативные процессы отслаивания бетона от арматуры и окисления поверхности стали не столь значителен. А все то, что сегодня называют атмосферной коррозией при обычных эксплуатационных режимах на самом деле является комплексом коррозионных электрохимических процессов, происходящих из-за возникновения гальванических пар с разным потенциалом в микро и макроструктуре метала.

Общая и внутрикристаллическая, щелевая и питтинговая, коррозия под напряжением и т.д. – все эти процессы обусловлены разными потенциалами на границах ферритных и перлитных зерен, цементита, легирующих, сернистых, фосфористых включений, вершинах и стенках микротрещин, поверхности микро и макродефектов и гомогенной структуры металла. В совокупности все образованные гальванические пары обуславливают протекание коррозионного процесса, причем нередко усиливаемого внешними воздействиями (статические и динамические нагрузки, блуждающие токи, агрессивные среды и т.д.). Первые попытки обуздать электрохимическую коррозию были предприняты еще в первой половине XIX века, когда англичанином сэром Гемфри Дэви некоторые металлы были выстроены в ряд по их электрохимическому потенциалу в зависимости от атомарного водорода. Оказалось, что металлы с более отрицательным электрохимическим потенциалом при контакте с металлом, имеющим более положительный потенциал коррозируют в первую очередь, а продукты их окисления служат дополнительным экраном, сдерживающим проникновение влаги.

С тех пор исследованиями катодной защиты при помощи протекторного металла стали заниматься ученые разных стран мира и в итоге был определен ряд металлов и сплавов, способных, как затормозить, так и активизировать коррозионные процессы в стали благодаря своему электрохимическому потенциалу - Магний-Цинк-Хром-Алюминий-Кадмий-Сталь-Чугун-Свинец-Олово-Никель-Медь-Латунь-Бронза-Медно-никелевые сплавы-Монель-Серебро. Исходя из цен на протекторные для стали металлы, а также технических сложностей их нанесения на поверхность стальных изделий предпочтение было отдано цинку и на сегодняшний день цинковая проволока и цинковый порошок (цинковая пыль) стали одним из самых востребованных материалов для защиты стали от коррозии.

Цинковые покрытия наносят на поверхность труб, используемых в системах холодного, горячего водоснабжения и отопления, цинком покрывают листовой прокат и изделия из него (фальцевые кровли, профнастил, металлический шифер и т.д.), оцинковывают проволоку и готовые проволочные сетки, наносят цинковые покрытия на металлоконструкции и закладные в конструкционных элементах панельного домостроения. Цинковые покрытия вошли, как обязательный способ защиты стальных конструкционных изделий в СНиП 2.03.11-85 (Защита строительных конструкций от коррозии), а также ряд стандартов, нормирующих способы оцинкования стального проката и стальных изделий.

Из ряда существующих сегодня технологий (способов) оцинкования в строительстве наиболее популярным стали:
- холодное оцинкование цинконаполненными красками (мелкофракционный цинковый порошок (не менее 95%), разведенный специальным лаком) с толщиной одного слоя при нанесении до 60 мкм;
- горячее оцинкование в ваннах с расплавами цинка методом погружения и получением протекторного слоя от 50 до 100 мкм (макс. До 250 мкм); . газотермическое распыление газообразного цинка при воздействии на цинковый порошок электрической дуги или пламени газовой горелки с получением покрытия 80-150 мкм;
- термодиффузионное оцинкование по ГОСТ Р 9.316 с проникновением цинка в структуру стали на треть толщины покрытия.

Горячему оцинкованию подвергают трубный и листовой прокат, в том числе штампованные изделия, проволоку и изделия из нее, стальные элементы конструкций и закладные в панелях и плитах перекрытия из тяжелых, легких и ячеистых бетонов. Способ очень распространен в нашей стране, но дает покрытие с большой пористостью и нестойкое к механическому воздействию, как внешнему, так и внутриструктурным напряжениям. Для горячего оцинкования требуется тщательная подготовка поверхности метала (очистка, шлифовка, обезжиривание или протравливание), что увеличивает стоимость оцинкованных изделий, а оборудование линий оцинкования очень габаритное и дорогое.

Холодное оцинкование относят к локальным и дополнительным способам защиты стали от коррозии. Нанесение цинконаполненных составов возможно при температурах от -5 и выше градусов Цельсия, используется непосредственно на объектах строительства для обработки сварных швов труб и конструкций из стали, закладных элементов ж/б панелей и т.д. Покрытие наносится в несколько слоев из-за большой пористости, причем направление каждого следующего слоя делают перпендикулярными предыдущему. Долговечность холодного оцинкования редко превышает тридцать лет и покрытие каждые 5-7 лет нужно обновлять.

Более стойкое цинковое покрытие получают способом газотермического напыления. Цинковая проволока или цинковый порошок переводятся в газообразное состояние быстрым нагревом электрической дугой или пламенем специальной газовой горелки и потоком воздуха газообразный цинк напыляют на поверхность метала. Установки для газотермического напыления мобильны и применяются на объектах строительства. Обрабатываются сварные швы труб инженерных систем, закладные детали при сборке панелей и т.д., причем из-за повышенной пористости напыленного слоя довольно часто в качестве дополнительной защиты используется протекторное холодное оцинкование цинконаполненными красками.

Термодиффузионное оцинкование сегодня считают одним из самых перспективных способов защиты металла от коррозии, хотя и весьма затратным по используемому оборудованию. Диффузия цинка в металл происходит при температурах 400-470 градусов Цельсия в специальных камерах. Для создания диффузионной смеси используется цинковый порошок определенной дисперсности. Благодаря проникновению протекторного цинка в поверхностный слой металла почти полностью устраняется внутрикристаллическая коррозия, демпфируются процессы щелевой и питтинговой коррозии, а защитный слой снижает скорость общей электрохимической коррозии. Устойчивость к коррозии получаемого покрытия в два раза выше, чем у покрытий, получаемых горячим оцинкованием и в 5-7 раз выше, чем у покрытий, образуемых при гальваническом нанесении цинка. Развитые западные страны применяют термодиффузионное напыление для защиты стального проката, в том числе листового и трубного, а также арматуры для предварительно напряженных и ненапрягаемых конструкционных элементов из тяжелых, легких и ячеистых бетонов.