ЭПОКСИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, РАЗБАВЛЯЕМЫЕ ВОДОЙ, ДЛЯ АНТИКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Ильин А.Б.¹, Щелков В.А.², Рабинков В.А.³, Головин В.А.⁴

¹ Кандидат технических наук,

² Кандидат технических наук,

^1,2 Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, Москва, Россия;

³ Кандидат технических наук,

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Москва, Россия;

⁴ Доктор технических наук,

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, Москва, Россия

ЭПОКСИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, РАЗБАВЛЯЕМЫЕ ВОДОЙ, ДЛЯ АНТИКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Аннотация

Новое поколение экологическим чистых защитных водоразбавляемых эпоксидных покрытий обладает сочетанием значительных преимуществ перед традиционными воднодисперсионными композициями. Многолетнее применение в промышленных условиях и расширенные климатические испытания в умеренно–холодном, морском и тропическом климате показали, что водоразбавляемые эпоксидные грунтовки и эмали  устойчивы к промерзанию при минус 40 С, не содержат в своём составе летучих компонентов с резким химическим запахом, выдерживают воздействию сезонных колебаниях температур, ультрафиолета и сохраняют декоративные свойства в допустимом колористическом интервале.

Ключевые слова: защита от коррозии, водоразбавляемый грунт, водоразбавляемая эмаль,  эпоксидные материалы, строительные конструкции, агрессивная атмосфера.

Ilyin A.B.¹, Shchelkov V.A.², Ryabinkov V.A.³, Golovin V.A.⁴

¹ PhD in Engineering,

² PhD in Engineering,

^1,2 Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia;

³ PhD in Engineering,

Moscow State University of Civil Engineering, Moscow, Russia;

⁴ PhD in Engineering,

Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

EPOXY MATERIALS DILUTED BY WATER FOR ANTI-CORROSION PROTECTION OF CONSTRUCTION STRUCTURES IN ADVERSE CLIMATIC CONDITIONS

Abstract

A new generation of environmentally friendly protective waterborne epoxy coatings has a combination of significant advantages over traditional water-dispersible compositions. Long-term use in industrial conditions and extended climatic tests in the temperate cold, marine and tropical climates have shown that waterborne epoxy couches and enamels are resistant to freezing at – 40°C, do not contain volatile components with a sharp chemical odor, temperatures, ultraviolet and retain decorative properties in an acceptable color range.

Keywords: corrosion protection, waterborne couch, waterborne enamel, epoxy materials, building structures, aggressive atmosphere.

При антикоррозионной защите конструкций мостов и эстакад, подземных сооружений, морских причалов, береговых сооружений и других объектов, подвергающихся воздействию агрессивной атмосферы, все более широко применяются вододисперсионные грунтовки, лаки, эмали, краски на основе акрилатных, бутадиенстирольных, поливинилацетатных, уралкидных полимеров, латексно–эпоксидных композиций и ряде других связующих [1, С. 31–34], [2, С. 32–35], [3].

Однако, из–за сложного состава рецептур и большого числа добавок, что необходимо для решения задачи уменьшения выбросов в атмосферу легколетучих органических соединений, вододисперсионные материалы как правило, на 5-10 % дороже органоразбавляемых аналогов. Кроме того вододисперсионные лакокрасочные материалы имеют недостаточную морозостойкость, в ряде случаев имеют резкий запах аммиака и узкий температурный режим сушки [4], [5, C. 512], [6].

В отличие от вододисперсионных материалов водоразбавляемые композиции, и в частности эпоксидные, обладают сочетанием значительных преимуществ, включающих экологическую чистоту, возможность нанесения по влажной, плохо подготовленной поверхности, в том числе по старым краскам и грунтовкам, в условиях дождя или тумана, в жилых массивах, подземных паркингах или замкнутых объёмах; длительный срок службы в процессе эксплуатации; снижение цены по сравнению с материалами предыдущих лет. Уникальным рецептурным преимуществом водоразбавляемых композиций является возможность введения в их состав без нарушения устойчивости системы активных протекторных добавок и микрокапсулированных ингибиторов коррозии и способ их нанесения [7], [8].

Целью пятилетних испытаний защитных покрытий на основе водоразбавляемых эпоксидных материалов было определение долговечности и прогнозирование срока службы в условиях воздействия пресной и солёной воды при температурах 25, 50, 80 С на поверхность окрашенных бетонных, железобетонных и стальных сооружений.

В качестве объектов исследования использовались импортная цинк–протекторная грунтовка Steelpaint–PU–Zink, водоразбавляемая эпоксидная цинк–протекторная грунтовка МЕТАКОР–017 (ТУ 2312–040–11490792–09), водоразбавляемая эпоксидная эмаль РОКОР–5095 (ТУ 2312–042–11490792–09).

Методики испытаний включали исследование комплексного воздействия климатических факторов по ГОСТ 9.401–91, в том числе, определение адгезии методом решётчатых надрезов ГОСТ 15140–78 и методом нормального отрыва ГОСТ 32299–2013 (ISO 4624:2002); кинетику изменения цвета эмали с помощью ручного колориметра по системе NCS [9].

Особенностью проведения антикоррозионной защиты поверхности длительно эксплуатируемых бетонных сооружений является высокая влажность поверхности бетона.

В реальных условиях даже после полного осушения и тщательной струйной очистки с последующей продувкой практически невозможно обеспечить требования нормативной документации о максимальной  влажности поверхности бетона не более 3% [10]. Поэтому одним из требований при проведении испытаний являлось нанесение водоразбавляемых эпоксидных покрытий на увлажнённый бетон с равновесной влажностью после контакта с водой.

Нанесение по влажной поверхности бетонных элементов

Бетонные кубики размером 40х40х40 мм после полного схватывания бетона (сушка в течении 28 суток) погружались в воду при 25 С и выдерживались в течение 11 суток до установления постоянной влажности более 6%.

Сразу после извлечения из воды по влажной поверхности нанесена водоразбавляемая эмаль в 1 слой толщиной 50-60 мкм. Отверждение покрытия осуществлялось при 25 С в течение 10 суток. Цвет эмали – серый, по системе NCS цвет S3502–Y. После маркировки образцы помещены в агрессивные среды и экспонировались в соответствии с таблицей 1.

 

Таблица 1 – Результаты 5–ти летнего воздействия агрессивных сред на водоразбавляемую эпоксидную эмаль РОКОР–5095 нанесённую по влажному бетону

Примечание: БЗ — без замечаний; ЛС — локальное сморщивание до 15 кв.мм.

После 33 суток экспозиции в воде при 50 С на один образец в углу грани нанесён искусственный дефект, клиновидный вырез с волосяной трещиной (фото 1). Дальнейшая экспозиция проводилась с регистрацией состояния покрытия, в том числе, в зоне дефекта.

Промежуточные результаты для первых трёх лет (1224 суток) экспонирования образцов при + 25/50 С представлены в Таблице № 1.

Дальнейшая 2–ух летняя экспозиция образцов 2, 3, 4 проводилась при температуре + 80 С в течение 626 суток (общее время экспозиции 1850 суток); результаты представлены в Таблице № 1.

За почти 5 лет испытаний все образцы во всех средах, в том числе в зоне искусственного дефекта, сохранили сплошность покрытия, вспучивания, отслоения, растрескивания не наблюдается.

В зоне искусственного дефекта покрытие не отслоилось от поверхности бетона, волосяные трещины не раскрылись и не увеличились в размерах (Рис. 1). Также нет разрушений плёнки в местах маркировки номеров покрытия по поверхности резцом, в частности, цифра 5 на образце 1 % NaCl (Рис. 2a) и цифра 6 на образце 3 % NaCl (Рис. 3b).

Изменение цвета при агрессивном воздействии среды происходит только при повышенной температуре. Для воды при 25 С изменения яркости и цветности поверхности не наблюдаются. В остальных агрессивных средах при +50/80 С сохранность компонентов цвет убывает в ряду «красный R» > «зелёный G» > «синий B» (Таблица № 1), что соответствует появлению пожелтения на исходном сером фоне. Влияние концентрации NaCl на изменение спектральных компонент цвета покрытия выражено слабо; изменение цветности покрытия в большей степени определяется температурой воды. Таким образом, в нормальных условиях эксплуатации заданный цвет эмали не выходит за пределы допускаемого колористического интервала.

 

Рис. 1 – Состояние искусственного дефекта покрытия через 229 суток (2011 г.), через 1191 сутки (2014 г.) и через 1850 сутки (2016 г.)

Рис. 2 – Изменение цвета поверхности после воздействия агрессивных сред при +25 и +50 С в течение 1224 суток

A – 1% NaCl, 50 C; B – 3% NaCl, 50 C; C – H₂O, +25 C; D – H₂O, +50 C

Рис. 3 – Изменение цвета поверхности после воздействия агрессивных сред при +25/50/80 С в течение 1850 суток

A – 1% NaCl, +50/80 C; B – 3% NaCl, +50/80 C; C – H₂O, +25 C; D – H₂O, +50/80 C

 

На основании результатов ускоренных лабораторных исследований расчётный срок службы водоразбавляемой эпоксидной эмали нанесённой по влажному бетону при постоянном погружении в агрессивные среды составляет 10 лет.

Нанесение по влажной поверхности загрунтованных ж/б и стальных конструкций (свежая грунтовка)

В октябре 2011 году в неблагоприятных атмосферных условиях ранней осени (температура 4,5 … 7,5 С; влажность 84 … 88%; потёки воды на защищаемой поверхности) нанесено комплексное покрытие на основе водоразбавляемой цинк–протекторной грунтовки МЕТАКОР–017 и водоразбавляемой эмали РОКОР–5095 на железобетонные конструкции и металлоконструкции Измайловской эстакады Московского метрополитена (Рис. 4a,b). Обследование через 5 лет показало, что цвет и глянец покрытия сохранён; отсутствуют вздутия или отслоения слоя покрытия; водоразбавляемая система грунт/эмаль работоспособна в условиях воздействия ультрафиолета и сезонных колебаний температур. Эксплуатация продолжается.

Нанесение по влажной поверхности загрунтованных стальных конструкций (старая грунтовка и краска, более 15 лет)

В июле 2012 года проведена окраска железнодорожного моста через реку Мста в Тверской области системой покрытия МЕТАКОР–017/РОКОР–5095 (Рис. 4c,d). Старая окраска (грунт – «сурик», краска – «серебрянка») удалялись абразивоструйной очисткой, и по подготовленной поверхности наносилась система  МЕТАКОР–017/РОКОР–5095. В местах прочного сцепления грунтовки с поверхностью наносилась только водоразбавляемая эмаль РОКОР–5095. Старая межоперационная грунтовка «сурик» эксплуатировалась в составе покрытия более 15 лет. В настоящее время участки покрытия МЕТАКОР/РОКОР и «сурик»/РОКОР эксплуатируется без замечаний.

Нанесение по влажной поверхности загрунтованных стальных конструкций (межоперационная грунтовка, 2,5 года)

В мае–августе 2011 года в условия жаркого дождливого лета (температура до +35 С; влажность до 100% в условиях дождя; сильный ветер) выполнено нанесение покрытия на основе водоразбавляемой эмали РОКОР–5095 (проектные цвета S2020–B10G, S3030–B, S4005–R80B) на автодорожный моста через реку Сура в г. Пенза (Рис. 4e,f). Нанесение эмали осуществлялось по ранее нанесённой межоперационной заводской грунтовке Steelpaint–PU–Zink конструкций моста; загрунтованные элементы конструкций до окраски хранились на открытой площадке более 2,5 лет. Перед нанесением эмали поверхность грунтовки очищалась гидропромывкой при давлении 100 атм. Нанесение осуществлялось по влажной грунтовке.

Обследование после 5 лет показало, что цвет и глянец покрытия сохранён; отсутствуют вздутия или отслоения слоя покрытия; водоразбавляемая эмаль работоспособна в условиях воздействия ультрафиолета и сезонных колебаний температур. Определение адгезионной прочности по методу решётчатого надреза и по методу нормального отрыва демонстрирует высокий уровень адгезии водоразбавляемой эмали к межоперационной заводской грунтовке, составляющий более 6 МПа. Эксплуатация системы покрытия продолжается.

Рис. 4 – Промышленное применение водоразбавляемой системы грунт/эмаль  на эстакадах, автомобильных и железнодорожных мостах 2011–2017 г.г.

A, B – Эстакада метрополитена; C, D – Железнодорожный мост; E,F – Автомобильный мост

 

В Совместном Российско–Вьетнамском Тропическом научно–исследовательском и технологическом центре,  г. Ханой, проведены 8 месячные натурные испытания в условиях влажного тропического климата (Табл. 2) системы покрытий включающей водоразбавляемые Zn–протекторный грунт МЕТАКОР–017 и Al/Zn–протекторный грунт МЕТАКОР–057 и водоразбавляемую эмаль РОКОР–5095.

 

Таблица 2 – Климатические характеристики КИС

Характеристики климата	Параметры
Среднегодовая температура воздуха, 0С	24,4
Среднегодовая относительная влажность воздуха, %	80,6
Среднегодовое количество осадков, мм/год	1726
Среднегодовая суммарная солнечная радиация, MJ/кв. м	4028

 

Обследование показало [11, C. 41–43], что степень коррозионных поражений – «нет». Отсутствие коррозионных поражений образцов свидетельствует об эффективности технологии подготовки поверхности к покраске с применением в качестве грунта водорастворимых систем. Для эффективной защиты достаточного 1 слоя эмали. Натурные испытания образцов продолжаются и предварительно можно оценить срок службы покрытия МЕТАКОР/РОКОР в тропических условиях в соответствие с нормами NACE (длительность испытаний  должна составлять не менее 10% расчётного срока службы) величиной 80 месяцев (более 6 лет).

Во всех случаях применения водоразбавляемой Zn–протекторной грунтовки МЕТАКОР–017 и  водоразбавляемой эмали РОКОР–5095 точка росы не контролировалась и не лимитировалась; регулирование вязкости композиций в интервале температур +4 … +35 С осуществлялось разбавлением водой; очистка поверхности перед окраской выполнялась струёй воды. В связи с отсутствием резкого химического запаха и отсутствием пожароопасных органических растворителей окраска осуществлялась на работающих объектах без перекрытия движения транспорта и пешеходов и в условиях плотной жилой застройки.

При исследовании в ОАО «НИИ ЛКП» комплексного воздействие климатических факторов открытой промышленной атмосферы умеренного и холодного климата УХЛ1 по ГОСТ 9.401–91 метод 6 определён срок службы системы покрытия МЕТАКОР–017/РОКОР–5095 для стальных подложек не менее 22 лет.

По результатам проведённых лабораторных и натурных испытаний можно сделать следующие выводы:

1. Водоразбавляемые материалы обеспечивает оптимальное сочетание экологических, санитарно–эпидемиологических и пожарных требований.
2. Водоразбавляемые эмали, нанесённые самостоятельно по влажному бетону; по влажной межоперационной грунтовке; по сухой межоперационной грунтовке; по водоразбавляемой эпоксидной грунтовке обладает необходимой долговременной сохранностью адгезионной связи, как с бетонной, так и со стальной подложкой.
3. Водоразбавляемые эмали устойчивы к воздействию пресной и морской воды, в том числе в зоне механических повреждений.
4. Водоразбавляемые эмали устойчивы к воздействию агрессивной атмосферы при сезонных колебаниях температур и воздействии ультрафиолета и сохраняет декоративные свойства в допустимом колористическом интервале.

Список литературы / References

1. Курдюкова И.Б. Современные связующие для водоразбавляемых ЛКМ / Курдюкова И.Б., Павлов Е.А. // Лакокрасочные материалы и их применение. – – № 6. – С. 31–34
2. Курдюкова И.Б. Современные водные ЛКМ для антикоррозионной защиты / Курдюкова И.Б. // Лакокрасочная промышленность. – – № 3. – С. 32–35
3. Пат. 2547481 Российская Федерация, МПК C 03 C 25/24. Композиция водного связующего для минеральных волокон / Хансен Эрлинг Леннарт (DK), заявитель и патентообладатель РОКВУЛ ИНТЕРНЭШНЛ А/С (DK) – № 2011142142/05; заявл. 03.2010; опубл. 10.04.2015 Бюл. № 10.
4. Брок Т. Европейское руководство по лакокрасочным материалам и покрытиям / Т/ Брок, М. Гротэклаус, П. Мишке // – Москва : Пэйнт–Медиа, – 2013. – 276 C.
5. Ламбурна Р. Лакокрасочные материалы и покрытия. Теория и практика / Ламбурна Р. // СПб.: Химия. – 1987. – C. 512
6. Толмачев И.А. Водно–дисперсионные краски: краткое руководство для инженера–технолога / И. А. Толмачев, Н. А. Петренко // – Москва : – Пэйнт–Медиа, – 2010. – 105 C.
7. Пат. 2358036 Российская Федерация, МПК C 23 F 11/00, C 09 D 5/08. Способ защиты от коррозии металлических поверхностей ингибированными полимерными композициями и микрокапсулы с ингибитором коррозии / Головин В. А., Ильин А. Б., Кузнец В. Т. и др., заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно–производственное объединение РОКОР" – № 2007148024/02; заявл. 25.12.2007; опубл. 10.06.2009, Бюл. № 16.
8. Пат. 2 186 633 Российская Федерация, МПК B 05 C 7/06. Способ защиты от коррозии и отложений накипи и восстановления трубок теплообменного оборудования и устройство для осуществления этого способа / Головин В. А., Кузнец В. Т., Кублицкий К.В. и др., заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно–производственное объединение РОКОР" – № 2001121975/12; заявл. 07.08.2001; опубл. 10.08.2002 Бюл. №
9. Цветовые стандарты и их использование в колеровочной системе «Palizh–980» / ООО «Новый дом», г. Ижевск // Лакокрасочная промышленность, – Май 2013.
10. Сафрончик В.И. Защита от коррозии строительных конструкций и технологического оборудования / Сафрончик В.И. // Ленинград. Стройиздат. – 1988.  – 255 C.
11. Ивонин В.Н. О коррозионной стойкости оксидированной низкоуглеродистой стали во влажном тропическом климате / Ивонин В.Н., Кузнецов Ю.И., Вершок Д.Б. и др. // Коррозия: материалы, защита, – 2008. – №  – C. 41–43

Список литературы на английском языке /References in English

1. Kurdyukova I. B. Sovremennye svjazujushhie dlja vodorazbavljaemyh LKM. [Modern binders for water–borne paints]. / Kurdyukova I. B., Pavlov E. A. // Lakokrasochnye materialy i ih primenenie [Paint and varnish materials and their application] – 2013. – № 6. – P. 31–34 [in Russian]
2. Kurdyukova I.B. Sovremennye vodnye LKM dlja antikorrozionnoj zashhity. [Modern water paint for anticorrosive protection] / Kurdyukova I.B. // Lakokrasochnaja promyshlennost' [Paint and varnish industry]. – 2014. – № 3. – P. 32–35 [in Russian]
3. 2547481 Russian Federation, IPC C 03 C 25/24. Kompozicija vodnogo svjazujushhego dlja mineral'nyh volokon [Composition of an aqueous binder for mineral fibers] / Hansen Erling Lennart (DK), the applicant and the patent holder of ROCKUAL INTERNATIONAL A / S (DK) – No. 2011142142/05; appl. 19.03.2010; publ. 10.04.2015 Bul. № 10.
4. Brok T. Evropejskoe rukovodstvo po lakokrasochnym materialam i pokrytijam [European guidelines for paintwork materials and coatings] / T. Brok, M. Grotjeklaus, P. Mishke // M.: – Paint–Media. – 2013. – 276 P. [in Russian]
5. Lamburna R. Lakokrasochnye materialy i pokrytija. Teorija i praktika. [Paints and coatings. Theory and practice] / Lamburna R. // SPb.: Chemistry. – 1987. – P. 512 [in Russian]
6. Tolmachev I.A. Vodno–dispersionnye kraski: kratkoe rukovodstvo dlja inzhenera–tehnologa [Water–dispersion paints: a short guide for a process engineer] / I. A. Tolmachev, N. A. Petrenko // – M.: Painter Media, – 2010. – 105 P. [in Russian]
7. 2358036 Russian Federation, MPK C 23 F 11/00, C 09 D 5/08. Sposob zashhity ot korrozii metallicheskih poverhnostej ingibirovannymi polimernymi kompozicijami i mikrokapsuly s ingibitorom korrozii [The method of corrosion protection of metal surfaces with inhibited polymer compositions and microcapsules with a corrosion inhibitor] / Golovin V. A., Il'in A. B., Kuznec V. T. and others, the applicant and the patent holder of Limited Liability Company "Scientific and Production Association ROCOR" – № 2007148024/02; appl. 25.12.2007; publ. 10.06.2009, Bul. № 16. [in Russian]
8. 2 186 633 Russian Federation, MPK B 05 C 7/06. Sposob zashhity ot korrozii i otlozhenij nakipi i vosstanovlenija trubok teploobmennogo oborudovanija i ustrojstvo dlja osushhestvlenija jetogo sposoba [A method for protecting against corrosion and deposits of scale and repair of tubes of heat exchange equipment and an apparatus for carrying out this method] / Golovin V. A., Kuznec V. T., Kublickij K.V and others , the applicant and the patent holder of Limited Liability Company "Scientific and Production Association ROCOR" – № 2001121975/12; appl. 07.08.2001; publ. 10.08.2002 Bul. № 22. [in Russian]
9. Color standards and their use in the tinting system "Palizh–980" [Cvetovye standarty i ih ispol'zovanie v kolerovochnoj sisteme «Palizh–980»] / LLC "New House", Izhevsk // Paint and varnish industry, – May 2013 [in Russian]
10. Safronchik V.I. Zashhita ot korrozii stroitel'nyh konstrukcij i tehnologicheskogo oborudovanija [Protection against corrosion of building structures and process equipment] / Safronchik V.I. // Leningrad. Stroyizdat. – 1988. – 255 P.   [in Russian]
11. Ivonin V.N. O korrozionnoj stojkosti oksidirovannoj nizkouglerodistoj stali vo vlazhnom tropicheskom klimate [On the corrosion resistance of oxidized low–carbon steel in a humid tropical climate] / Ivonin V.N., Kuznetsov Yu.I., Vershok D.B. and others // Korrozija: materialy, zashhita [Corrosion: materials, protection]. – 2008, – № 6, – P. 41–43 [in Russian]