Ochrona przeciwkorozyjna stali w betonie
na przykładzie remontu wiaduktu M.04n nad aleją Prymasa Tysiąclecia w Warszawie
Artkuł ukazał się w wydaniu 1/2022 magazynu Mosty
Wiadukt kolejowy M.04, będący przedmiotem niniejszego opracowania,przeprowadza linię kolejową nad aleją Prymasa Tysiąclecia w Warszawie. Obiekt znajduje się w 3+434 kilometrze linii nr 1 Warszawa – Katowice. W artykule opisano jego historię, projekt optymalnej ochrony przeciwkorozyjnej oraz metodykę działania systemu.
Historia tego wiaduktu kolejowego sięga lat 30. XX w., kiedy to w czasie modernizacji kolejowego węzła warszawskiego zbudowano tunel pod torami głównymi w ciągu ulicy Józefa Bema, która biegła wzdłuż murów m.in. fabryki Lilpop, Rau i Loewenstein, zniszczonej przez Niemców w 1944 roku. Po wojnie tunel nie był używany aż do lat 60. XX w. W związku z koniecznością zbudowania tam szerokiej arterii obwodowej zaprojektowano trasę przez dawne tereny fabryki Lilpopa, łączącą Ochotę z Wolą i wykorzystującą tunel pod torami, który został też wydłużony pod tory skrętu z obwodnicy w kierunku zachodnim i poszerzony o niewykończone wcześniej nawy. W tunelu przy Dworcu Zachodnim przejazd był bardzo wąski – mieściły się tylko 2 autobusy, pozostała przestrzeń pod torami była wypełniona ziemią. W 1997 roku wznowiono prace nad budową alei Prymasa Tysiąclecia, poszerzono i udrożniono tunel przy Dworcu Zachodnim (obecnie dostępne są 3 pasy w każdym kierunku), a w listopadzie 2000 roku oddano trasę do użytku [1]. Obecnie wiadukt składa się z czterech naw, z czego trzy przeznaczone są dla ruchu pojazdów, a jedną odbywa się ruch pieszo-rowerowy (fot. 1 i 2). Ze względu na rozbudowy i przebudowy wiadukt nie jest jednolity pod względem konstrukcyjnym. Północna i południowa strona to rama żelbetowa, natomiast część środkowa to przęsła dźwigaro-betonowe oparte na łożyskach podpór. Wiadukt ten pełni bardzo istotną funkcję zarówno dla ruchu kolejowego, jak i dla samochodowego. Firma Budimex jest wykonawcą modernizacji stacji Warszawa Zachodnia („Prace na linii średnicowej w Warszawie na odcinku Warszawa Wschodnia – Warszawa Zachodnia”). W ramach realizacji zadań wyremontuje także wiadukt kolejowy nad al. Prymasa Tysiąclecia. Ze względów strategicznych dla płynności ruchu w mieście szukano rozwiązania, które pozwoli na remont wiaduktu bez całkowitego wyłączenia ruchu samochodowego w tunelach, jak i ruchu kolejowego.
Fot.1. Widok na wiadukt M.04 od strony północnej
Fot.2. Widok na wiadukt M.04 od strony południowej
Projekt optymalnej ochrony przeciwkorozyjnej i metodyka działania systemu
Przed przystąpieniem do remontu w celu wykonania najbardziej optymalnego projektu ochrony przeciwkorozyjnej obiektu M.04 wykonano odwierty w zamkniętej dla ruchu nawie środkowej i przeprowadzono badania chemiczne betonu, w wyniku czego stwierdzono następujące wnioski:
• W części środkowej nawy badany beton nie wykazuje oznak karbonatyzacji. Zawartość chlorków, azotanów i siarczków jest niższa od wartości granicznej, a otulina zbrojenia wynosi 8-10 cm.
• W części początkowej i końcowej nawy stal zbrojeniowa ma otulinę o grubości 3-5 cm i wykazuje oznaki korozji powierzchniowej. W najgorszej kondycji są pręty zbrojenia głównego filarów, które ze względu na dużą powierzchnię są najbardziej narażone na działanie niekorzystnych warunków, głównie w postaci zjawiska tzw. mgiełki solnej, której intensywność maleje wraz z odległością od początku wjazdu do nawy (fot. 3 i 4).
Fot. 3. Korozja powierzchniowa ścian w części początkowej i końcowej nawy środkowej
Fot. 4. Korozja powierzchniowa filarów nawy środkowej
Wykonane oględziny oraz badania konstrukcji wykazały, że występowały niekorzystne czynniki, tj. zjawisko karbonatyzacji oraz agresywna działalność chlorków. Aby zabezpieczyć stal przed korozją, projektant zdecydował o zastosowaniu ochrony katodowej protektorowej w strefie najbardziej narażonej na zachlapywanie ścian spowodowane ruchem samochodowym, tj. do wysokości 1,5 m. Łączna liczba zastosowanych protektorów cynkowych będzie znana po finalnym wykonaniu robót, natomiast można zakładać, że będzie to kilkanaście tysięcy sztuk, w tym kilka tysięcy dla każdej z naw przeznaczonej dla ruchu samochodowego. W ścianach w części środkowej z uwagi na bardzo dobrą kondycję stali i zachowanie właściwej grubości otuliny zbrojenia zrezygnowano z rozmieszczenia protektorów. Na filarach od strony ruchu pojazdów oraz w części początkowej i końcowej nawy środkowej ze względu na wzmożone działanie zjawiska tzw. mgiełki solnej wzbudzanej poprzez wjeżdżające samochody, zagęszczenie protektorów będzie większe. Metodyka działania systemu katodowej ochrony stali tzw. traconej anody lub metody galwanicznej polega na stworzeniu ogniwa galwanicznego pomiędzy stalą zbrojeniową i protektorem cynkowym o potencjale korozyjnym bardziej ujemnym od potencjału korozyjnego stali. Roztwór wodny w porach betonu odgrywa rolę elektrolitu. W tak utworzonym ogniwie płynie prąd z protektora do metalu chronionego, czyli stali zbrojeniowej. W związku z tym, że w wytworzonym ogniwie protektor staje się anodą, a stal zbrojeniowa katodą, to na anodzie dochodzi do reakcji utleniania (korozji), a metal jest trwale chroniony (rys. 1).
Rys. 1. Schemat działania ochrony katodowej (galwanicznej, protektorowej, lub traconej anody) [2]
Zaletami stosowania ochrony katodowej metodą traconej anody są m.in.:
• brak potrzeby stosowania zewnętrznego źródła zasilania,
• możliwość zaprojektowania czasu trwania ochrony,
• natychmiastowe działanie,
• odporność na czynniki mechaniczne.
Procedura montażu i kontrola wykonanych prac
Zaprojektowane zabezpieczenie antykorozyjne zostało wykonane przy użyciu protektorów cynkowych montowanych bezpośrednio do stali zbrojeniowej. W tym celu należało zlokalizować pręty zbrojenia przy pomocy magnetometru, a następnie wykonać otwory do głębokości pręta zbrojeniowego w zależności od otuliny. W celu montażu protektora z masą cynku 70 g usunięto wszelkie ślady rdzy i nalotu korozyjnego z powierzchni pręta zbrojeniowego (fot. 5). Następnie ręcznie owijany był pręt zbrojeniowy przewodami metalicznymi wychodzącymi z protektora cynkowego i solidnie skręcany cęgami zbrojarskimi (fot. 6 i 7).
Fot. 5. Otwory z odsłoniętą stalą zbrojeniową przygotowane do montażu protektorów cynkowych
Fot. 6. Rozmieszczenie protektorów na ścianach w części początkowej i końcowej nawy środkowej i filarach od strony ruchu pojazdów
Fot. 7. Rozmieszczenie protektorów na filarach nawy środkowej od strony ruchu pojazdów
Prawidłowość wykonanego zabezpieczenia antykorozyjnego sprawdzana była przy pomocy miernika elektrycznego poprzez rejestrowanie wartości ciągłości elektrycznej i rezystancji, czyli oporu. W razie braku prawidłowego odczytu procedura montażu powinna zostać powtórzona. Po tych czynnościach wypełniano elementy zazbrojone i zabezpieczone protektorem cynkowym zaprawą naprawczą (fot. 8). Końcowym etapem remontu nawy środkowej obiektu było wykonanie prac polegających na naprawie i wyrównaniu powierzchni zaprawami naprawczymi. Prace polegały na wymianie zniszczonego, złuszczonego lub skarbonatyzowanego betonu, co doprowadziło do naprawy i zabezpieczenia konstrukcji (fot. 9). Istotnym elementem w wykonywaniu tego typu prac jest sprawdzenie połączenia nowej zaprawy z podłożem. W tym celu laboratorium Budimex przeprowadziło badania wytrzymałości podłoża oraz wytrzymałości samej zaprawy na odrywanie metodą pull-off. Pozytywne wartości były podstawą odbioru wszystkich prac (fot. 10).
Fot. 8. Wypełnienie elementów zazbrojonych i zabezpieczonych protektorami zaprawą naprawczą
Fot. 9. Naprawa i wzmocnienie powierzchni betonu nawy środkowej
Fot. 10. Pomiar przyczepności przez oderwanie
Podsumowanie
Zapobieganie powstawaniu ognisk korozji w konstrukcjach żelbetowych jest jednym z głównych czynników, który pozwala na długą, bezpieczną i niezawodną eksploatację takich obiektów. Zabezpieczenie stali zbrojeniowej metodą katodową ma na celu ochronę prętów zbrojeniowych przed korozją, zarówno w nowych, jak i w istniejących konstrukcjach żelbetowych. Jest to najprostsza metoda antykorozji elektrochemicznej, w której nie ma potrzeby stosowania zewnętrznego źródła zasilania, dzięki czemu tę metodę można stosować w obiektach narażonych na cykliczne zanurzanie w wodzie. Metoda katodowa pozwala na ochronę wydzielonych stref i zaczyna być skuteczna już po podłączeniu protektora do pręta zbrojeniowego oraz po zaszpachlowaniu. W przypadku tunelu w ciągu alei Prymasa Tysiąclecia metoda ta tworzy kompleksowy system ochrony antykorozyjnej stali zbrojeniowej, co pozwala na utrzymanie jak najdłuższego czasu eksploatacji całej konstrukcji.
Piśmiennictwo
1. https://pl.wikipedia.org/wiki/ Aleja_Prymasa_Tysi%C4%85clecia_ w_Warszawie.
2. Top Building Sp. z o.o.: Wytyczne dla projektantów dotyczące ochrony katodowej prętów zbrojeniowych metodą traconej anody z wykorzystaniem protektorów cynkowych TopZinc R i TopZinc R+. Warszawa 2012.
Autorzy:
Tomasz Nyk, Łukasz Bargenda
Budimex SA
FOT. Budimex