DE60003242T2

DE60003242T2 - Kaliummonofluorphosphat als korrosionsinhibitor

Info

Publication number: DE60003242T2
Application number: DE60003242T
Authority: DE
Inventors: Bernard Malric; Theophil Lutz
Original assignee: Domtar Inc
Current assignee: Domtar Inc
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: WO2001055052A1; AU2272900A; DK1252118T3; JP2003520750A; US6596197B2; DE60003242D1; NO20023222D0; US20020166996A1; EP1252118A1; CA2390118A1; ATE242184T1; NO20023222L; HUP0204215A2; EP1252118B1; ES2200815T3

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Inhibierung von Korrosion von verstärkenden Stahlteilen in Beton und auf behandelten verstärkten Beton.
STAND DER TECHNIK
US-Patent 5,071,579 von Domtar Inc., erteilt am 10. Dezember 1991, beschreibt die Verwendung von Natriumfluorphosphat, auch bekannt als "Natriummonofluorphosphat" und abgekürzt als "MFP", zur Verhinderung von Korrosion von verstärktem Beton, der Stahlrippen enthält, wenn solcher Beton einer korrosiven Umgebung ausgesetzt wird, zum Beispiel Chloridionen.
Durch das Eindringen von Kohlendioxid aus der Luft in Beton und die Reaktion des Kohlendioxids mit Hydroxiden wie Calciumhydroxid im Beton kommt es zu einer Karbonierung des Betons. Eine Karbonierung erniedrigt die Alkalität des Betons. Eine hohe Alkalität ist erforderlich, um eingebaute Stahlrippen vor Korrosion zu schützen.
Wie es in dem US-Patent beschrieben ist, führt die Bildung von galvanischen Korrosionszellen an den Stahlrippen zu einer Korrosion des Stahls, wobei Expansionskräfte entstehen, die den Beton zerstören.
Beton wird bei der Konstruktion von Gebäuden und bei der Herstellung von Gegenständen, einschließlich Pflasterplatten, Strukturteilen, Randsteinen, Rinnsteinen, Rohren und anderen Gussgegenständen verwendet.
In der WO 92/14796, veröffentlicht am 3. September 1992, von Domtar Inc., wird die Verwendung des zuvor erwähnten Natriumfluorphosphats zur Verringerung der Skalierung aufgrund von Einfrieren und Auftauen von Beton, insbesondere, wenn ein Entfroster wie Natriumchlorid verwendet wird, um die Oberfläche des Betons zu enteisen, beschrieben.
Die vorliegende Erfindung ist erstrebt, unter Verwendung von Kaliummonofluorphosphat anstelle von oder in Kombination mit Natriummonofluorphosphat Verbesserungen bei der Inhibierung von Korrosion von verstärkenden Stahlteilen in Beton und einen verbesserten behandelten Beton bereitzustellen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Inhibierung von Korrosion in einem verstärkten Beton, der verstärkende Stahlteile enthält, bereitzustellen, umfassend das Inkontaktbringen des verstärkten Betons mit Kaliummonofluorphosphat.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein verstärkter Beton bereitgestellt, der verstärkende Stahlteile enthält, und der eine Betonfläche aufweist, wobei der Beton Kaliummonofluorphosphat enthält.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
i) Anwendung von Kaliummonofluorphosphat
Zweckmäßigerweise wird eine wässrige Lösung von Kaliummonofluorphosphat mit dem Beton in Kontakt gebracht. Insbesondere wird die wässrige Lösung mit einer Fläche des verstärkten Betons auf eine solche Weise in Kontakt gebracht, dass die gelöstes Kaliummonofluorphosphat enthaltende Lösung in den Beton eindringt und sich das Kaliummonofluorphosphat in einer Penetrationszone, die sich von der Betonfläche ins Innere des Betons erstreckt, absetzt, und von wo aus das Kaliummonofluorphosphat zu den verstärkenden Stahlteilen wandert.
Unter "Penetrationszone" ist eine Vertiefung des Betons zu verstehen, die von der Fläche bestimmt wird, welche mit der Lösung kontaktiert wird, in welche die Lösung von Kaliummonofluorphosphat eindringt und die sich zu den verstärkenden Stahlteilen, zum Beispiel Stahlrippen, erstreckt.
Es versteht sich von selbst, dass in der wässrigen Lösung Additive für andere Zwecke vorhanden sein können, aber die Lösung sollte frei sein von Chemikalien, die korrosionsfördernd sind, oder die auf andere Weise das Ziel, die Korrosion zu inhibieren, beeinträchtigen.
Es wird bemerkt worden sein, dass das Kaliummonofluorphosphat in anderen Vehikeln, zum Beispiel organischen Lösungsmitteln, mit der Betonfläche in Lösung in Kontakt gebracht werden könnte. Jedoch ist ein wässriges Vehikel vom praktischen Standpunkt aus bei weitem bevorzugt.
Praktischerweise kann die in der Erfindung verwendete wässrige Lösung bis zu 35 Gew.-% und typischerweise 5 bis 20 Gew.-% Kaliummonofluorphosphat enthalten.
Die Lösung kann durch verschiedene Verfahren, abhängig von der Form des Betongegenstandes oder der Struktur, die behandelt werden soll, mit dem Beton in Kontakt gebracht werden. Beispielsweise kann die wässrige Kaliummonofluorphosphat-Lösung gesprüht, gestrichen, gebürstet oder auf andere Weise als Beschichtung auf eine exponierte Betonfläche aufgebracht werden. Die Lösung sollte in einer solchen Menge aufgebracht werden, dass eine gewünschte Penetration in den Beton stattfindet, um die verstärkenden Stahlrippenteile zu erreichen.
Der Beton kann auch in der Lösung getränkt werden, wobei hierfür ein Deich (dike) um den Beton gebaut werden kann, um die Lösung während einer Tränkdauer zu stauen.
Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung mittels einer Lösung von Kaliummonofluorphosphat beschränkt, und letzteres kann in Pulverform oder in einem Gel auf die Betonfläche aufgebracht werden.
Das Kaliummonofluorphosphat sollte in den verstärkten Beton eindringen, um die Stahlrippen zu erreichen, welche die verstärkenden Teile in dem Beton sind. Typischerweise sind die Rippen in Gebäuden bis zu 35 mm und in Highwaykonstruktionen bis zu 60 mm von den Betonflächen angeordnet. An diesen Stellen ist die Korrosion der Rippen ein Problem.
Es ist besonders vorteilhaft, Kaliummonofluorphosphat aufzubringen, wenn der verstärkte Beton in einem im Wesentlichen trockenen Zustand ist, in welchem die Kapillardurchgänge in dem Beton offen sind für eine Wanderung des Kaliummonofluorphosphats in den Beton.
ii) Inhibierung von Korrosion
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass Kaliummonofluorphosphat nicht nur ein Korrosionsinhibitor für verstärkten Beton ist, sondern dass es bei der Bereitstellung einer solchen Inhibierung von Korrosion auch deutlich besser ist als Natriumfluorphosphat.
Es war vorher nicht bekannt und es war nicht vorhersehbar, dass Kaliummonofluorphosphat als ein Korrosionsinhibitor für verstärkten Beton fungieren würde, und es war noch weniger vorhersehbar, dass es besser sein würde als der bekannte Korrosionsinhibitor Natriumfluorphosphat.
Um als wirksamer Korrosionsinhibitor zu fungieren, muss eine Chemikalie sowohl in alkalischen als auch neutralen Umgebungen ein wirksamer Korrosionsinhibitor sein, entsprechend der nicht-karbonisierten verstärkten Betone, die mit Chloriden verunreinigt sind, sowie der karbonisierten verstärkten Betone.
Die Chemikalie muss ausreichend stabil sein und für die meisten Arten der Anwendung geeignet sein, ausreichend in einem geeigneten Vehikel, zum Beispiel Wasser, löslich sein, um eine Konzentration der Chemikalie zu erhalten, die effektiv ist, um eine wirksame Korrosions-inhibierende Menge der Chemikalie in den Beton einzuführen.
Die Chemikalie benötigt Wanderungs- oder Penetrationscharakteristiken, so dass eine zweckmäßige und adäquate Penetration der Chemikalie in den verstärkten Beton erreicht werden kann; und, insbesondere sollte sie entlang eines Netzwerkes aus Betonporen und Kapillaren wandern können, um die verstärkenden Stahlrippenteile des Betons zu erreichen, die von Korrosion betroffen sein können.
Am meisten bevorzugt sollte eine Chemikalie, um als wirksamer Korrosionsinhibitor zu fungieren, bei niedrigen Konzentrationen der Chemikalie eine Inhibierung von Korrosion für Stahlrippen bereitstellen.
Während Natriumfluorphosphat zuvor als ein wirksamer Korrosionsinhibitor für die verstärkenden Stahlteile von verstärktem Beton erkannt wurde, stellen andere Fluorphosphate keine solche Inhibierung von Korrosion bereit; zum Beispiel wurden Lithiummonofluorphosphat, Ammoniummonofluorphosphat, Calciumfluorphosphat und Strontiumfluorphosphat untersucht und fungieren nicht als Korrosionsinhibitoren für die Stahlverstärkungsteile in verstärktem Beton. Selbst wenn die Monofluorphosphate wie Ammoniummonofluorphosphat die nötige Löslichkeit in Wasser aufweisen, um ihre Anwendung bei Beton zu erlauben, wurde gefunden, dass keine effektive Penetration oder Wanderung des Monofluorphosphats in den Beton auftritt.
Die Löslichkeit des Fluorphosphats variiert über ein weites Spektrum, zusätzlich scheint es, dass das begleitende Kation, während das Fluorphosphatanion bei der Inhibierung von Korrosion eine Rolle spielt, auch sowohl in Hinsicht auf die Korrosionsinhibitionskapazität der Verbindung als auch in Hinsicht auf die Fähigkeit der Fluorphosphatverbindung, durch ein Netzwerk von Poren und Kapillaren in den Beton zu wandern oder zu diffundieren, eine bedeutende Rolle hat.
In der vorliegenden Erfindung wurde nicht nur gefunden, dass Kaliummonofluorphosphat als wirksamer Korrosionsinhibitor für die verstärkenden Stahlteile von verstärktem Beton fungiert, die verwandten Lithium-, Ammonium-, Tris-, Calcium- und Strontiummonofluorphosphate hingegen nicht, sondern auch, dass Kaliummonofluorphosphat deutlich besser als Korrosionsinhibitor ist als Natriummonofluorphosphat.
Insbesondere wurde gefunden, dass Kaliummonofluorphosphat bis zu fünf Mal effektiver ist als Natriummonofluorphosphat. Typischerweise stellt Kaliummonofluorphophat das gleiche Level an Korrosionsinhibition bereit wie Natriummonofluorphosphat, wenn es in einer Menge verwendet wird, die ein Fünftel der Menge von Natriummonofluorphosphat ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung und die durch Kaliummonofluorphosphat bereitgestellte verbesserte Korrosionsinhibierungswirkung werden durch Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, in welchen:
1 eine Photographie ist, die die Korrosionsinhibierungswirkung von Kaliummonofluorphosphat veranschaulicht;
2 eine Photographie ist, die zu Vergleichszwecken die Korrosionsinhibierungswirkung von Natriummonofluorphosphat, das bei den gleichen Bedingungen verwendet wurde wie Kaliummonofluorphosphat in 1, veranschaulicht; und
3 die Penetration von verschiedenen Monofluorphosphaten in Beton veranschaulicht.
BEISPIELE
Beispiele 1
Wirkung in alkalischer Umgebung
Es wurden Lösungen hergestellt durch Zugabe von Natriumhydroxid zu entweder destilliertem Wasser oder Leitungswasser (das Calcium enthält), um einen pH-Wert von ungefähr 13 zu erhalten, um die Umgebung von unkarbonisiertem Beton zu simulieren. Es wurde 0,5 M Natriumchlorid zugegeben, um die korrosive Umgebung von mit enteisenden Salzen kontaminiertem Beton zu simulieren. Es wurden 2 ml Portionen der Lösungen in Standard-Kunststoffgewebe-Kulturtestplatten mit 24 Positionen verwendet. Es wurden verschiedene Mengen Kaliummonofluorphosphat und Natriummonofluorphosphat zu jeder Zelle zugegeben, und in die verschiedenen Lösungen wurde ein Nagel getaucht und während 30 Tagen visuell auf die Entwicklung von Lochkorrosion hin beobachtet, die gewöhnlich in einem solchen Fall auftritt. Die Nägel wurden in Ethylalkohol mit 1 % zugegebener Salpetersäure gereinigt, dann fünfmal in destilliertem Wasser gereinigt und direkt vom destillierten Wasser zur Testlösung transferiert.
Nach dem Säubern der Nägel, und nachdem sie unter einem Vergrößerungsglas betrachtet wurden, schien es, dass Natriumchlorid in dieser Umgebung zur Bildung von Lochkorrosion geführt hat, ohne die Entwicklung von allgemeinem Rost auf der Nagelfläche. Kaliummonofluorphosphat bietet einen besseren Schutz als Natriummonofluorphosphat bei einer Konzentration von 0,1 M: Es waren keine Löcher sichtbar, während mit Natriummonofluorphosphat eine leichte Lochbildung beobachtet werden konnte. Bei 0,5 M trat bei keinem Inhibitor Korrosion auf.
Beispiel 2
Wirkung in neutraler Umgebung
Dieses ist dazu gedacht, die chemische Umgebung von karbonisiertem Beton zu simulieren. Es wurde Leitungswasser verwendet, da es Calciumionen enthält, die auch in Beton vorhanden sind und bei dem Korrosionsprozess eine aktive Rolle spielen.
In manchen der Lösungen wurde 0,5 M NaCl zugegeben, um mit enteisenden Salzen verunreinigten karbonisierten Beton zu simulieren.
Es wurden auch verschiedene Mengen Natriummonofluorphosphat und Kaliummonofluorphosphat zugegeben. Die Entwicklung der Korrosion von Nägeln, die dreißig Tage in diesen Lösungen getaucht wurden, wurde visuell beobachtet. Die Herstellung der Lösungen und Nägel ist entsprechend der von Beispiel 1.
Die Photographien der 1 und 2 zeigen, dass sich nach nur wenigen Stunden ein allgemeiner Korrosionstyp, der typisch ist für neutrale Umgebungen, zu entwickeln beginnt. Die Wirkung von Chloriden ist in diesem Fall sekundär. Inhibitoren sind bei niedrigerer Konzentration wirksam als in alkalischem Medium. Kaliummonofluorphosphat ist als Korrosionsinhibitor eindeutig wirksamer als Natriummonofluorphosphat: es bietet bei einer Konzentration von 0,01 M ungefähr den gleichen Schutz wie er von Natriummonofluorphosphat bei einer Konzentration von 0,05 M bereitgestellt wird. Mit anderen Worten ist Kaliummonofluorphosphat als Korrosionsinhibitor fünf Mal wirksamer als Natriummonofluorphosphat.
In den Photographien der 1 und 2 führt die Korrosion zu einer Verdunklung der Nägel. Die blass gefärbten Nägel sind das Ergebnis einer effektiven Inhibierung von Korrosion.
Beispiel 3
Beton-Penetrationstest
Betonplatten mit Dimensionen von 15×15×2 cm wurden für eine bzw. während 12 Stunden in 20%ige wässrige Lösungen von:
Natriummonofluorphosphat
Kaliummonofluorphosphat
Ammoniummonofluorphosphat
Trismonofluorphosphat
getaucht.
Die Tests mit dem bekannten Inhibitor Natriummonofluorphosphat wurden ein zweites Mal durchgeführt, um sicherzugehen, dass sie repräsentativ sind.
Mittels Ionenchromatographie wurden Konzentrationsprofile der Monofluorphosphate gemessen, um Fluorphosphationen genau zu quantifizieren, um zu bestimmen, dass sie einen aktiven Inhibitorteil darstellen.
Die Ergebnisse zeigen, dass nur Natrium- und Kaliummonofluorphosphate in der Lage waren, deutlich in Beton einzudringen, wobei das Verhalten beider Produkte ähnlich war. Es besteht kein wesentlicher Unterschied zwischen dem Eindringverhalten der beiden Produkte.
Es war jedoch bemerkenswert und vermutlich unerwartet, dass Ammonium- und Trismonofluorphosphate nicht in den Beton eindrangen, da beide Produkte eine hohe Löslichkeit in Wasser besitzen. Es scheint daher, dass das Verhalten von Monofluorphosphaten in Beton in großem Maße von dem vorhandenen Kation abhängig sein kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wurde gefunden, dass Kaliummonofluorphosphat besser als Korrosionsinhibitor für Stahlverstärkungsteile in verstärktem Beton ist als Natriummonofluorphosphat; praktischerweise wird das Kaliummonofluorphosphat in wässriger Lösung mit einer Fläche des verstärkten Betons in Kontakt gebracht, um die Penetration des Kaliummonofluorphosphats in den Beton zu erleichtern.

Claims

Verfahren zur Inhibierung von Korrosion in einem verstärkten Beton, der verstärkende Stahlteile enthält, umfassend: Inkontaktbringen des verstärkten Betons mit Kaliummonofluorphosphat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kaliummonofluorphosphat in einer wässrigen Lösung vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 2, das das Inkontaktbringen einer Fläche des verstärkten Betons mit der wässrigen Lösung auf eine solche Weise umfasst, dass in der Lösung enthaltenes Kaliummonofluorphosphat in den verstärkten Beton eindringt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die wässrige Lösung als Beschichtung auf eine exponierte Betonfläche gesprüht, gestrichen oder gebürstet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kaliummonofluorphosphat aufgebracht wird, wenn der verstärkte Beton in einem im Wesentlichen trockenen Zustand ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Lösung bis zu 35 Gew.-% Kaliummonofluorphosphat enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Lösung von 5 bis 20 Gew.-% Kaliummonofluorphosphat enthält.
Verstärkter Beton, der verstärkende Stahlteile enthält und eine Betonfläche aufweist, wobei der Beton Kaliummonofluorphosphat enthält.
Verstärkter Beton nach Anspruch 8, wobei das Kaliummonofluorphosphat in einer Zone des Betons vorhanden ist, die sich ins Innere des Betons erstreckt.
Verwendung von Kaliummonofluorphosphat, um Korrosion in Beton zu verhindern, der verstärkende Stahlteile enthält.