Možnosti ochrany ocelových konstrukcí ve vnějším a agresivním prostředí žárovým zinkováním

Článek byl publikován v časopise Materiály pro stavbu 4/2016. Tato jeho verze byla autory doplněna a v některých místech mírně upřesněna.

Ochrana ocelových konstrukcí proti atmosférické korozi žárovým zinkováním patří mezi nejstarší formy protikorozní ochrany formou povlaků a její využití u nelegované (uhlíkové) oceli v běžných atmosférických podmínkách je jistě technicky oprávněné.

Jak ale ilustrují příklady některých konstrukcí, nedokáže povlak žárového (nebo galvanického) zinku vždy zajistit dlouhodobou životnost povlakovaných konstrukcí. Stejně jako ostatní ochranné povlaky, nelze ani žárové zinkování využívat paušálně, tzn. bez konkrétního návrhu a řádného posouzení, ve všech korozních podmínkách, jimž jsou za provozu konkrétní ocelové konstrukce vystaveny.

Za předčasné selhání ochranné funkce žárově zinkovaných ocelových konstrukcí mohou i chyby konstrukčního návrhu, spočívající např. ve vytváření nevhodných dutin v prvcích a spojích konstrukcí, absenci funkčních drenážních a větracích otvorů, nevhodné kombinaci materiálů apod. Tyto okolnosti mohou mj. vést k nežádoucí akumulaci kondenzátu či zatékající např. srážkové vody a vzniku elektrolytu přispívajícího k zamezení tvorby účinné pasivační vrstvy a/nebo stimulujícího korozní poškození povlaku štěrbinovým mechanismem. K hrubým konstrukčním chybám patří i spojovaní pozinkovaných částí s jinými, ušlechtilejšími kovovými materiály, za tvorby galvanických článků způsobujících urychlení koroze anodického kovu, tj. zinku. Velmi negativní je z tohoto pohledu vodivé spojení např. s mědí nebo např. s korozivzdornou ocelí.

Dalším nepominutelným fenoménem je samotná manipulace a doprava dílů konstrukcí a jejich montáž, neboť i v těchto fázích může při nesprávném postupu dojít k významnému poškození ochranné funkce provedené zinkové vrstvy.

Na několika aktuálních příkladech ilustrujeme neschopnost povlaku žárového zinku zajistit dostatečnou protikorozní ochranu oceli stavebních konstrukcí v důsledku nevhodného použití této protikorozní ochrany, konstrukčních i montážních chyb, ale v neposlední řadě i jejího použití v podmínkách s vyšší korozní agresivitou, než by bylo odpovídající.

Rádi bychom tímto příspěvkem napomohli věcnému zhodnocení limitů protikorozní ochrany oceli tímto způsobem. 

Ochranného působení zinkové vrstvy na oceli
Vlivem tvorby nerozpustných uhličitanů se povrch zinkové vrstvy velmi rychle pasivuje a koroduje pak dále již přijatelnou korozní rychlostí, zajišťující obvykle zcela dostatečnou životnost celé ocelové konstrukce. Oproti nelegované oceli vykazuje povlak žárového zinku vyšší odolnost vůči působení chloridových aniontů (kritická koncentrace chloridových aniontů pro zinek je vyšší než pro nelegovanou ocel). K nesporným výhodám patří i elektrochemická ochrana oceli (zinek funguje jako obětovaná anoda – v případě porušení povlaku v jeho celé tloušťce vlivem působení galvanického článku zamezuje korozi podkladové oceli).

Prodloužení životnosti žárově zinkovaných konstrukcí v atmosférických podmínkách souvisí s tvorbou dobře přilnavé pasivní vrstvy z uhličitanů (ZnCO₃), která zpomaluje vlastní korozní proces. V případech, kdy je povlakovaná konstrukce trvale vystavena prostředí s vysokou relativní vlhkostí nebo např. s výskytem kumulované kondenzace, vznikají podmínky, v nichž se účinná pasivační vrstva nevytvoří, a povlak žárového zinku tudíž nezajistí prodloužení životnost ocelové konstrukce.

Zinkový povlak není vhodné používat v prostředích vykazujících nízké pH (kyselé prostředí; např. kombinace tohoto povlaku s tmely obsahující kyselou složku) nebo naopak velmi vysoké pH (alkalické prostředí; např. výluhy z betonů), neboť s pozvolna klesajícím i rostoucím pH strmě roste korozní rychlost zinku exponovaného v takových prostředích.

Samotný povlak žárového zinku nemůže zajistit dlouhodobou protikorozní ochranu ocelovým konstrukcím v prostředích, kde dochází k akumulaci chloridových aniontů (např. z posypových solí, mořské vody).

V odborné literatuře [6–8, 10] jsou podrobně popsány naznačené procesy vycházející z tzv. nadkritické rychlosti vzduchu, při níž dochází na povrchu kovu ke vzniku dostatečně tlustého filmu elektrolytu ke spuštění korozních reakcí. Obvykle se uvádí, že taková situace nastává za běžné teploty +20 °C při relativní vlhkosti vzduchu 60–80 %, kdy už korozní rychlost není pro většinu technických aplikací kovů zanedbatelná, tj. vyšší než 1 µm/rok [10].

Dalším významným parametrem je tzv. doba ovlhčení, tedy doba, po kterou je elektrolyt s kovem v kontaktu. V našich klimatických podmínkách tato doba běžně dosahuje jedné třetiny až poloviny roku, což je významné nejen z hlediska celkové doby působení, ale i proměnlivosti korozních podmínek se střídáním sušších a vlhčích period, které jsou hnací silou transportních procesů reakčních látek i jejich produktů, čímž přispívají k aktivnímu průběhu koroze, a omezují tak dočasně příznivý vliv vrstev korozních zplodin ve fázi přechodného snížení korozního potenciálu. Doba ovlhčení je významně ovlivněna i tvarem konstrukce, tedy zejména existencí míst, kde voda z povrchu volně nestéká, může se shromažďovat a zdržovat (např. obr. 2, 3).

Korozní agresivitu atmosféry ovlivňuje přítomnost řady plynných látek, z nichž nejvýznamnější stimulátor koroze kovů je oxid siřičitý, oxidovaný dále na agresivní sírany a dále pak chloridové anionty. Odborná literatura [6–8, 10] uvádí, že nejvyšší agresivity dosahuje atmosférický elektrolyt vznikající při mlze. Ve vzduchu se vyskytují i dalším plyny, jako např. CO₂, který při rozpouštění ve vodě může vytvářet (dle množství a charakteru srážek) agresivní kyselý roztok, vyskytuje se v něm prach, jehož částice mohou přispívat jako kondenzační jádra k snazšímu vzniku kondenzace, vyskytují se zde i částice solí, které mohou být hygroskopické, vodivé částice jako uhlík či oxidy železa atp., bez vlivu nezůstávají ani biologické činitele. V interiérech se mohou podle charakteru provozu objevovat další agresivní látky jako čpavek (amoniak), sirovodík (sulfan), organické kyseliny, aldehydy, jejichž atmosférickou oxidací vznikají organické kyseliny apod.

Redukce kyslíku, která je základní katodickou reakcí atmosférické koroze kovů na povrchu železa, vzniká vrstva hydratovaných oxidů železa, která nemá významnější ochrannou schopnost, a naopak se stává nežádoucí formou znehodnocení konstrukcí.

Relevantní odborné prameny [6–8, 10] uvádějí, že v případě mědi, zinku a olova se sírany nebo chloridy z atmosféry přemění na vrstvu tuhých korozních produktů (bazické sírany nebo chloridy), které mají ochranné účinky a navíc nemohou anionty opakovaně vstupovat do korozního mechanismu aktivního rozpouštění a tak stimulovat rozpouštění jako u železa.

Základní způsoby využití zinku jako ochranné vrstvy
Zinek se pro ochranu povrchu oceli proti korozi, zejména nízkolegované, používá přesto, že je méně ušlechtilý než většina dalších kovů. Vytváří poměrně odolné povlaky anodického typu, což s sebou mj. nese při kontaktu s dalšími kovy riziko vzniku elektrochemické koroze, jejíž intenzita závisí na podmínkách daného prostředí, zejména hodnotě pH.

K vytvoření vrstvy zinku je možno použít řadu zavedených technologických postupů, jako např. žárové zinkování ponorem do taveniny, nástřik (tzv. metalizaci), termodifuzní postup (sherardování) nebo galvanické zinkování. Využívána je i možnost přídavku zinku (kovových částic – pigmentu) do nátěrových hmot, kde jeho obsah může dosahovat až nad 90 % objemu. V současné době je nejčastěji preferovaným postupem žárové zinkování ponorem konstrukcí, u něhož jsou jako přednosti převážně uváděny nízká cena, dlouhá životnost, pevnost výsledného povlaku a jeho celistvost v ploše.

Povrchová úprava oceli žárovým zinkováním
Při žárovém povlakování ponorem do taveniny zinku (450–470 °C) narůstá na zinkovaných součástech slitinový železo-zinkový povlak, který je výsledkem poměrně složitého procesu vzájemné difuze atomů obou kovů za vniku elementárních intermetalických vazeb a následných fázových přeměn. Tyto děje probíhají jednak v povrchové vrstvě zinkovaného kovu, dále na rozhraní mezi povrchem kovu a taveninou zinku a konečně i v samotné tavenině v blízkosti zinkované součásti. V závislosti na složení oceli, teplotě a složení lázně, tloušťky stěny zinkované součásti, době prodlení v lázni, stavu povrchu a způsobu a rychlosti chlazení vzniká povlak složených z různých intermetalických sloučenin Fe-Zn. Vzhled typického povlaku žárového zinku vyloučeného na oceli zobrazuje obr. 4 [7, 8], jeho příčný řez na obr. 5. 

Vrstvy složené z těchto sloučenin mají rozdílné složení a tloušťku. Obsah železa v nich obsažených roste směrem k ocelovému podkladu. Značí se obvykle písmeny řecké abecedy, tj. gamma (Γ), gamma₁ (Γ₁), delta (δ), zeta (ζ), případně eta (η). Jednotlivé fáze se významně liší nejen složením a morfologií zrna, ale i mechanickými vlastnostmi [8].

Nejsvrchnější vrstva, tzv. η-fáze, je složena z prakticky čistého zinku a vzniká prostým ztuhnutím taveniny zinku. Z metalurgického hlediska je ovšem tato fáze definována jako tuhý substituční roztok železa v zinku (obsah železa je přibližně 0,03 hm. %). Přestože povlak žárového zinku do jisté míry kopíruje lokální nerovnosti povlakované oceli, na jeho celkovou drsnost má vliv především nerovnosti vzniklé ztuhnutím η-fáze. Zinek krystaluje v soustavě šesterečné (hcp) a vyznačuje se relativně vysokou houževnatostí za běžných teplot a nízkou tvrdostí.

Intermetalickou fázi zeta (ζ) lze stechiometricky sumárně definovat jako FeZn_13. Obsah železa v této fázi je přibližně 5–6,2 hm. %. V povlaku žárového zinku krystaluje v bazálně centrované jednoklonné soustavě.

V případě delta (δ) fáze je diskutována existence dvou odlišných krystalových struktur označených jako δ_1k (případně δ) a δ_1p (případně δ₁), kterým odpovídají krystalové struktury FeZn₇ (δ_1k), respektive FeZn₁₀ (δ_1p) (nebo také Fe₁₃Zn₁₂₆). Novější práce podporují existenci obou odlišných fází delta. Obě výše zmíněné intermetalické sloučeniny tvoří hexagonální krystalovou strukturu. Obsah železa v těchto fázích je přibližně 7–11,5 hm. %.

Nejspodnější vrstvu tvoří seskupení fází gamma (Γ₁ + Γ), obsah železa v těchto fázích je přibližně 23,5–28 hm. %. Fáze Γ₁ (např. Fe₅Zn₂₁) krystaluje v soustavě kubické plošně centrované (fcc) a fáze Γ (Fe₃Zn₁₀) krystaluje v soustavě kubické prostorově centrované (bcc).

Výskyt jednotlivých fází v povlaku je zobrazen na obr. 6. [7, 8, 9]. 

Normové podklady a požadavky
Tak jako v jiných oblastech, ani na poli ochrany proti korozi není pokryta dokonale celá problematika, nicméně platí řada technických norem, které jsou významnou oporou a vodítkem při hledání správných postupů. Základem pro orientaci v normalizaci protikorozní ochrany může být dále uvedený soubor platných norem.

Pro kontrolu a údržbu ocelových konstrukcí platí norma ČSN 73 2604 [1], která věcně postihuje dotčenou problematiku a doplňuje ustanovení ČSN EN 1090-1 a ČSN EN 1090-2 +A1. Tato norma uvádí požadavky na projektovou a provozní dokumentaci, stanovuje kvalifikační předpoklad osob, které kontrolu údržbu a opravy provádějí. Nevztahuje se na mostní konstrukce, které jsou z tohoto hlediska řešeny ČSN 73 2603. 

Korozní problematiku kovů a jejich slitin s ohledem na stanovení korozní agresivity prostředí atmosfér úzce popisuje norma ČSN EN ISO 9223 [1]. Na základě rozboru působícího prostředí jsou stanovovány stupně korozní agresivity prostředí v rozmezí C1–CX, tj. od nízkého až po extrémní. Na takto stanovené prostředí je pak nutno konstrukce opatřit vhodným antikorozním povlakovým systémem.

Protikorozní ochranu ocelových a litinových konstrukcí s ohledem na povlaky žárového zinku úzce specifikuje norma ČSN EN ISO 14713 [4].

Norma ČSN EN ISO 12944-5 [2] přesně definuje vhodné složení, skladbu a tloušťku organických povlaků s ohledem na poskytovanou protikorozní ochranu v předem definovaných stupních korozní agresivity prostředí ve vazbě na ČSN EN ISO 12944-2 [3].

Závěr
U konstrukcí pozemních staveb je předpokládána návrhová životnost padesát a u některých inženýrských konstrukcí, např. mostů, to může být i sto let. Je zřejmé, že k naplnění tohoto předpokladu je nutno běžnou ocel ve vnějším nebo agresivním prostředí proti korozi chránit. Vzhledem k omezené životnosti systémů protikorozní ochrany oceli, která dosahuje i v těch nejlepších případech pouze zlomku předpokládané životnosti konstrukce, je nutno počítat s opakovanou obnovou protikorozní ochrany, popř. výměnou některých částí.

Funkční princip ochrany oceli proti korozi zinkováním spočívá ve vytvoření obětované vrstvy, která je v průběhu času degradována a spotřebovávána, čímž se oddaluje okamžik korozního napadení samotné oceli. Funkčnost této vrstvy tedy přímo závisí na její tloušťce, rovnoměrnosti nanesení a podmínkách prostředí, ve kterých se chráněná konstrukce nachází.

Zásadním hodnoticím parametrem se v této souvislosti jeví korozní rychlost [10]. Je známo, že stabilita tuhých korozních produktů na povrchu zinku je nižší než např. u mědi nebo hliníku. Pro území ČR je zpracována korozní mapa pro zinek [11] – viz obr. 7. Obvyklé korozní rychlosti zinku na území ČR s ohledem na atmosférickou korozi jsou 1,5–2 μm/rok. Ovšem lokálně lze zaznamenat i vyšší hodnoty.

Pozinkování přináší i určitá technologická omezení ve výrobě ocelových konstrukcí, která spočívají např. v nutnosti chránit povlak před mechanickým poškozením (obr. 8), nebo omezení možnosti svařování, při kterém by se zinková ochranná vrstva spálila, popř. nutnost dodatečných oprav (metalizace apod.). Nerovnoměrný rozvoj koroze komplikuje situaci např. při výměnách poškozených částí konstrukcí (např. obr. 9), problémem může být z korozního hlediska i odlišná odolnost používaných spojovacích prvků (např. obr. 10), polozavřených dutin ve spojích a stycích konstrukčních dílů, kde se může kumulovat vlhkost a zdržovat voda.

Jak je patrné z požadavků platných norem pro ochranu ocelových konstrukcí proti korozi, v řadě případů není pouhé pozinkování dostatečným řešením a pro dosažení přijatelné účinnosti (délky doby ochrany) je nutno jej kombinovat s organickými povlaky.

Slabinou každé nátěrové protikorozní ochrany je nutnost její poměrně časté obnovy a předchozí aplikace zinkové vrstvy poskytuje jen velice krátkodobou ochranu při lokálním např. mechanickém poškození ochranného nátěrového systému.

Je pak tedy na zvážení hospodárnosti řešení protikorozní ochrany, zda zinkovat nebo použít pouze nátěrovou ochranu s nejméně srovnatelnou účinností a životností. Častou příčinou selhání protikorozní ochrany povlaky je zejména u nátěrů jejich nanášení na špatně připravený (předupravený) podklad.

Článek vznikl za podpory Grantové agentury České republiky č. GBP105/12/G059.
VÍTĚZSLAV VACEK, PETR POKORNÝ
foto archiv autorů

Literatura:
1) ČSN EN ISO 9223 – Koroze kovů a slitin – Korozní agresivita atmosfér – Klasifikace, stanovení a odhad.
2) ČSN EN ISO 12944 – 5 Nátěrové hmoty – Protikorozní ochrana ocelových konstrukcí ochrannými nátěrovými systémy – Část 5: Ochranné nátěrové systémy.
3) ČSN EN ISO 12994-2: Nátěrové hmoty – protikorozní ochrana ocelových konstrukcí ochrannými nátěrovými systémy – Část 2: Klasifikace vnějších prostředí.
4) ČSN EN ISO 14713 – 1 Zinkové povlaky – Směrnice a doporučení pro ochranu ocelových a litinových konstrukcí proti korozi – Část 1: Všeobecné zásady pro navrhování a odolnost proti korozi.
5) ČSN 73 2604 Ocelové konstrukce – Kontrola a údržba ocelových konstrukcí pozemních a inženýrských staveb
6) R. Bartoníček a kol. Koroze a protikorozní ochrana kovů, Academia – nakladatelství Československé akademie věd, Praha 1966.
7) MARDER, A. R. The metallurgy of zinc – coated steel, Progress in Materials Science 2000, 45, 191–271.
8) KUKLÍK, V. a J. KUDLÁČEK. Žárové zinkování, 1. ed., AČSZ, Praha, 2014.
9) POKORNÝ, P. a kol. Description of structure of Fe-Zn intermetallic compounds present in hot-dip galvanized coatings on steel, Metalurgija 54 (4), 707–710. 
10) NOVÁK, P., J. BYSTRIANSKÝ a T. PROŠEK. Korozní inženýrství [online]. 1.0.2 001 [cit. 2012-03-01]. Dostupné na: ttp://www.vscht.cz/met/stranky/vyuka/labcv/korozni_inzenyrstvi_se/index.htm.
11) www.korozni-mapy.cz.
12) POKORNÝ, P., D. DOBIÁŠ, V. VACEK, M. KOUŘIL a V. KYTKA. Posouzení účinnosti intermetalického povlaku Fe-Zn na ocelových prvcích s potenciální aplikací do betonu, Beton TKS, 2015, č. 5, s. 47–49. ISSN 1213-3116.

Ing. Vítězslav Vacek, CSc, (*1963)
absolvoval FSv ČVUT Praha, obor pozemní stavby (1988). Pracuje v Kloknerově ústavu ČVUT v oddělení stavebních materiálů, kde se zabývá vývojem a zkoušením stavebních materiálů, diagnostikou a poruchami staveb.

Ing. Petr Pokorný (*1985)
absolvoval VŠCHT Praha (2010), Ústav anorganické technologie, obor technická elektrochemie II. Pracuje v Kloknerově ústavu ČVUT v oddělení stavebních materiálů, kde se zabývá vývojem a zkoušením stavebních materiálů a jejich chemickými analýzami.