Study of use of hybrid materials obtained by sol-gel to produce efficient pre-treatments to prevent galvanized steel reinforcement corrosion

Abstract

A corrosão de armaduras no betão armado, por carbonatação do betão ou ataque por iões cloreto, é uma das maiores causas de degradação de estruturas. A propagação da corrosão após o seu início é, em geral, rápida, podendo conduzir à deterioração das estruturas num curto espaço de tempo, com custos de reparação elevados. A utilização do aço galvanizado é reconhecida como uma medida alternativa para aumentar o tempo de vida útil das estruturas expostas ao ataque de espécies agressivas. Imediatamente após embeber o aço galvanizado no betão fresco, que se revela como um ambiente extremamente alcalino, a camada de zinco corrói-se durante um certo período (podendo variar de apenas umas horas a alguns dias) até que a camada de passivação se forme e o betão conclua o processo de cura. Este processo de corrosão inicial pode levar a um consumo da camada de zinco que varia entre 5 e 10 μm. Simultaneamente, ocorre produção de hidrogénio que pode originar perda de aderência entre o aço de reforço e o betão. Para minimizar e/ou bloquear esta reacção inicial, usam-se vários procedimentos tais como o aumento do teor de cromatos no cimento ou aquando da preparação do betão, a adição de água com cromatos dissolvidos. Adicionalmente, a deposição de camadas de conversão química à base de crómio na superfíce do aço galvanizado também foi um método amplamente utilizado. Consequentemente, este tipo de medidas tornaram-se rotina na prevenção da evolução do hidrogénio e proteção das armaduras galvanizadas. No entanto, devido à toxicidade dos iões Cr(VI), os cimentos Portland actualmente comercializados possuem na sua composição quantidades reduzidas de Cr(VI) e a aplicação de camadas de conversão química à base de crómio tem vindo a ser evitada. O método sol-gel é um processo versátil que envolve a utilização de uma ampla diversidade de precursores permitindo a incorporação de componentes adicionais que introduzem funcionalidades complementares tais como resistência à humidade, aderência, proteção da corrosão juntamente com o aumento das propriedades mecânicas, térmicas e ópticas. As vantagens deste processo são numerosas e além dos componentes orgânicos outros aditivos como os inibidores podem ser incorporados no sistema sol-gel melhorando a resistência à corrosão dos substratos metálicos. O presente estudo enquadra-se no desenvolvimento de revestimentos híbridos “amigos” do ambiente produzidos pelo método sol-gel para aço galvanizado de modo a minimizar a corrosão do zinco e a evolução de hidrogénio quando em contacto com meios cimentícios. Os pré-tratamentos propostos representam alternativas viáveis na substituição de pré-tratamentos à base de Cr(VI) utilizados para controlar a reação inicial entre o zinco e o betão fresco. Sintetizaram-se matrizes híbridas, baseadas em ureiasilicatos e aminoálcool-silicatos, que foram testadas na sua forma pura e após dopadas com um agente inibidor (Cr(III)). Os revestimentos foram depositados no aço galvanizado pelo método dip-coating. A eficiência dos diferentes híbridos enquanto barreira de protecção, em contacto com materiais que mimetizam as propriedades físico-químicas do betão (pastas cimentícias e argamassas) foi estudada e avaliada por diversas técnicas eletroquímicas e por técnicas de análise de superfície. Os resultados evidenciaram que os revestimentos híbridos obtidos pelo método sol-gel possuem propriedades promissoras para serem utilizados como pré-tratamentos “amigos” do ambiente no aço galvanizado em contacto com meios cimentícios. Os revestimentos estudados permitem, efetivamente, mitigar os efeitos adversos das reações iniciais entre o aço galvanizado e os materiais cimentícios. Estes pré-tratamentos revelaram-se alternativas promissoras à utilização de camadas químicas de conversão baseadas em cromatos.

The corrosion of steel in concrete is one of the major causes of structures degradation, requiring expensive rehabilitation. The use of hot dip galvanized steel (HDGS) has been recognized as an effective measure to increase the service life of reinforced concrete structures exposed to carbonation or to chloride ions. Immediately after the HDGS is embedded in fresh concrete, a highly alkaline environment, the zinc coating corrodes for a limited period (from several hours to a few days) until passivating surface layers are formed and the concrete hardens. This initial corrosion process may lead to zinc consumption between 5 to 10 μm. At the same time, hydrogen is produced which may lead to the loss of adherence between the steel and the concrete. Common procedures such as increasing the chromate content of the cement or adding water-soluble chromates into this preparation and the use of chromate conversion coatings (CCC) has a favourable effect on blocking initial zinc corrosion. Consequently, these have been trivial procedures employed to prevent hydrogen gas evolution and to protect the hot-dip galvanized rebars. However, due to the toxicity of Cr(VI) ions, current commercialized Portland cements have limited the content of Cr(VI) in their composition and the use of CCCs are currently being avoided. The sol–gel method is a versatile process involving the use of a large diversity of precursors, allowing the incorporation of additional components. This introduce complementary functionalities of the material, such as moisture resistance, adhesion and corrosion protection, along with the enhancement of mechanical, thermal and optical properties. The advantages of this technology are numerous and besides the organic component, other additives, such as inhibitors could be incorporated into the sol– gel system increasing the corrosion resistance of the metal substrates. This study is focused on the development of OIH coatings for HDGS reinforcement in contact with cementitious media. OIH sol-gel matrices doped and undoped with inhibitors, ureasilicate and alcoholaminosilicate, were synthesized. The coatings were deposited on HDGS by a dipping process. The barrier efficiency of the different OIH sol-gel coatings was studied and assessed by several electrochemical techniques and surface analysis, when in contact with cementitious materials (cement pastes and mortar). The results show that the OIH sol-gel coatings studied effectively allow the mitigation of harmful effects of the initial excessive reaction between cementitious materials and the HDGS, showing promising properties to be used as eco-friendly pre-treatments on HDGS in contact with cementitious media.