Совместимость современных материалов и их способность противостоять коррозии
В последние годы в России получили достаточно широкое распространение получили декоративные и утеплительные системы с воздушным зазором – так называемые навесные фасадные системы . Эти конструкции представляют собой достаточно сложные комбинации из металлических и неметаллических частей.
Долговечность и надежность металлоконструкций определяется не только совокупностью физических, механических и химических (в том числе и коррозионной стойкостью) свойств применяемых материалов, но и скоростью деградации этих свойств.
Так как пока не обнаружено абсолютно коррозионностойких материалов, то необходимо учитывать постепенную деградацию рабочих свойств материалов и необходимость применениядополнительных мер противокоррозионной защиты. Нельзя также забывать и о действии знакопеременных ветровых нагрузок, которые могут приводить к возникновению коррозионно-механических разрушений. Известны случаи, когда преждевременный выход из строя металлоконструкций из-за коррозии явился не следствием трудностей, для преодоления которых требовалось создание нового материала или метода защиты, а результатом неудачного выбора материала или конструкции.
При устройстве несущих конструкций навесные фасады используются в основном три группы металлических конструкционных материалов – нелегированные (или низколегированные) стали, алюминиевые сплавы и коррозионностойкие стали. Эти материалы заметно различаются по своим механическим и физико-химическим свойствам. Для улучшения эксплуатационных характеристик используемые материалы подвергаются дополнительной термомеханической и химической обработке.
Элементы фасадных систем в процессе эксплуатации подвергаются воздействию агрессивных компонентов внешней атмосферы, которое приводит к коррозии применяемых разнородных материалов, поэтому для определениякоррозионной стойкости используемыхматериалов необходимо учитывать постоянный воздухообмен «внутренней» и внешней атмосфер, а также сезонное изменение агрессивности среды. Так как навесные фасады не являются герметичной системой, то на элементах подконструкций неизбежно происходит оседание пыли и конденсата водяных паров, содержащих агрессивные агенты, и проникновение к ним атмосферных осадков через зазоры облицовки.
В настоящее время опубликованные данные по определению реального коррозионного износа материалов подконструкций вентфасада отсутствуют, но в качестве опорных справочных данных следует использовать накопленные экспериментальные результаты. Так в [1 - 3] приведены значения средних скоростей коррозии в различных по степени агрессивности атмосферах, полученные в результате многолетних испытаний, проведенных в 60-80-х гг. ХХ века. Данные значения в открытой атмосфере промышленного города (Москва, Нью-Йорк)составляют: около 50 мкм/год- для нелегированной стали, 3-5 мкм/год - для цинковых покрытий и 0,5-1,0 мкм/год для алюминия. В сельской местности скорость коррозии ниже и составляет 0,5-1,0 мкм/год и 0,5 мкм/год для цинка и алюминия соответственно. Скорость коррозии указанных металлов при испытании под навесом оказалась в среднем на 30% меньше, чем при открытой экспозиции, ав контакте с пористыми строительными материалами - на 30-50% выше.
В соответствии с СНИП 2.03.11-85 и ГОСТ 9.039-74 можно приблизительно определить степень агрессивности внешней атмосферы по концентрации основных загрязняющих веществ и степени увлажнения поверхности металлоконструкций.
Группы агрессивных газов
В то же время не следует забывать, что разные вещества отличаются различной коррозионной активностью по отношению к основным конструкционным материалам, а кроме того, содержание агрессивных веществ и влажность атмосферы изменяется в зависимости от времени года.
Степень коррозионной агрессивности атмосферы устанавливается для конкретных групп металлов и покрытий в зависимости от их стойкости к воздействию комплекса климатических факторов. В частности, для изделий из оцинкованной низкоуглеродистой стали (исполнение УХЛ1 по ГОСТ 15150-69) скорость коррозии составляет от 1 до 10 мкм/год в указанных условиях при продолжительности увлажнения поверхности 3000-4000 ч/год, что означает 3-4 балл коррозионной стойкости (стойкий материал) и 2-3 степень коррозионной агрессивности атмосферы (по ГОСТ 9.039-74).
В соответствии с ГОСТ 14918-80 оцинкованная сталь относится к 1-му классу цинкования при толщине слоя цинка от 18 до 40 мкм. При условии сохранения слабой агрессивности атмосферы в районе застройки скорость коррозии оцинкованной стали будет составлять в среднем 0,5 – 1,0 мкм/год, что означает полное разрушение цинкового покрытия за 18-40 лет. Т.к. принято считать, что демонтаж оцинкованной стали следует осуществлять при разрушении покрытия на 50% поверхности, то срок эксплуатации уменьшается до 9-20 лет. Следовательно, для длительной (не менее 40 лет) безремонтной эксплуатации рекомендуется использовать сталь, оцинкованную по повышенному классу с толщиной цинкового покрытия не менее 60 мкм.
Однако, часто приходиться сталкиваться с применением наиболее дешевого типа оцинкованной стали с слоем цинка толщиной не более 12 мкм -в этом случае разрушение покрытия и коррозия стальной основы может проявиться уже через 0,5-2 года после начала эксплуатации.
Ограждение - оцинкованная сталь (6 месяцев после установки, г. Люберцы, Московская обл.)
Неблагоприятные атмосферные условия могут привести к коррозионным повреждениям изделия не только из обычных низкоуглеродистых, но и коррозионностойких сталей.
Следует понимать, что термин «коррозионностойкие» относится к легированным сталям, содержащим более 12,5 % хрома, однако, все они предназначены для эксплуатации в разных условиях. В частности, ферритные стали типа Х13 или Х17 при определенных условиях (например, при воздействии хлоридов) достаточно быстро подвергаются локальной коррозии.
Оконное обрамление - коррозионностойкая сталь 12Х17 (5 лет эксплуатации, г. Москва, 5 м от проезжей части)
При обсуждении проблем коррозионной стойкости и долговечности металлоконструкций не следует забывать о том, что мы всегда имеем дело не с одним материалом, а с разного рода сопряжениями, которые в реальных условиях эксплуатации представляют собой гальванические элементы. Сказанное означает необходимость учитывать и возможность контактной коррозии сопрягаемых деталей. Эти гальванопары в зависимости от внешних условий (в частности, влажности, загрязненности) могут быть и безопасными и весьма опасными [ 4, 5 ].
Наиболее часто встречающиеся сопряжения в составе подконструкций навесных фасадов:
- коррозионностойкая сталь – коррозионностойкая сталь;
- коррозионностойкая сталь – алюминиевый сплав;
- коррозионностойкая сталь– оцинкованнаясталь;
- коррозионностойкая сталь – оцинкованнаяокрашеннаясталь;
- алюминиевый сплав– оцинкованнаясталь;
- алюминиевый сплав– оцинкованнаяокрашеннаясталь;
- оцинкованная сталь– оцинкованнаясталь;
- оцинкованная окрашенная сталь – оцинкованнаяокрашеннаясталь;
Наиболее неблагоприятным следует считать соединение деталей из неанодированных алюминиевых сплавов с коррозионностойкой или неокрашенной оцинкованной сталями – в этом случае разрушаются и алюминиевый сплав и оцинкованная сталь, причем разрушение в ряде случаев происходит быстрее, чем вне контакта. Особенно этот момент надо учитывать при эксплуатации металлоконструкций в среднеагрессивной атмосфере – городской влажной промышленной и приморской средах. Так в приморской атмосфере анодированный на толщину 10-12 мкм алюминиевый сплав 6063 в контакте с оцинкованной стальной заклепкой подвергся расслаивающей коррозии за 6 лет эксплуатации.
Анодированный алюминиевый сплав 6063 (5 лет эксплуатации, Италия, 250 м от моря)
В то же время в слабоагрессивной атмосфере анодирование существенно тормозит коррозию и в процессе эксплуатации в течение 15 лет не обнаружено коррозионных повреждений профиля из анодированного сплава 6063 (при толщине анодного оксида 10-15 мкм).
Наиболее частым следствием применения разнородных материалов в одной конструкции является возникновение контактной и щелевой коррозии. Гораздо менее очевидной, но более опасной для надежности конструкции является возможность развития в зоне контакта «локальной» коррозии (рис. 4), которая может привести в итоге к «выкрашиванию» крепежа.
Неопосредственный контакт коррозионностойкой стали (кляммер) с анодированным алюминиевым сплавом АД31 . а – внешний вид соединения; б – поверхность направляющей в месте контакта; в поперечный шлиф в месте контакта.
Внешний вид поверхности контакта свидетельствует о том, что коррозионному разрушению подверглись участки механического повреждения слоя анодного оксида при конденсации коррозионной среды в щелевом зазоре.
Сказанное выше означает, что для большей части металлоконструкций (и в первую очередь, из оцинкованной стали) необходимо применять дополнительную защиту в виде лакокрасочных материалов, представляющих собой многослойную систему покрытий (грунт, промежуточное и финишное покрытия), а также стремиться к изоляции мест контакта разнородных материалов.