Stal zbrojeniowa powlekana epoksydem do ochrony przed korozją

Definicja i produkcja prętów zbrojeniowych powlekanych epoksydem

Pręty zbrojeniowe powlekane epoksydem (ECR), formalnie określane również jako stal zbrojeniowa z epoksydem wiązanym termicznie (FBECR), to pręty ze stali węglowej z fabrycznie nałożoną termoutwardzalną powłoką epoksydową w proszku, która służy jako fizyczna bariera przed korozją. Powłoka uniemożliwia jonom chlorkowym, wilgoci i tlenowi — niezbędnym składnikom elektrochemicznego ogniwa korozyjnego — dotarcie do podłoża stalowego. ECR jest jednym z najczęściej specyfikowanych systemów ochrony przed korozją dla konstrukcji żelbetowych narażonych na działanie soli odladzających, wody morskiej lub innych środowisk zawierających chlorki.

Proces produkcyjny ECR obejmuje kilka precyzyjnie kontrolowanych etapów. Pręty zbrojeniowe, zazwyczaj wykonane ze stali ASTM A615 gat. 40 do gat. 100 lub niskostopowej stali ASTM A706 do zastosowań sejsmicznych i spawalnych, są najpierw dokładnie czyszczone w celu usunięcia zgorzeliny walcowniczej, rdzy, brudu, oleju i innych zanieczyszczeń. Przygotowanie powierzchni odbywa się poprzez czyszczenie strumieniowo-ścierne do uzyskania wykończenia zbliżonego do białego metalu (norma SSPC-SP10 / NACE No. 2), tworząc profil powierzchni o głębokości od 25 do 75 mikrometrów (1 do 3 mils), który sprzyja mechanicznej adhezji powłoki epoksydowej.

Po czyszczeniu pręty są nagrzewane indukcyjnie do około 232°C (450°F), a dokładna temperatura zależy od konkretnej formulacji proszku epoksydowego i rozmiaru pręta. Nagrzane pręty przechodzą następnie przez kabinę natrysku elektrostatycznego, gdzie ujemnie naładowane cząstki proszku epoksydowego (o średnicy zazwyczaj od 30 do 150 mikrometrów) są rozpylane w kierunku uziemionych, dodatnio naładowanych prętów. Ładunek elektrostatyczny wytwarza silne przyciąganie między cząstkami proszku a powierzchnią stali, umożliwiając równomierne pokrycie nawet żeber i deformacji pręta.

Po zetknięciu z gorącą powierzchnią stali cząstki proszku topią się, spływają i ulegają chemicznej reakcji sieciowania (utwardzania). Ten proces wiązania termicznego przekształca proszek termoplastyczny w ciągłą, termoutwardzalną powłokę chemicznie i mechanicznie związaną ze stalą. Cały cykl od kontaktu proszku do pełnego utwardzenia trwa około 30 do 60 sekund. Powlekane pręty przechodzą następnie przez kąpiel wodną lub chłodzenie powietrzem otoczenia, aby obniżyć ich temperaturę poniżej temperatury zeszklenia epoksydu (zazwyczaj 100°C do 120°C) przed przenoszeniem.

Wynikowa grubość powłoki wynosi zazwyczaj 175 do 300 mikrometrów (7 do 12 mils), przy czym ASTM A775/A775M wymaga minimalnej średniej grubości 175 mikrometrów (7 mils) dla prętów #3 do #6 i 200 mikrometrów (8 mils) dla prętów #7 i większych. Minimalna dopuszczalna grubość punktowa wynosi 130 mikrometrów (5 mils). Nadmierna grubość powłoki powyżej 300 mikrometrów (12 mils) jest unikana, ponieważ grubsze powłoki stają się coraz bardziej kruche i podatne na pękanie podczas gięcia lub pod wpływem naprężeń termicznych.

Kontrola jakości w zakładzie powlekania obejmuje ciągłe monitorowanie grubości powłoki za pomocą mierników magnetycznych, wykrywanie defektów (holiday detection) za pomocą niskonapięciowego (67,5 V) detektora metodą mokrej gąbki zgodnie z ASTM G62 w celu identyfikacji pinhole lub cienkich miejsc, oraz kontrolę wzrokową pod kątem wad powierzchni. Concrete Reinforcing Steel Institute (CRSI) prowadzi dobrowolny program certyfikacji zakładów powlekania epoksydem, a certyfikowane zakłady podlegają okresowym audytom w celu zapewnienia zgodności z normami ASTM i najlepszymi praktykami branżowymi.

ECR został po raz pierwszy wprowadzony w Stanach Zjednoczonych w 1973 roku w projekcie pomostu mostowego w Pensylwanii. W latach 80. XX wieku stał się standardową ochroną przed korozją dla drogowych pomostów mostowych w Ameryce Północnej. Ponad 30 lat danych o wydajności polowej z badań Federal Highway Administration (FHWA), ocen stanowych departamentów transportu (DOT) i niezależnych instytucji badawczych stanowi obszerny zasób wiedzy na temat długoterminowego zachowania tego materiału.

Specyfikacje powłoki: ASTM A775 i ASTM A934

Dwie podstawowe normy ASTM regulują produkcję i wydajność prętów zbrojeniowych powlekanych epoksydem:

ASTM A775/A775M — Standardowa specyfikacja dla prętów zbrojeniowych powlekanych epoksydem dotyczy żebrowanych i gładkich stalowych prętów zbrojeniowych z powłoką epoksydową wiązaną termicznie, nakładaną metodą natrysku elektrostatycznego w odcinkach prostych. Norma ta obejmuje pręty poddawane obróbce (cięciu i gięciu) przed lub po nałożeniu powłoki, choć najczęściej kojarzona jest z prętami powlekanymi w odcinkach prostych przed obróbką. Kluczowe wymagania obejmują: minimalną średnią grubość powłoki 175 µm (#3-#6) lub 200 µm (#7+); elastyczność powłoki sprawdzaną przez gięcie wokół trzpienia o określonej średnicy bez pękania; przyczepność mierzoną testem nożowym; oraz odporność na korozję ocenianą w teście w mgle solnej lub cyklicznym teście korozyjnym. Norma określa również dopuszczalne limity napraw i procedury naprawcze.

ASTM A934/A934M — Standardowa specyfikacja dla prefabrykowanych prętów zbrojeniowych powlekanych epoksydem dotyczy prętów powlekanych epoksydem, które zostały poddane obróbce (cięte i gięte) przed nałożeniem powłoki. Norma ta została opracowana w celu rozwiązania specyficznych wyzwań związanych z powlekaniem wstępnie giętych prętów, gdzie sam proces gięcia może tworzyć koncentracje naprężeń, które powłoka musi wytrzymać. Pręty A934 zazwyczaj wykorzystują bardziej elastyczną formulację proszku epoksydowego. Fioletowy kolor epoksydu często (ale nie zawsze) spotykany na prętach A934 jest wizualnym identyfikatorem tego produktu. Wymagania dotyczące elastyczności, przyczepności i wydajności przy gięciu są dostosowane do konfiguracji prefabrykowanej.

Kluczowe różnice w wydajności między A775 a A934 można podsumować w poniższym porównaniu:

Oprócz tych norm produktowych, ASTM D3963 — Standardowa specyfikacja dla prętów zbrojeniowych powlekanych epoksydem i połączeń określa standardową praktykę postępowania, przechowywania i instalacji ECR. Obejmuje procedury napraw polowych, dopuszczalne materiały naprawcze i wymagania dotyczące zapewnienia jakości.

Wymagania dotyczące przenoszenia i układania

Pręty zbrojeniowe powlekane epoksydem wymagają znacznie bardziej ostrożnego przenoszenia niż niepowlekane pręty czarne. System powłoki jest skuteczny tylko wtedy, gdy pozostaje nienaruszony i ciągły od zakładu powlekania aż do ostatecznego ułożenia betonu. ASTM D3963 ustanawia protokoły postępowania, przechowywania i instalacji, które są włączane do specyfikacji projektowych.

Podczas transportu wiązki ECR muszą być umieszczone na wyściełanych podporach (drewnianych legarach lub stalowych z gumowym wyłożeniem) z nieściernymi pasami lub linami. Łańcuchy, liny stalowe lub inne ścierne materiały wiążące są zabronione, ponieważ mogą przeciąć powłokę. Pręty należy podnosić za pomocą pasów tekstylnych lub wyściełanych trawersów; łańcuchy lub niepowlekane haki stalowe nie mogą mieć bezpośredniego kontaktu z powlekanymi powierzchniami.

Na placu budowy ECR musi być przechowywany na podwyższonych podporach (co najmniej 150 mm lub 6 cali nad poziomem gruntu), aby zapobiec kontaktowi błota, stojącej wody i wilgoci gruntowej z prętami. Jeśli przechowywanie przekracza 30 dni, pręty należy przykryć nieprzezroczystymi (blokującymi światło) plandekami, aby chronić przed promieniowaniem ultrafioletowym (UV), które z czasem degraduje polimer epoksydowy, powodując kredowanie, kruchość i utratę przyczepności. Plandeka musi również zapobiegać kondensacji, umożliwiając wentylację pod spodem.

Wszelkie cięcie lub gięcie ECR na budowie, jeśli jest dozwolone przez inżyniera, musi być wykonywane przy użyciu wyściełanych matryc i podpór, które nie uszkadzają powłoki. Przecinarki do prętów muszą mieć gumowe lub plastikowe wkładki. Gięcie musi wykorzystywać trzpienie z gumowanymi powierzchniami, a prędkość gięcia musi być kontrolowana, aby zapobiec nagłym, ostrym uderzeniom, które mogłyby spowodować odpryskiwanie powłoki.

Wiązanie mat ECR odbywa się za pomocą drutu wiązałkowego w izolacji z tworzywa sztucznego lub drutu ze stali nierdzewnej, aby uniknąć ścierania powłoki w punktach wiązania. Standardowy wyżarzany drut wiązałkowy (czarny) nie jest dozwolony, ponieważ może przeciąć epoksyd podczas dokręcania. Podpory zbrojenia (krzesełka, podkładki, dystanse) muszą być również pokryte tworzywem sztucznym lub wykonane z materiału nieściernego, takiego jak plastik, guma lub stal nierdzewna.

Podczas układania betonu pracownicy chodzący po matach zbrojeniowych muszą nosić obuwie o miękkiej podeszwie, aby uniknąć uszkodzenia powłoki. Węże do betonu nie mogą być przeciągane po powlekanych prętach, a wibratory muszą mieć gumowe końcówki. Projekt mieszanki betonowej musi uwzględniać kruszywa, które nie ścierają powłoki podczas układania.

Wytrzymałość przyczepności między ECR a betonem jest zmniejszona w porównaniu do prętów niepowlekanych, ponieważ powierzchnia epoksydu ma niższy współczynnik tarcia. Norma ACI 318 (Wymagania projektowe dla konstrukcji betonowych) wymaga modyfikacji długości zakotwienia i na zakład dla ECR. Dla prętów z otuliną betonową mniejszą niż 3 średnice pręta lub rozstawem w świetle mniejszym niż 6 średnic pręta, współczynnik długości zakotwienia wynosi 1,5. Dla wszystkich pozostałych prętów współczynnik wynosi 1,2. Oznacza to, że ECR wymaga o 20% do 50% dłuższych długości zakotwienia w porównaniu do prętów niepowlekanych, aby uzyskać to samo naprężenie obliczeniowe. Projektanci konstrukcji muszą uwzględnić te zwiększenia w swoich układach zbrojenia.

Uszkodzenia powłoki i naprawa

Pomimo najlepszych praktyk przenoszenia, pewien stopień uszkodzenia powłoki podczas transportu, przenoszenia i układania jest nieunikniony. ASTM A775 i ASTM D3963 wymagają, aby wszystkie widoczne uszkodzenia powłoki zostały naprawione przed ułożeniem betonu. Uszkodzenia obejmują przecięcia, zarysowania, przetarcia, odpryski i ślady zgniecenia odsłaniające podłoże stalowe.

Proces naprawy wykorzystuje dwuskładnikową ciekłą masę naprawczą na bazie epoksydu specjalnie opracowaną do tego celu. Materiał naprawczy musi spełniać wymagania normy ASTM A775 dotyczące przyczepności, elastyczności, odporności chemicznej i ochrony przed korozją. Naprawa polowa przebiega według następujących kroków:

1. Oczyść uszkodzony obszar do gołej stali za pomocą niemetalowej podkładki ściernej lub papieru ściernego, aby usunąć rdzę, brud i luźną powłokę. Czyszczenie rozpuszczalnikiem (aceton lub MEK) usuwa olej i smar.
2. Wyprowadź krawędzie istniejącej powłoki wokół uszkodzenia, aby stworzyć strefę płynnego przejścia dla naprawy.
3. Wymieszaj dwuskładnikowy epoksyd zgodnie z instrukcjami producenta, starając się uzyskać jednolity kolor świadczący o całkowitym wymieszaniu.
4. Nałóż materiał naprawczy w kilku cienkich warstwach (zazwyczaj 2 do 3 warstw) za pomocą czystego pędzla lub aplikatora, osiągając określoną grubość powłoki (minimum 175 µm / 7 mils). Każda warstwa musi wyschnąć do stanu bez kleistości przed nałożeniem kolejnej.
5. Pozostaw do pełnego utwardzenia zgodnie z instrukcjami producenta (zazwyczaj 24 godziny w temperaturze 23°C / 73°F, dłużej w niższych temperaturach).

Maksymalny dopuszczalny obszar naprawy wynosi łącznie nie więcej niż 2% powierzchni pręta na stopę liniową. Jeśli uszkodzenia przekraczają ten próg, pręt należy odrzucić i wymienić, chyba że inżynier wyraźnie zatwierdzi dodatkowe naprawy indywidualnie dla każdego przypadku. W praktyce projekty ze złymi praktykami przenoszenia często wymagają rozległych napraw polowych, co jest pracochłonne i stwarza potencjalne problemy jakościowe, jeśli nie jest wykonane prawidłowo.

Materiały naprawcze powinny pochodzić z zatwierdzonych źródeł, a ich data ważności musi być sprawdzona przed użyciem. Przeterminowane lub nieprawidłowo przechowywane materiały mogą nie osiągnąć odpowiedniego utwardzenia lub przyczepności. Niektóre DOT prowadzą zatwierdzone listy produktów do naprawy ECR. Wykonawcy muszą przedłożyć proponowane materiały naprawcze do zatwierdzenia w ramach planu kontroli jakości.

Długoterminowa wydajność i problemy odspajania

Długoterminowa wydajność ECR w betonie była szeroko badana. Badanie FHWA Long-Term Performance of Epoxy-Coated Reinforcing Steel in Heavy Salt-Contaminated Concrete (Publikacja nr FHWA-HRT-04-090, czerwiec 2004) jest jednym z najbardziej kompleksowych. Badanie to polegało na wystawieniu płyt testowych na agresywne cykliczne zwilżanie 15-procentowym roztworem NaCl i suszenie przez okres do 96 tygodni (test Southern Exposure), a następnie ekspozycję na zewnątrz przez dodatkowe 4 lata.

Kluczowe wnioski z tego i innych badań obejmują:

ECR w obu matach (górnej i dolnej) sprawdzał się wyjątkowo dobrze. Gdy prosty ECR był stosowany zarówno w górnej, jak i dolnej macie zbrojeniowej, średnia gęstość prądu makroogniwa wynosiła nie więcej niż 2% najwyższego przypadku dla prętów czarnych, nawet gdy powłoki prętów zawierały celowo wprowadzone istniejące wady (defekty i uszkodzone obszary). Ten poziom odporności na korozję zbliża się do stali nierdzewnej. Poprawę przypisuje się trzem czynnikom: (1) redukcji dostępnej powierzchni katodowej, (2) wyższej rezystancji elektrycznej między matami oraz (3) zmniejszonej kinetyce reakcji katodowej.

ECR tylko w matze górnej z czarnymi prętami w matze dolnej zmniejszał podatność na korozję do co najmniej 50% przypadku prętów czarnych, nawet gdy powłoka maty górnej zawierała uszkodzenia. Jednak gięty ECR w matze górnej w połączeniu z czarnymi prętami w matze dolnej działał najgorzej ze wszystkich konfiguracji ECR. Gięte pręty rozwijały więcej uszkodzeń powłoki w punktach gięcia, tworząc zlokalizowane miejsca inicjacji korozji.

Odspajanie powłoki — utrata przyczepności między powłoką epoksydową a podłożem stalowym — zaobserwowano w próbkach o wysokich gęstościach prądu makroogniwa. Odspojone obszary wykazywały włoskowate pęknięcia powłoki, pęcherze i korozję stali pod spodem. Jednak kluczowym wnioskiem z badań FHWA jest to, że utrata przyczepności nie koreluje bezpośrednio z wydajnością korozyjną. Pręty ze znacznym odspojeniem, ale nienaruszoną powłoką nadal zapewniały doskonałą ochronę przed korozją, ponieważ powłoka pozostawała fizyczną barierą. FHWA stwierdził, że „przyczepność wydaje się być słabym wskaźnikiem długoterminowej wydajności prętów powlekanych w betonie zanieczyszczonym chlorkami".

Czynniki wpływające na długoterminową wydajność obejmują: zakres początkowych uszkodzeń powłoki (istniejące defekty, zarysowania i cienkie miejsca), czy ECR jest stosowany w jednej czy obu matach, głębokość otuliny betonowej, jakość betonu (przepuszczalność, stosunek w/c), szerokość i gęstość rys w betonie, poziom ekspozycji na chlorki (wskaźniki aplikacji soli, środowisko morskie) oraz obecność dodatkowych systemów ochrony.

Po 30 latach użytkowania badania terenowe na pomostach mostowych w Minnesocie wykazały, że ECR jest w „dobrym do bardzo dobrego" ogólnym stanie, z brakiem lub umiarkowanym poziomem aktywności korozyjnej. Badanie MnDOT potwierdziło, że pomosty z pełnym zbrojeniem epoksydowym przewyższają pomosty ze zbrojeniem mieszanym (ECR góra, czarne dół), wykazując mniejsze pękanie zarówno na górnej, jak i dolnej powierzchni pomostów. Pomosty ze zbrojeniem mieszanym ulegały degradacji w szybszym tempie, szczególnie na mostach z belkami stalowymi w porównaniu do belek z betonu sprężonego.

Istotnym problemem jest odspajanie spowodowane ochroną katodową. Badania Virginia Transportation Research Council (Raport 98-R5) wykazały, że polaryzacja katodowa powłok epoksydowych w betonie prowadzi do odspajania na obrzeżach wad powłoki. Poziomy delaminacji w badaniach laboratoryjnych nie wpływały na wydajność mechaniczną (charakterystyka zniszczenia przy rozciąganiu), ale potencjalny wzrost zapotrzebowania na prąd CP w czasie musi być brany pod uwagę przy projektowaniu systemów ochrony katodowej dla konstrukcji z ECR.

ECR kontra stal nierdzewna i pręty ocynkowane

Wybór zbrojenia odpornego na korozję wymaga zrównoważenia wydajności, kosztów, wymagań dotyczących przenoszenia i oczekiwanej żywotności. Trzy główne opcje dostępne na rynku to:

Pręty zbrojeniowe powlekane epoksydem (ECR) oferują najbardziej opłacalną ochronę przed korozją dla większości zastosowań. Premia kosztowa w stosunku do prętów czarnych wynosi około 30% do 50%, w zależności od rozmiaru i ilości prętów. ECR wymaga ostrożnego przenoszenia, ochrony przed UV podczas przechowywania i polowej naprawy uszkodzeń powłoki. Długości zakotwienia muszą być zwiększone o 20% do 50%. Wydłużenie okresu użytkowania o 15 do 30 lat w stosunku do prętów czarnych w środowiskach chlorkowych jest osiągalne przy prawidłowej specyfikacji i instalacji.

Pręty ze stali nierdzewnej (zazwyczaj ASTM A955, gatunki 316LN lub 2205 duplex) oferują najwyższą odporność na korozję. Stal nierdzewna opiera się na samonaprawiającej się warstwie pasywnej (tlenek chromu), która regeneruje się w przypadku uszkodzenia. Jest praktycznie odporna na korozję wywołaną chlorkami w normalnych środowiskach betonowych. Premia kosztowa wynosi 500% do 1 000% w stosunku do prętów czarnych (5 do 10 razy więcej), co czyni je nieosiągalnymi dla większości projektów. Jednak w przypadku krytycznej infrastruktury w ekstremalnych środowiskach morskich, gdzie najważniejsza jest długoterminowa niezawodność (np. mosty przybrzeżne na Florydzie, groble na Bliskim Wschodzie), stal nierdzewna jest specyfikowana. Stal nierdzewna nie wymaga napraw powłoki ani specjalnego przenoszenia.

Pręty ocynkowane (ASTM A767, cynkowanie ogniowe) zapewniają powłokę cynkową oferującą ochronę ofiarną (katodową). Cynk koroduje preferencyjnie, chroniąc stal nawet w rysach i na przeciętych końcach, gdzie warstwa cynku jest przerwana. Pręty ocynkowane są bardziej odporne na uszkodzenia podczas przenoszenia niż ECR, nie wymagają ochrony przed UV i nie wymagają napraw drobnych uszkodzeń powłoki. Powłoka cynkowa po reakcji ze świeżym betonem tworzy kryształy hydroksycynkanu wapnia, które wytwarzają ochronną warstwę krystaliczną poprawiającą przyczepność. Premia kosztowa jest podobna do ECR (30% do 50% w stosunku do prętów czarnych). Produkty korozji cynku są mniej ekspansywne niż tlenki żelaza, co zmniejsza ryzyko odpryskiwania betonu.

Niektóre agencje odeszły od stosowania ECR w określonych zastosowaniach. Prowincja Quebec, Virginia DOT i Florida DOT były wczesnymi użytkownikami, którzy wprowadzili ograniczenia w stosowaniu ECR w elementach konstrukcji morskich. Nowy Jork i New Jersey obecnie specyfikują pręty ocynkowane w projektach mostowych. Federal Highway Administration zauważyła, że w niektórych przypadkach „pręty zbrojeniowe powlekane epoksydem w zastosowaniach morskich konstrukcji podkonstrukcyjnych są bardziej podatne na korozję niż pręty niepowlekane", ze względu na trudność w utrzymaniu integralności powłoki w złożonych geometriach koszy zbrojeniowych podkonstrukcji i niemożność uzyskania pełnego pokrycia w ciasnych punktach gięcia.

Jednak w przypadku pomostów mostowych — w przeciwieństwie do podkonstrukcji morskich — ECR nadal sprawdza się dobrze i pozostaje standardem dla większości DOT. Badania FHWA jednoznacznie wykazują, że ECR w obu matach działa prawie identycznie jak stal nierdzewna w zastosowaniach pomostowych. Kluczem jest właściwa specyfikacja, zapewnienie jakości powłoki i staranna inspekcja polowa.

ECR w pomostach mostowych

Pomosty mostowe są największym pojedynczym zastosowaniem prętów zbrojeniowych powlekanych epoksydem w Ameryce Północnej. Pomost jest bezpośrednio narażony na sole odladzające przenoszone przez rozpryski pojazdów, a górna mata zbrojeniowa znajduje się zaledwie 50 do 75 mm (2 do 3 cali) poniżej powierzchni ścieralnej. Bez ochrony przed korozją czarne pręty w pomoście mostowym zaczynają zwykle korodować w ciągu 5 do 15 lat w środowisku zasolonym, prowadząc do pękania, odprysków i delaminacji wymagających kosztownych napraw lub wymiany pomostu.

Typowa konfiguracja zbrojenia pomostu mostowego składa się z maty górnej (pręty poprzeczne oparte na podłużnych prętach rozdzielczych) i maty dolnej (główne pręty podłużne przenoszące obciążenie). W starszych konstrukcjach (lata 70.–90. XX wieku) powszechne było stosowanie ECR tylko w matze górnej, a czarnych prętów w matze dolnej — tzw. konfiguracja zbrojenia mieszanego. Rozumowanie było takie, że tylko mata górna znajdowała się blisko źródła soli i wymagała ochrony.

Badanie MnDOT opublikowane w 2019 roku (Raport 2019-09) oceniło 506 mostów z mieszanym zbrojeniem pomostów i 35 mostów kontrolnych z pełnym zbrojeniem epoksydowym, zbudowanych w latach 1973–1990. Wyniki były jednoznaczne: pomosty z pełnym zbrojeniem epoksydowym przewyższały pomosty ze zbrojeniem mieszanym w każdym mierniku. Pomosty z pełnym epoksydem wykazywały mniejsze pękanie na górnej powierzchni oraz mniejsze pękanie i odpryski na spodniej stronie. Pomosty ze zbrojeniem mieszanym ulegały degradacji w szybszym tempie, szczególnie na mostach z belkami stalowymi.

Mechanizm słabej wydajności pomostów mieszanych jest dobrze rozumiany elektrochemicznie. Gdy chlorki docierają do maty górnej przez rysy w powierzchni betonu, inicjują korozję w miejscach wad powłoki na górnym ECR. Ponieważ powłoka ma wady (defekty, zarysowania, cienkie miejsca), tworzą się mikroogniwa korozyjne. Niepowlekana czarna mata dolna, z dużą, przewodzącą powierzchnią, działa jako wydajna katoda w obwodzie korozyjnym makroogniwa. Efektem jest przyspieszona korozja w miejscach wad powłoki na górnych prętach, często skoncentrowana w wąskich pasach wokół każdej wady.

Gdy obie maty są wykonane z ECR, dostępna powierzchnia katodowa jest drastycznie zmniejszona, ponieważ zarówno powierzchnia anody, jak i katody są powlekane. Rezystancja elektryczna między matami jest również wyższa. Prąd makroogniwa spada do mniej niż 2% przypadku prętów czarnych — osiągając zasadniczo poziom odporności korozyjnej stali nierdzewnej.

Praktyczne implikacje dla projektowania i utrzymania mostów są znaczące. MnDOT obecnie specyfikuje pełne zbrojenie epoksydowe w pomostach mostowych wszędzie tam, gdzie przewiduje się wysoką ekspozycję na chlorki. Badania zalecały również ulepszone procedury inspekcji, które obejmują ocenę gęstości rys na spodniej stronie pomostów, ponieważ pękanie tam jest wczesnym wskaźnikiem korozji maty dolnej w pomostach ze zbrojeniem mieszanym.

Inspekcja stanu ECR

Inspekcja prętów zbrojeniowych powlekanych epoksydem odbywa się na trzech kluczowych etapach: w zakładzie powlekania, po dostawie na plac budowy oraz bezpośrednio przed ułożeniem betonu. Inspekcja przed ułożeniem betonu jest najważniejszym etapem zapewnienia jakości i wymaga przeszkolonych inspektorów, którzy rozumieją wpływ wad powłoki na wydajność.

W zakładzie powlekania inspekcja obejmuje weryfikację: grubości powłoki (pomiary miernikiem magnetycznym na statystycznie istotnej próbce), ciągłości powłoki (niskonapięciowy detektor defektów metodą mokrej gąbki 67,5 V zgodnie z ASTM G62), elastyczności (próby gięcia na reprezentatywnych próbkach), przyczepności (test nożowy w celu weryfikacji, że powłoka nie łuszczy się i nie odpryskuje) oraz wyglądu wizualnego (gładka, jednolita, bez zacieków, zacieczeń, pęcherzy lub odsłoniętych miejsc). Dokumentacja certyfikacyjna z zakładu powlekania powinna zawierać numery partii, wyniki badań i status certyfikacji CRSI.

Po dostawie na plac budowy inspekcja sprawdza, czy uszkodzenia transportowe mieszczą się w dopuszczalnych granicach. Pręty z uszkodzeniami przekraczającymi 2% na stopę liniową należy odrzucić i zwrócić. Ta inspekcja sprawdza również, czy sprzęt do przenoszenia (pasy, podkłady, podpory) jest zgodny z wymaganiami ASTM D3963.

Bezpośrednio przed ułożeniem betonu kompletny kosz zbrojeniowy jest kontrolowany pod kątem:

• Uszkodzeń powłoki — wszystkie przecięcia, zarysowania, przetarcia i odsłonięte miejsca są identyfikowane i oznaczane do naprawy
• Jakości napraw — wykonane naprawy muszą być w pełni utwardzone, jednolite pod względem wyglądu i odpowiedniej grubości
• Drutu wiązałkowego — tylko drut w izolacji z tworzywa sztucznego lub ze stali nierdzewnej; czarny drut odrzucany
• Podpór zbrojenia — wszystkie podpory muszą być z tworzywa sztucznego lub z materiału nieściernego
• Przeciętych końców — wszelkie pręty cięte na budowie muszą mieć przecięte końce pokryte zatwierdzoną dwuskładnikową masą naprawczą na bazie epoksydu
• Przyczepności powłoki — podejrzane obszary sprawdzane nożem w celu upewnienia się, że powłoka nie łuszczy się
• Rozstawu i otuliny — weryfikacja zgodności rozstawu prętów i wymiarów otuliny betonowej z zatwierdzonymi rysunkami warsztatowymi

Wytyczne Epoxy Interest Group i CRSI podkreślają, że inspekcja przed zalaniem powinna być udokumentowana zdjęciami i raportami pisemnymi. Wszelkie naprawy wykonane podczas tej inspekcji muszą być ukończone i utwardzone przed ułożeniem betonu. Beton nie może być układany, dopóki inspektor nie zatwierdzi stanu ECR.

Po ułożeniu betonu dalsza inspekcja powłoki nie jest możliwa. Wydajność systemu ECR jest zatem całkowicie zależna od jakości początkowej instalacji. Dlatego DOT inwestują znaczne środki w szkolenia inspektorów ECR i programy zapewnienia jakości.

Inspekcja polowa istniejącego ECR w eksploatacji (ocena stanu retrospektywna) jest bardziej wymagająca, ponieważ pręty są zatopione w betonie. Techniki stosowane do oceny stanu obejmują: mapowanie potencjału półogniwa w celu identyfikacji obszarów aktywnej korozji, pomiar głębokości otuliny betonowej (badania covermetrem/pachometrem), badanie zawartości chlorków na rdzeniach betonowych pobranych z podejrzanych obszarów, echo-uderzeniowe i georadar do wykrywania delaminacji i pęknięć, oraz niszczącą autopsję (wykucie betonu) w celu bezpośredniego zbadania stanu prętów, gdy wymagana jest szczegółowa ocena.

ECR z ochroną uzupełniającą

Pręty zbrojeniowe powlekane epoksydem mogą być stosowane w połączeniu z innymi systemami ochrony przed korozją, aby zapewnić wielowarstwową obronę dla szczególnie agresywnych środowisk lub krytycznych konstrukcji.

Ochrona katodowa (CP) może być stosowana do konstrukcji z ECR jako strategia rehabilitacji, gdy korozja już się rozpoczęła w miejscach wad powłoki. Jednak interakcja między prądami CP a powłokami epoksydowymi wymaga starannego projektowania. Badania pokazują, że polaryzacja katodowa może przyspieszyć odspajanie powłoki na obrzeżach wad. Badanie Virginia Transportation Research Council (98-R5) wykazało, że testowane poziomy CP były skuteczne w zapobieganiu dalszej korozji, ale odspajanie występowało wokół krawędzi wad. Inżynierowie muszą projektować systemy CP dla konstrukcji ECR z odpowiednimi limitami gęstości prądu i protokołami monitorowania.

Ochrona katodowa prądem stałym (ICCP) dla konstrukcji ECR wykorzystuje anody tytanowe lub z tlenków metali mieszanych zatopione w betonie lub zainstalowane w szczelinach wyciętych w powierzchni. Ochrona katodowa anodami ofiarnymi z wykorzystaniem anod cynkowych lub aluminiowych jest również stosowana, zazwyczaj do ochrony lokalnej (np. wokół napraw punktowych lub w określonych gorących punktach korozyjnych).

Uszczelniacze betonu i impregnaty penetrujące (silany, siloksany, metakrylany) nakładane na powierzchnię betonu zmniejszają wnikanie chlorków poprzez nadanie betonowi właściwości hydrofobowych lub blokowanie porów powierzchniowych. Mimo że uszczelniacze nie chronią bezpośrednio prętów zbrojeniowych, zmniejszają tempo akumulacji chlorków na poziomie ECR, wydłużając czas do wystąpienia korozji. Uszczelniacze są szczególnie skuteczne w połączeniu z ECR, ponieważ zmniejszają liczbę chlorków docierających do miejsc wad powłoki.

Domieszki inhibitujące korozję (azotyn wapnia, aminoalkohole, inhibitory organiczne) mogą być dodawane do mieszanki betonowej w celu zapewnienia drugiej linii obrony. Te substancje chemiczne działają poprzez stabilizację warstwy pasywnej na stali lub przez zakłócanie reakcji katodowej. Stosowane z ECR zapewniają ochronę w miejscach wad powłoki, gdzie stal jest odsłonięta. Połączenie ECR z inhibitorem korozji jest czasami nazywane podejściem pasa i szelek.

Beton wysokowydajny (niski stosunek w/c, dodatkowe materiały wiążące, takie jak popiół lotny lub żużel, zmniejszona przepuszczalność) zmniejsza tempo transportu chlorków przez otulinę betonową. Otulina z betonu niskoprzepuszczalnego (w/c ≤ 0,40, minimum 75 mm lub 3 cale otuliny) znacząco poprawia wydajność ECR poprzez zmniejszenie zarówno liczby chlorków docierających do prętów zbrojeniowych, jak i zawartości wilgoci na powierzchni prętów.

Pręty zbrojeniowe platerowane stalą nierdzewną to produkt hybrydowy, w którym cienka warstwa stali nierdzewnej jest metalurgicznie połączona z rdzeniem ze stali węglowej. Zapewnia to odporność na korozję stali nierdzewnej przy ułamku kosztu pełnych prętów nierdzewnych. Jest to jednak nadal znacznie droższe niż ECR i stosowane tylko w najbardziej wymagających zastosowaniach.

Decyzja o zastosowaniu ochrony uzupełniającej z ECR zależy od oczekiwanej żywotności, nasilenia ekspozycji i konsekwencji awarii korozyjnej. Dla pomostu mostowego z 75-letnią żywotnością projektową w trudnym środowisku solnym, połączenie ECR w obu matach, betonu niskoprzepuszczalnego (w/c ≤ 0,40), minimalnej otuliny 75 mm i impregnatu penetrującego nakładanego ponownie co 5 do 10 lat zapewnia solidny wielowarstwowy system, który, jak wykazano, osiąga wymaganą żywotność.

W przypadku nawierzchni lotniskowych — pasów startowych, dróg kołowania i płyt postojowych — stosowanie ECR jest mniej powszechne niż w mostach drogowych, ponieważ głównym zbrojeniem w nawierzchniach betonowych są często stalowe pręty dyblowe na złączach, a nie ciągłe maty. Jednak tam, gdzie specyfikowane jest zbrojenie ciągłe (nawierzchnia betonowa ze zbrojeniem ciągłym, CRCP) lub gdzie intensywnie stosuje się chemikalia odladzające, ECR może zapewnić podobne korzyści w zakresie ochrony przed korozją. Wymagania dotyczące otuliny i warunki ekspozycji w nawierzchniach lotniskowych różnią się od mostów, a projekt powinien być zgodny z wytycznymi ICAO Annex 14 (Lotniska) i okólników FAA Advisory Circulars (seria AC 150/5370) dotyczących projektowania i budowy nawierzchni.

Przyszłość ECR stale ewoluuje. Trwają badania nad ulepszonymi formulacjami epoksydu o wyższej elastyczności, lepszej odporności na UV i zwiększonej przyczepności. Opracowanie powłok dwuwarstwowych (podkład bogaty w cynk plus epoksydowa warstwa wierzchnia) stwarza potencjał dla połączonej ochrony barierowej i ofiarnej. Jednak w najbliższej przyszłości prawidłowo specyfikowany, przenoszony i instalowany ECR pozostaje jednym z najbardziej niezawodnych i opłacalnych rozwiązań ochrony przed korozją dla infrastruktury żelbetowej narażonej na działanie chlorków.