MOSTY DOLNOŚLĄSKIE 2022 – Ochrona katodowa zbrojenia w budownictwie i inne nowoczesne sposoby ochrony stali zbrojeniowej

Ochrona katodowa stali zbrojeniowej na przykładzie remontu wiaduktu M .04 nad aleją Prymasa Tysiąclecia w Warszawie

Concrete cathodic protection of reinforcing steel on the example of renovation of the M .04 viaduct over Aleja Prymasa Tysiąclecia in Warsaw

mgr inż. Daniel Białecki
mgr inż. Marcin Majewski

Mechanizmy powstawania korozji zbrojenia

Mechanisms of reinforcement corrosion formation

Pręty zbrojeniowe w środowisku świeżego betonu, którego odczyn pH wynosi od około 11,8 do 12,6 są w naturalny sposób pasywowane poprzez dobrze przylegającą do powierzchni cienką warstwą tlenków żelaza. Z biegiem czasu w wyniku ,,zakwaszenia’’ betonu spowodowanego karbonatyzacją i innymi przyczynami, dochodzi do zmniejsza się pH betonu. Przy wartość
pH betonu 10 i mniej następuje utrata właściwości pasywujących przez bardzo cienką warstwę tlenków żelaza. Rozpoczynają się procesy korozyjne i na powierzchni stali zbrojeniowej tworzą się lokalnie liczne miejsca o różnych potencjałach. W miejscach o chwilowo większej ilości elektronów tzw. anodowych dochodzi do reakcji utleniania metalu, czyli korozji. Dodatkowym czynnikiem, wpływającym na przyspieszenie reakcji utleniania, będzie występowania czynników agresywnych jak np. chlorki czy siarczany. Dostępne są liczne badania, które przedstawiają sposób postępowania korozji w czasie w przypadku działania czynników agresywnych [1]. Jest to istotny problem zwłaszcza w przypadku wykonywania remontów konstrukcji, w których beton jest skażony chlorkami. Prawidłowo przeprowadzona naprawa elementu żelbetowego sprowadza się zwykle do oczyszczeniu prętów do klasy czystości Sa 2½, zabezpieczenia zbrojenia warstwą antykorozyjną, reprofilacji PCC i wykonania powłoki ochronnej [2] . Zaprawy PCC używane powszechnie do uzupełniania ubytków w betonie nie mogą i nie posiadają chlorków w swoim składzie. W momencie, w którym naprawionej konstrukcji żelbetowej dojdzie do kontaktu cieczy, która znajdujące się w porach betonu i zawiera chlorki, z cieczą w porach świeżej zaprawy PCC bez zawartości chlorków, to zgodnie z zasadą wyrównania stężeń roztworów dojdzie do błyskawicznej migracji chlorków do świeżej zaprawy PCC. Doprowadzi to do bardzo szybkiej korozji „tradycyjnie naprawionego” zbrojenia. W przypadku niskich otulin już po nawet jednym miesiącu widoczne będą pęknięcia w obszarze wykonanej naprawy, rdzawe wykwity lub odspojenia miejsc z zaprawa naprawczą. Na fotografii numer 1 pokazano tradycyjnie naprawione obiekty mostowe po kilku miesiącach od zakończenia prac remontowych w obszarze betonu skażonego chlorkami. W celu oszacowania z jakim prawdopodobieństwem i z jaką tendencją w przyszłości kształtują się procesy korozyjne na próbkach w zależności od potencjału elementu możemy posłużyć się kryterium ASTM-C 876-91 [3]. Zakłada ono trzy możliwe przedziały prawdopodobieństwa wystąpienia korozji:
»» Est < -350 mV – występowanie korozji z prawdopodobieństwem 95 %,
»» -350 mV < Est < -200 mV – występowanie korozji z prawdopodobieństwem 50 %,
»» Est > -200 mV – występowanie korozji z prawdopodobieństwem 5 %,
»» gdzie Est – potencjał elementu [mV].

Reinforcement bars in the environment of fresh concrete, whose pH is from about 11.8 to 12.6, are naturally passivated by a thin layer of iron oxides that adheres well to the surface. Over time, as a result of „acidification” of concrete caused by carbonation and other causes, the pH of concrete decreases. At value Concrete pH 10 and below, the passivating properties are lost by a very thin layer of iron oxides. Corrosion processes begin and locally numerous spots with different potentials appear on the surface of the reinforcing steel. In places with temporarily more electrons, the so-called anodes, the oxidation of the metal, i.e. corrosion, takes place. An additional factor influencing the acceleration of the oxidation reaction will be the presence of aggressive agents, such as chlorides or sulphates. Numerous studies are available that show how corrosion proceeds over time in the case of aggressive factors [1]. This is a significant problem, especially in the case of renovation of structures where concrete is contaminated with chlorides. A properly carried out repair of a reinforced concrete element usually boils down to cleaning the bars to Sa 2½ cleanliness class, protecting the reinforcement with an anti-corrosion layer, PCC reprofiling and applying a protective coating [2] . PCC mortars commonly used to fill concrete defects cannot and do not contain chlorides in their composition. When the repaired reinforced concrete structure comes into contact with the liquid contained in the pores of the concrete and contains chlorides with the liquid in the pores of the fresh PCC mortar without chlorides, then, in accordance with the principle of equalization of solution concentrations, there will be a rapid migration of chlorides to the fresh PCC mortar. This will lead to very rapid corrosion of the „traditionally repaired” reinforcement. In the case of low lagging, cracks in the area of ​​the repair, rusty efflorescence or loosening of places with repair mortar will be visible after even one month. Photo 1 shows traditionally repaired bridges several months after the completion of renovation works in the area of ​​concrete contaminated with chlorides. In order to estimate the probability and tendency of corrosion processes on samples in the future, depending on the potential of the element, we can use the ASTM-C 876-91 criterion [3]. It assumes three possible corrosion probability ranges:

»» Est < -350 mV – occurrence of corrosion with a probability of 95%,

»» -350 mV < Est < -200 mV – occurrence of corrosion with a probability of 50%,

»» Est > -200 mV – occurrence of corrosion with a probability of 5%,

»» where Est – element potential [mV].

Zasady i metod zabezpieczenia konstrukcji żelbetowej

Principles and methods of securing reinforced concrete structures

Europejska zharmonizowana norma dotycząca wyrobów i systemów ochrony i naprawy konstrukcji betonowych PN-EN 1504-9 [4] za najistotniejsze przyczyny korozji zbrojenia uznaje karbonatyzację betonu, korozyjne oddziaływanie chlorków, innych halogenków niż chlorki, a także innych chemikaliów rozpuszczalnych w wodzie. Norma ta przewiduje kilka zasad i metod zabezpieczenia konstrukcji żelbetowej i jej ewentualnej naprawy:
»» zwiększenie grubości otuliny przez dodanie zaprawy lub betonu (w normie zasada 7, metoda 7.1);
»» wymiana skażonego lub skarbonatyzowanego betonu (zasada 7, metoda7.2);
»» elektrochemiczna realkalizacja skarbonatyzowanego betonu (zasada 7, metoda 7.3);
»» realkalizacja skarbonatyzowanego betonu przez dyfuzję (zasada 7, metoda 7.4);
»» elektrochemiczne usunięcie chlorków (zasada 7, metoda 7.5);
»» podwyższenie oporności elektrycznej otuliny (zasada 8);
»» kontrola obszarów katodowych (zasada 9);
»» ochrona katodowa (zasada 10);
»» kontrola obszarów anodowych (zasada11).
W Polsce najczęściej są wykorzystywane metody 7.1 i 7.2 oraz zasady 8, 9 i 11, a rzadziej zasada 10. Od 2012
roku (rekomendacje techniczne ITB [5] i IBDiM [6]) stosowane są elektrody montowane do zbrojenia, które
w sposób bezpośredni lub pośredni wykorzystując zasadę 10 normy PN-EN 1504-9 [4].

The European harmonized standard for products and systems for the protection and repair of concrete structures PN-EN 1504-9 [4] considers carbonation of concrete, the corrosive effect of chlorides, halides other than chlorides, and other water-soluble chemicals as the most important causes of reinforcement corrosion. This standard provides for several rules and methods for securing a reinforced concrete structure and its possible repair:

»» increasing the cover thickness by adding mortar or concrete (rule 7, method 7.1 in the standard);

»» replacement of contaminated or carbonated concrete (Principle 7, Method 7.2);

» electrochemical realkalization of carbonated concrete (principle 7, method 7.3);

»» realkalization of carbonated concrete by diffusion (principle 7, method 7.4);

»» electrochemical removal of chlorides (principle 7, method 7.5);

»» increasing the electrical resistance of the lagging (principle 8);

»» control of cathode areas (principle 9);

»» cathodic protection (rule 10);

»» control of anode areas (principle 11).

In Poland, methods 7.1 and 7.2 as well as principles 8, 9 and 11 are most often used, and less frequently principle 10. Since 2012 year (technical recommendations of ITB [5] and IBDiM [6]), electrodes mounted to the reinforcement are used, which directly or indirectly using principle 10 of the PN-EN 1504-9 standard [4].

Przykład zabezpieczenia stali zbrojeniowej przy użyciu protektorów cynkowych w na przykładzie remontu wiaduktu M.04 nad aleja Prymasa Tysiąclecia w Warszawie.

An example of protection of reinforcing steel using zinc protectors in the example of the renovation of the M.04 viaduct over Aleja Prymasa Tysiąclecia in Warsaw.

Firma Budimex w ramach kontraktu na prace związane z modernizacją stacji kolejowej Warszawa Zachodnia, wykonała generalny remont wiaduktu M.04 nad aleją Prymasa Tysiąclecia w Warszawie. Przed przystąpieniem do remontu wykonano projekt wykonawczy remontu wiaduktu. Podczas prac projektowych zostały wykonane również badania sprawdzające stan karbonatyzacji oraz skażenia chlorkami konstrukcji wiaduktu. Otrzymane wyniki badań wykazały przekroczenia granicznych wartości normowych. Sprawdzono również wartości potencjałów korozyjnych, a otrzymane wyniki zawierały się w przedziale 95% prawdopodobieństwa wystąpienia korozji według kryterium ASTM-C 876-91 [9] . Ze względu na skarbonatyzowną i skażoną otulinę chlorkami oraz w celu uzyskania większej trwałości konstrukcji, projektant podjął decyzję o zastosowaniu ochrony katodowej przy użyciu protektory cynkowe, o masie rdzenia cynkowego 70 g, montowanych bezpośrednio do stali zbrojeniowej zgodnie z zasadami normy PN-EN 1504-9 zasada 10. W projekcie podano zakres ochrony katodowej, która miała obejmować strefę najbardziej narażoną na agresywne działanie chlorków, tj. do wysokości 1,5 m ścian wiaduktu. Przez przystąpień do prac remontowych wykonano skanowanie konstrukcji w celu ustalenia dokładnego rozmieszczenia prętów zbrojeniowych oraz określenia grubości otulin. W miejscach gdzie otulina była zdegradowana i skażona chlorkami, została mechanicznie usunięta. Odsłonięte pręty zbrojeniowe zostały oczyszczone z produktów korozji poprzez piaskowaniedo stopnia czystości Sa 2 1/2 (wg PN-EN ISO 8501-1[7]). Po odpyleniu i odtłuszczeniu prętów zbrojeniowych przystąpiono do montażu protektorów cynkowych TopZinc R 70. Protektory cynkowe zostały zamontowane bezpośrednio do stali zbrojeniowej i tak rozmieszczone, aby zapewniony był równomierny rozdział prądu na całej długości chronionego pręta zbrojeniowego, dający pewność dostarczenia odpowiedniej gęstości prądu jaki powinien wytworzyć układ galwaniczny (protektor cynkowy – pręt). Po montażu protektorów cynkowych wykonano badania ciągłości elektrycznej pomiędzy protektorem a prętem zbrojeniowym oraz badania rezystancji, czyli oporu. W przypadku braku prawidłowego odczytu procedura montażu została powtarzana. Następnie wykonano otworzenie otuliny oraz naprawy powierzchni materiałami PCC zgodnie z zasadami określonymi w PN-EN 1504 zasada nr 3 oraz zabezpieczono naprawioną powierzchnię betonową powłokami antykorozyjnymi. W przedstawionej realizacji remontu wiaduktu w celu zabezpieczenia katodowego stali zbrojeniowej dla wydzielonej strefy wbudowano powyżej 18 tys. protektorów cynkowych TopZinc R 70 bezpośrednio montowanych do zbrojenia.

Budimex, under the contract for works related to the modernization of the Warszawa Zachodnia railway station, performed a general renovation of the M.04 viaduct over Aleja Prymasa Tysiąclecia in Warsaw. Before starting the renovation, an executive design for the renovation of the viaduct was prepared. During the design works, tests were also carried out to check the state of carbonation and chloride contamination of the viaduct structure. The obtained test results showed exceeding the standard limit values. The values ​​of corrosion potentials were also checked, and the obtained results were within the 95% probability of corrosion occurrence according to the ASTM-C 876-91 criterion [9]. Due to the carbonated and contaminated lagging with chlorides and in order to achieve greater durability of the structure, the designer decided to use cathodic protection using zinc protectors with a zinc core weight of 70 g, mounted directly to the reinforcing steel in accordance with the principles of PN-EN 1504-9 rule 10. The design specifies the scope of cathodic protection, which was to cover the zone most exposed to the aggressive action of chlorides, i.e. . By commencing the renovation works, the structure was scanned in order to determine the exact location of the reinforcement bars and to determine the thickness of the lagging. In places where the lagging was degraded and contaminated with chlorides, it was mechanically removed. The exposed reinforcing bars were cleaned of corrosion products by sandblasting to the degree of purity Sa 2 1/2 (according to PN-EN ISO 8501-1[7]). After dedusting and degreasing the reinforcing bars, the assembly of the TopZinc R 70 zinc protectors began. The zinc protectors were mounted directly to the reinforcing steel and arranged in such a way as to ensure even distribution of current along the entire length of the protected reinforcing bar, ensuring the supply of the appropriate current density that should be generated by the galvanic system (zinc protector – rod). After the assembly of the zinc protectors, tests of electrical continuity between the protector and the rebar were carried out, as well as tests of resistance, i.e. resistance. In the absence of a valid reading, the assembly procedure was repeated. Then, the lagging was opened and the surface was repaired with PCC materials in accordance with the principles set out in PN-EN 1504 rule No. 3, and the repaired concrete surface was protected with anti-corrosion coatings. In the presented implementation of the renovation of the viaduct, over 18,000 square meters were built in for the purpose of cathodic protection of the reinforcing steel for the separated zone. TopZinc R 70 zinc protectors directly mounted to the reinforcement.

Podsumowanie

Summary

Uwzględnienie możliwości wystąpienia procesów korozyjnych, na etapie prac projektowych remontu konstrukcji już istniejących, jest bardzo istotną kwestią. Ma ona niekiedy decydujący wpływ na powodzenie całej inwestycji oraz na utrzymanie jak najdłuższego czasu eksploatacji samej konstrukcji. Dlatego w przypadku remontu obiektów, które były eksploatowane w środo-wiskach o klasach ekspozycji typu XD lub XF, należy dodatkowo wdrażać inne niż tradycyjne rodzaje ochrony przeciwkorozyjnej. Posługując się normą PN-EN 1504, najbardziej oczywistym wyborem będzie tu Zasada 10: Ochrona Katodowa oraz Zasada 11: Inhibitory Korozji.
W skład systemów do ochrony i zabezpieczenia stali zbrojeniowej wchodzą
»» Protektory cynkowe TopZinc do ochrony katodowej w odmianach:
TopZinc R (montaż bezpośredni na zbrojeniu)
TopZinc R+ (montaż pośredni – połączenie jedynie przewodami metalicznymi)
TopZinc RS o najmniejszych możliwych wymiarach, szczególnie dedykowany do konstrukcji remontowanych i konstrukcji z zaniżona otuliną.

Taking into account the possibility of corrosion processes at the design stage of the renovation of existing structures is a very important issue. Sometimes it has a decisive impact on the success of the entire investment and on maintaining the longest possible service life of the structure itself. Therefore, in the case of renovation of facilities that were operated in environments with exposure classes of XD or XF type, other than traditional types of corrosion protection should be additionally implemented. Using EN 1504, the most obvious choices would be Principle 10: Cathodic Protection and Principle 11: Corrosion Inhibitors. The systems for the protection and protection of reinforcing steel include 

»» TopZinc zinc protectors for cathodic protection in the following varieties:

TopZinc R (direct installation on reinforcement)

TopZinc R+ (indirect assembly – connection with metallic conductors only)

TopZinc RS with the smallest possible dimensions, especially dedicated to renovated structures and structures with reduced cover.

»»Migrujący inhibitor korozji TopGard FE. Jest to aktywny migrujący inhibitor korozji do ochrony zbrojenia dodawany do mieszanek betonowych, zapraw cementowych i zapraw naprawczych oraz do nanoszenia na powierzchnię betonu w okolicy otuliny prętów zbrojeniowych. Migrujący inhibitor korozji TopGard FE wnika w podłoże betonowe i zatrzymuje korozję zbrojenia czym zwiększa trwałość konstrukcji żelbetowej. Stosowanie migrującego inhibitora korozji prętów zbrojeniowych TopGard FE jest zgodne z normą PN-EN 1504 Naprawy i Ochrony Betonu. Zasada 9 –Kontrola Obszarów katodowych zbrojenia i Zasada 11 – Kontrola Obszarów anodowych zbrojenia. Migrujący Inhibitor korozji TopGard FE jest doskonałą domieszką
do zawiesin cementowych i zaczynów cementowych do wypełniania kanałów kablowych ze sprężonymi kablami. Migrujący inhibitor korozji TopGard FE zachowuje odpowiednie w/c i jednocześnie wysoką płynność umożliwiającą wpompowanie zawiesiny cementowej i zaczynu cementowego do kanału.

»»TopGard FE migrating corrosion inhibitor. It is an active migrating corrosion inhibitor for the protection of reinforcement, added to concrete mixes, cement mortars and repair mortars and applied to the concrete surface in the area of ​​rebar lagging. TopGard FE migrating corrosion inhibitor penetrates the concrete substrate and stops corrosion of the reinforcement, which increases the durability of the reinforced concrete structure. The use of TopGard FE migrating rebar corrosion inhibitor complies with EN 1504 Concrete Repair and Protection. Principle 9 – Control of Cathodic Areas of Reinforcement and Principle 11 – Control of Anodic Areas of Reinforcement. TopGard FE Migrating Corrosion Inhibitor is an excellent admixture for cement slurries and cement slurries for filling cable ducts with compressed cables. TopGard FE Migrating Corrosion Inhibitor retains adequate w/c while maintaining high fluidity to pump cement slurry and grout into the sewer.

»» Taśmy antykorozyjne anodowe TopZinc Tape. Taśmy antykorozyjne TopZinc Tape służą do zabezpieczenia

antykorozyjnego stali i są przyklejane bezpośrednio do powierzchni stali przy użyciu specjalnego kleju przewodzącego TopZinc Conductiv.

»» TopZinc Tape anode anti-corrosion tapes. TopZinc Tape anti-corrosion tapes are used for protection anti-corrosion steel and are glued directly to the steel surface using a special conductive adhesive TopZinc Conductiv.

 

Piśmiennictwo:

Literature:

1. Czarnecki L., Emmons H.: Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych. Kraków2002.
2. Czarnecki L., Garbacz A., Łukowski P.: Naprawa i ochrona konstrukcji z betonu. Warszawa 2017.
3. ASTM C876-91: Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete. 1999.
4. PN-EN 1504-9 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych.
5. Rekomendacja Techniczna ITB RT ITB-1255/2012: Zabezpieczanie stali zbrojeniowej w betonie metodą traconej anody z wykorzystaniem protektorów cynkowych Top Zinc R i Top Zinc R+. 2013.
6. Rekomendacja Techniczna IBDiM Nr RT/2012-0124/2: Protektory cynkowe do zabezpieczeń stali zbrojeniowej w betonie TopZinc R, TopZincRS i TopZinc R+. 2020.
7. PN-EN ISO 8501-1: Przygotowanie podłoży stalowych przed nakładaniem farbi podobnych produkcji