WO1999023282A1 - Verfahren zur verbesserung der korrosionsbeständigkeit von stahlbeton - Google Patents

Verfahren zur verbesserung der korrosionsbeständigkeit von stahlbeton Download PDF

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Michael Knepper
Jochen Spriestersbach
Jürgen Wisniewski
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F2201/00—Type of materials to be protected by cathodic protection
    • C23F2201/02—Concrete, e.g. reinforced

Definitions

  • the present invention relates to a method for improving the corrosion resistance of reinforced concrete coated with a thermal spray coating of metals, in particular of zinc or zinc alloys.
  • Thermal spray coatings made of zinc or zinc aluminum alloys are used for the surface finishing of metals, plastics, concrete, cardboard etc. Among other things, they improve the temperature resistance, the wear behavior and the electrical conductivity of the substrate materials.
  • EP-A-0 677 592 discloses a method for improving the adhesive strength of thermal spray coatings made of metals, metal oxides or hard materials, in particular zinc, aluminum and their alloys, the spray coatings after spraying with a one-component, moisture-curing polyurethane resin be coated. This process has become particularly important for steel workpieces. It is mentioned that customary coating systems which are compatible with polyurethane resins can be applied to the polyurethane resin layer applied in this way. No examples of this are mentioned. However, it had already been observed that materials such as alkyd resins, epoxy resins or PVC resins would not adhere sufficiently to the metal spray layers without the polyurethane resin layer.
  • the present invention has for its object to improve the corrosion resistance of with a thermal spray layer made of metals, in particular zinc or To provide zinc alloys, coated reinforced concrete, where possible the adhesive strength of the sprayed layer on the concrete should also be improved.
  • the spray layer is electrically connected to the reinforcement of the reinforced concrete and is additionally coated with a polyurethane resin, which is applied as a low-viscosity solution in organic solvents.
  • the polyurethane resin layer is preferably applied so thinly that no closed film forms, but only the pores of the spray layer are closed.
  • an epoxy resin layer is additionally applied after the polyurethane resin has cured.
  • This epoxy resin layer is applied so that it preferably has a thickness of 200 to 400 microns after curing.
  • Polyurethane layers and layers of mixtures of epoxy resins and polyurethanes are also well suited.
  • the spray layer made of zinc or zinc alloys on the concrete is generally 100 to 400 ⁇ m, preferably 150 to 300 ⁇ m. Spray layers of this type have values between 1.0 and 2.0 MPa in the case of adhesive strength measurements by means of forehead deduction. After the application of the polyurethane resin layer, the adhesion of the zinc layer to the concrete surprisingly increases to 2.5 to 3.0 MPa. If an epoxy resin layer is applied after the polyurethane layer has hardened, adhesive strengths between 2.5 and 3.5 MPa are measured after it has hardened.
  • the layer applied according to the invention is electrically connected to the reinforcement of the reinforced concrete. For this it is necessary to establish an electrically conductive connection between the metal reinforcement of the reinforced concrete and the surface of the concrete. This is a measure that has so far only been carried out hesitantly, since parts of the reinforcement that are not covered by the cement are covered with the. Come into contact with the outside world and are actually regarded as defects where corrosion of the reinforced concrete occurs particularly quickly. According to the invention, it is also possible to use the layers as anodes for active cathodic corrosion protection with the aid of external current.
  • Another unforeseeable advantage of the method according to the invention is that the coating with polyurethane resin not only improves the adhesive strength of the spray layer on the concrete, but also the service life of the spray layer.
  • the self-corrosion of the zinc layer in damp weather conditions is greatly reduced and the service life of the spray layer is increased.
  • Corrosion tests in the salt spray test according to DIN 50121-SS have shown that a layer of 100 ⁇ m thickness is removed by 60% after 336 hours. After the application of the polyurethane resin layer, the removal of the zinc spray layer is only 13%. If an additional epoxy resin layer is applied, the intrinsic corrosion of the spray layer drops to practically 0.
  • the method according to the invention Before applying the spray layer made of metal, the method according to the invention must ensure that the reinforced concrete is cleaned beforehand, blasted, preheated to 70 ° to 90 ° C. and only then is the metal sprayed on.
  • the purity and roughness of the surface of the substrate are of particular importance. A certain sharpness of the profile is often even necessary to ensure the necessary adhesive strength. Preheating can only be dispensed with if it is ensured that the concrete surface is no longer damp. Otherwise the zinc spray coating will not have sufficient adhesive strength.
  • the metallic spraying materials for example wire flame spraying or wire arc spraying. This procedure differ primarily by different process temperatures and thus also by different application efficiencies.
  • the adhesive strength to the concrete depends not only on the surface preparation, but also on the type of concrete to be protected.
  • the spray layers are more or less dense depending on the thickness and type of spray. In order to ensure adequate protection against corrosion, the thicknesses should preferably be in the range between 150 and 300 ⁇ m.
  • a new structure made of reinforced concrete is prepared by means of compressed air jets up to the degree of cleaning Sa3 and an average roughness depth R z of 45 ⁇ m. Subsequently, the workpiece prepared in this way is cleaned of adhering contaminants as well as possible using compressed air, preheated to 70 to 90 ° C and provided with a 150 to 300 ⁇ m thick spray coating made of zinc.
  • the adhesive strength measurements carried out by pulling the forehead give values between 1.0 and 2.0 MPa.
  • the sprayed metal layer is then coated with a commercially available, low-viscosity 1-component PU coating solution using a brush so that no measurable layer build-up takes place.
  • part of the substrate was additionally coated with an epoxy resin layer.
  • the Amerlock 400 GFA material was used in layers between 200 and 400 ⁇ m thick. After this second layer had hardened, the adhesive strength was 2.5 to 3.5 MPa.
  • Example 2 The same zinc spray coating as in Example 1 was immediately coated with the epoxy resin.
  • the adhesive strength measurement by means of a forehead trigger remains at 1.0 to 2.0 MPa.
  • the adhesive strength of the epoxy layer on the zinc layer was not stable.
  • Anchor arches in need of renovation in a seaport are first externally freed of corroded concrete until the reinforcing bars are exposed. They are welded to one another in such a way that they are connected to one another in an electrically conductive manner. Electrical lines are also installed and insulated. Then repair mortar is applied in a thickness of up to 10 cm. After setting, a 300 ⁇ m thick spray layer made of zinc is applied to this, as in Example 1, and then coated with the low-viscosity PUR coating solution, care being taken, however, that no electrically conductive contact occurs between the reinforcing bars and the zinc layer. The zinc layer applied in this way acts as a sacrificial anode. The subsequent coating with the PUR solution increases the mechanical stability of the coating.
  • Example 1 The surface is then coated with an epoxy resin layer, as in Example 1, which has an average thickness of 400 ⁇ m. This creates a surface that is highly resistant to seawater and other corrosion, which ensures long-term protection of the concrete and the reinforcing bars embedded in it.

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Abstract

Das Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von mit einer thermischen Spritzschicht aus Metallen, insbesondere aus Zink oder Zinklegierungen, beschichtetem Stahlbeton erfolgt dadurch, daß die Spritzschicht mit der Bewehrung elektrisch verschaltet wird und zusätzlich mit einem Polyurethanharz beschichtet wird, welches als niedrigviskose Lösung in organischen Lösungsmitteln aufgetragen wird.

Description

Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Stahlbeton
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von mit einer thermischen Spritzschicht aus Metallen, insbesondere aus Zink oder Zinklegierungen, beschichtetem Stahlbeton.
Thermische Spritzschichten aus Zink oder Zinkaluminiumlegierungen werden zur Oberflächenveredelung von Metallen, Kunststoffen, Beton, Pappe etc. eingesetzt. So verbessern sie unter anderem die Temperaturbeständigkeit, das Verschleißverhalten und die elektrische Leitf higkeit der Substratmaterialien.
Aus der EP-A-0 677 592 ist ein Verfahren bekannt zur Verbesserung der Haftfestigkeit von thermischen Spritzschichten aus Metallen, Metalloxiden oder Hartstoffen, insbesondere aus Zink, Aluminium und deren Legierungen, wobei die Spritzschichten nach dem Aufspritzen mit einem einkomponentigen, luftfeuchtigkeits- härtenden Polyurethanharz beschichtet werden. Besondere Bedeutung hat dieses Verfahren erlangt bei Werkstücken aus Stahl . Es wird erwähnt, daß auf die so aufgetragene Polyurethanharz- schicht übliche BeschichtungsSysteme aufgetragen werden können, die sich mit Polyurethanharzen vertragen. Beispiele hierfür sind nicht genannt. Es war aber bereits beobachtet worden, daß Materialien wie Alkydharze, Epoxyharze oder PVC-Harze ohne die Polyurethanharzschicht nicht auf den Spritzschichten aus Metall ausreichend haften.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von mit einer thermischen Spritzschicht aus Metallen, insbesondere aus Zink oder Zinklegierungen, beschichtetem Stahlbeton zur Verfügung zu stellen, wobei nach Möglichkeit auch die Haftfestigkeit der Spritzschicht auf dem Beton verbessert werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spritzschicht mit der Bewehrung des Stahlbetons elektrisch verschaltet wird und zusätzlich mit einem Polyurethanharz beschichtet wird, welches als niedrigviskose Lösung in organischen Lösungsmitteln aufgetragen wird.
Vorzugsweise wird die Polyurethanharzschicht so dünn aufgetragen, daß sich kein geschlossener Film bildet, sondern nur die Poren der Spritzschicht verschlossen werden.
Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn nach dem Aushärten des Polyurethanharzes zusätzlich eine Epoxyharzschicht aufgebracht wird. Diese Epoxyharzschicht wird so aufgetragen, daß sie nach dem Aushärten vorzugsweise eine Dicke von 200 bis 400 μm aufweist. Weiterhin gut geeignet sind Polyurethanschichten sowie Schichten aus Gemischen von Epoxyharzen und Polyurethanen.
Die Spritzschicht aus Zink oder Zinklegierungen auf dem Beton beträgt im allgemeinen 100 bis 400 μm, vorzugsweise 150 bis 300 μm. Derartige Spritzschichten weisen bei Haftfestigkeitsmessungen mittels Stirnabzug Werte zwischen 1,0 und 2,0 MPa auf. Nach dem Auftrag der Polyurethanharzschicht steigt die Haftung der Zinkschicht auf dem Beton überraschenderweise auf 2,5 bis 3,0 MPa. Wird nach dem Aushärten der Polyurethanschicht eine Epoxyharzschicht aufgetragen, werden nach deren Aushärtung Haftfestigkeiten zwischen 2,5 und 3,5 MPa gemessen.
Wesentlich für den Erfolg des Verfahrens ist, daß die erfindungsgemäß aufgetragene Schicht mit der Bewehrung des Stahlbetons elektrisch verschaltet wird. Dazu ist es nötig, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der MetalIbewehrung des Stahlbetons und der Oberfläche des Betons herzustellen. Dies ist eine Maßnahme, die man bisher nur zögernd durchgeführt hat, da Teile der Bewehrung, die nicht vom Zement bedeckt sind mit der. Außenwelt in Berührung kommen und eigentlich als Fehlstellen angesehen werden, an denen es besonders rasch zu einer Korrosion des Stahlbetons kommt. Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, die Schichten als Anoden zum aktiven kathodischen Korrosionsschutz zu verwenden unter Zuhilfenahme von Fremdstrom.
Ein weiterer nicht vorhersehbarer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch die Beschichtung mit Polyurethanharz nicht nur die Haftfestigkeit der Spritzschicht auf dem Beton verbessert wird, sondern auch die Lebensdauer der Spritzschicht. Die Eigenkorrosion der Zinkschicht bei feuchten Witterungsbedingungen wird stark herabgesetzt und somit die Lebensdauer der Spritzschicht erhöht. Korrosionsversuche im Salzsprühtest nach DIN 50121-SS haben gezeigt, daß eine 100 μm dicke Schicht nach 336 Stunden bereits zu 60% abgetragen wird. Nach dem Auftrag der Polyurethanharzschicht beträgt der Abtrag der Zinkspritzschicht nur noch 13%. Sofern zusätzlich eine Epoxidharzschicht aufgetragen wird, sinkt die Eigenkorrosion der Spritzschicht auf praktisch 0.
Vor dem Auftrag der Spritzschicht aus Metall muß beim erfindungsgemäßen Verfahren dafür gesorgt werden, daß der Stahlbeton zuvor gereinigt wird, gestrahlt wird, vorgewärmt wird auf 70° bis 90 °C und erst dann das Metall aufgespritzt wird. Dabei sind die Reinheit und die Rauheit der Oberfläche des Substrates von besonderer Bedeutung. Eine gewisse Scharfkantigkeit des Profils ist oftmals sogar notwendig, um die notwendige Haftfestigkeit zu gewährleisten. Auf die Vorwärmung kann nur dann verzichtet werden, wenn sichergestellt ist, daß die Betonoberfläche nicht mehr feucht ist. Andernfalls besitzt die Spritzschicht aus Zink nicht die ausreichende Haftfestigkeit.
Für die metallischen Spritzwerkstoffe können verschiedene Spritzverfahren angewendet werden, beispielsweise das Drahtflammspritzen oder das Drahtlichtbogenspritzen. Diese Verfahren unterscheiden sich vor allem durch verschiedene Prozeßtemperaturen und damit auch durch unterschiedliche Auftragswirkungsgrade. Die Haftfestigkeiten auf den Beton hängen nicht nur von der Oberflächenvorbehandlung ab, sondern auch von der Art des zu schützenden Betons. Die Spritzschichten sind je nach Dicke und Spritzart mehr oder weniger dicht. Um einen ausreichenden Korrosionsschutz zu gewährleisten, sollten die Dicken vorzugsweise im Bereich zwischen 150 und 300 μm liegen.
Versuche eine Epoxyschicht unmittelbar auf die Spritzschicht aufzubringen, haben zu völlig unbefriedigende Ergebnissen geführt, während bei zuvor vorgenommenem erfindungsgemäßen Auftrag einer Polyurethanschicht überraschend gute Ergebnisse beobachtet werden.
Eine eindeutige Erklärung dieser Ergebnisse gibt es bisher nicht, jedoch spricht einiges dafür, daß die Urethan-Gruppen in der Lage sind, beim Abbinden mit Hydroxyl -Gruppen zu reagieren, wobei nicht nur Reste von Feuchtigkeit gebunden werden, sondern auch feste Bindungen zwischen dem aufgespritzten Metall und dem Polyurethanharz entstehen. Erstaunlich ist auch, daß besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn nur so dünne Schichten aufgetragen werden, daß gerade die Poren des Spritzmetalls gefüllt sind, jedoch noch kein geschlossener Film gebildet wird. Die dünnen Schichten können beispielsweise aufgetragen werden durch Streichen, Rollen oder Sprühen, jedoch sollte ein meßbarer Schichtaufbau nicht stattfinden. Dennoch bewirkt bereits diese dünne Schicht eine starke Verminderung der Eigenkorrosion durch feuchte Witterungsbedingungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Haftfestigkeit der Metallschicht auf dem Beton.
Nach dem Aushärten dieses Urethanlacks kann eine weitere Verbesserung insbesondere durch Aufbringen einer Deckschicht aus Epoxydharz erzielt werden, wobei beispielsweise der Lack Amer- lock 400 GFR von der Firma Ameron, USA zu hervorragenden Ergebnissen geführt hat. Diese zusätzliche Epoxydharzschicht wird vor allem verwendet, wenn es sich um mechanisch stark belastete Flächen handelt. Gut geeignet sind aber auch Schichten aus Polyurethan oder Gemischen von Epoxyharzen und Polyurethanen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert:
Beispiel 1
Ein neues Bauwerk aus Stahlbeton wird mittels Druckluftstrahlen bis zum Säuberungsgrad Sa3 und einer mittleren Rauhtiefe Rz von 45 μm vorbereitet. Anschließend wird das so vorbereitete Werkstück von anhaftenden Verunreinigungen so gut wie möglich mittels Druckluft gesäubert, auf 70 bis 90 °C vorgewärmt und mit einer 150 bis 300 μm dicken Spritzschicht aus Zink versehen. Die vorgenommenen Haftfestigkeitsmessungen mittels Stirnabzug ergeben Werte zwischen 1,0 und 2,0 MPa. Anschließend wird die Spritzmetallschicht mit einer handelsüblichen, niedrigviskosen 1 K-PUR-Beschichtungslösung mittels Pinselauftrag so beschichtet, daß kein meßbarer Schichtaufbau stattfindet. Verwendet wurde der Polyurethanlack der Firma Steelpaint GmbH, Kitzingen.
Nach dem Trocknen- des Anstriches läßt sich feststellen, daß die Haftfestigkeit der Zinkschicht auf 2,5 bis 3,0 MPa angestiegen ist .
Nach der Aushärtung der Polyurethanschicht wurde ein Teil des Substrats zusätzlich mit einer Epoxydharzschicht überzogen. Verwendet wurde das Material Amerlock 400 GFA in Schichtstärken zwischen 200 und 400 μm. Nach dem Aushärten dieser zweiten Schicht betrug die Haftfestigkeit 2,5 bis 3,5 MPa.
Korrosionsversuche im Salzsprühtest nach DIN 50121-SS ergab, daß praktisch kein meßbarer Abtrag der Zinkschicht festzustellen war. Vergleichsversuche
Die gleiche Spritzschicht aus Zink wie im Beispiel 1 wurde unmittelbar mit dem Epoxydharz beschichtet. Die Haftfestigkeitsmessung mittels Stirnabzug bleibt bei 1,0 bis 2,0 MPa. Die Haftfestigkeit der Epoxydschicht auf der Zinkschicht war nicht beständig .
Beispiel 2
Renovierungsbedürftige Ankerbögen in einem Seehafen werden zunächst äußerlich vom korrodierten Beton befreit bis die Bewehrungseisen frei liegen. Sie werden so miteinander verschweißt, daß sie insgesamt elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Weiterhin werden elektrische Leitungen installiert und isoliert. Anschließend wird Reparaturmörtel in einer Stärke von bis zu 10 cm aufgetragen. Nach dem Abbinden wird auf diesen wie im Beispiel 1 eine 300 μm dicke Spritzschicht aus Zink aufgetragen und anschließend mit der niedrigviskosen PUR-Beschichtungslosung beschichtet, wobei jedoch dafür Sorge getragen wird, daß kein elektrisch leitender Kontakt zwischen den Bewehrungseisen und der Zinkschicht entsteht. Die so aufgetragene Zinkschicht wirkt als Opferanode. Durch die anschließende Beschichtung mit der PUR-Lösung erhöht sich die mechanische Stabilität der Beschichtung. Anschließend wird die Fläche wie im Beispiel 1 mit einer Epoxydharzschicht überzogen, die eine durchschnittliche Dicke von 400 μm aufweist. Es entsteht so eine gegen Seewasser und sonstige Korrosion hochbeständige Oberfläche, die einen langfristigen Schutz des Betons und der darin eingelagerten Bewehrungseisen gewährleistet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von mit einer thermischen Spritzschicht aus Metallen, insbesondere aus Zink oder Zinklegierungen, beschichtetem Stahlbeton, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzschicht mit der Bewehrung elektrisch verschaltet wird und zusätzlich mit einem Polyurethanharz beschichtet wird, welches als niedrigviskose Lösung in organischen Lösungsmitteln aufgetragen wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyurethanharzschicht so dünn aufgetragen wird, daß sich kein geschlossener Film bildet, sondern nur die Poren der Spritzschicht verschlossen werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aushärten des Polyurethanharzes zusätzlich eine Epoxyharzschicht, eine Polyurethanharzschicht oder eine Schicht aus einem Gemisch von Epoxyden und Polyurethanen aufgebracht wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Harzschicht so aufgetragen wird, daß sie nach dem Aushärten eine Dicke von 200 bis 400 μm aufweist.
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