Změna vlastností sklokeramických povlaků v závislosti na druhu

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