OCHRONA KATODOWA STALI ZBROJENIOWEJ W OBIEKTACH INŻYNIERSKICH W DŁUGOLETNIM OKRESIE EKSPLOATACJI
I summary
Cathodic protection of reinforcing steel in engineering structures over a long service life The prevention of corrosion foci in the reinforcementof reinforced concrete engineering structures is oneof the main factors that enable their long and reliableservice life. This article describes the principles of cathodic protection as well as its impact on the durability and repair costs of engineering structures. Examples of the application of cathodic protectionin repaired bridge structures worldwide and in Polandover a long service life are presented.
Keywords: corrosion prevention, reinforcement,cathodic protection, durability, engineering structures
W Polsce z roku na rok przybywa wybudowanych i oddanych do eksploatacji nowych obiektów mostowych. Z danych Generalnej Dyrekcji Dróg i Autostrad wynika, że od 2002 roku przybyło w ich zasobach około 6300 nowych obiektów mostowych. Łączna długość obiektów mostowych w Polsce, którymi zarządza GDDKIA to ok. 555 km o łącznej powierzchnia ok. 8,1 mln m2. Zauważalna jest również wyższa dynamika wzrostu kosztów ponoszonych przez GDDKIA utrzymania obiektów inżynierskich wynosząca r/r – 13,5 %. Obiektom inżynierskim, ze względu na ich funkcję i znaczenie strategiczne stawiane są szczególnie wysokie wymagania w zakresie trwałości i wydłużeniu okresu eksploatacji. Biorąc pod uwagę powstawanie nowych obiektów mostowych, należy zwrócić uwagę, że nawet w prawidłowo zaprojektowanej i wykonanej konstrukcji żelbetowej, może dojść do procesów korozyjnych stali zbrojeniowej. W przypadku wykonywania remontów konstrukcji inżynierskich europejska zharmonizowana norma PN-EN 1504-9[1] za najistotniejsze przyczyny korozji zbrojenia uznaje korozyjne oddziaływanie chlorków, karbonatyzację betonu, innych niż chlorki halogenków, a także innych związków chemicznych rozpuszczalnych w wodzie. Według normy ochrona katodowa jest szczególnie odpowiednia w przypadku znacznego skażenia chlorkami lub intensywnej karbonatyzacji sięgającej głębokości zbrojenia. Ochrona katodowa pozwala na skuteczne i długotrwałe ograniczenie korozji oraz przeciwdziała problemowi odtwarzającej się anody i skażenia betonu [1]. Spośród wszystkich technologii zabezpieczenia stali zbrojeniowej, ochrona katodowa jest jedyną technologią, która może bezpośrednio zatrzymać korozję, nawet w najbardziej korozyjnym środowisku, jeśli jest prawidłowo zaprojektowana, zainstalowana i zastosowana [2]. W niniejszym artykule opisano zasady działania ochrony katodowej, wpływ na trwałość i koszty naprawy obiektów inżynierskich. Przedstawiono przykłady zastosowania ochrony katodowej w remontowanych konstrukcjach mostowych na Świecie i w Polsce w długoletnim okresie eksploatacji.
Ochrona katodowa zbrojenia
Ochrona katodowa jest metodą elektrochemiczną ochrony stali przed korozją i polega na stworzeniu takiego układu, w którym chroniony metal będzie katodą. Jeśli metal, który należy ochronić przed procesami korozyjnymi będzie katodą, to na nim zawsze będą zachodziły tylko i wyłącznie reakcje redukcji, natomiast na anodzie będą zachodziły reakcje utleniania, czyli korozji. Układ pozwalający aby chroniony metal był katodą, można stworzyć w dwojaki sposób:
– stosując zewnętrzne źródło napięcia i wówczas taki typ ochrony jest nazywany ochroną katodową elektrochemiczną (rys. 1).
Rys. 1. Ochrona katodowa – elektrochemiczna
– stosując połączenie metalu chronionego z metalem o niższym potencjale w stosunku do potencjału metalu chronionego. Wówczas metal o niższym potencjale staje się anodą, na której zachodzą reakcje utleniania (korozji), a metal chroniony jest katodą i jest trwale chroniony. Taki typ ochrony nazywany jest ochroną katodową galwaniczną, lub ochroną katodową protektorową, lub ochroną katodową metodą traconej anody (rys. 2).
Rys. 2. Ochrona katodowa – galwaniczna, protektorowa lub traconej anody.
Ogólne zasady stosowania ochrony katodowej stali w betonie zapisane są w europejskiej normie PN-EN ISO 12696:2022 [3]. Według normy ochronę katodową przy zastosowaniu protektorów lub anod cynkowych możemy stosować zarówno w nowych konstrukcjach inżynierskich np. w strefach najbardziej narażonych na korozję lub agresywne działanie jonów chlorkowych oraz w konstrukcjach naprawianych, gdzie kwestię napraw konstrukcji żelbetowych reguluje bardzo dokładnie europejska zharmonizowana norma PN-EN 1504-9 [1]. Protektory cynkowe stosowane do ochrony katodowej zbrojenia zbudowane są ze specjalnie skonstruowanego i elektrochemicznie aktywowanego rdzenia cynkowego o najwyższej dostępnej czystości (Zn 99,995%) oraz z zaprawy mineralnej o bardzo dużej alkaliczności, która go otacza. Protektory i anody cynkowe rozpoczynają swoje działanie ochronne stali zbrojeniowej po prawidłowym podłączeniu do prętów zbrojeniowych i zabetonowaniu zbrojenia lub wykonaniu naprawy. Protektory cynkowe możemy montować bezpośrednio do stali zbrojeniowej (rys. 3) lub pośrednio za pomocą specjalnego zestawu połączeniowego (rys. 4).
Rys. 3 . Podłączenie bezpośrednie protektorów cynkowych do zbrojenia
Rysunek 4 . Badanie przepływu prądu oraz oporu.
Rys. 5 . Podłączenie pośrednie protektorów cynkowych do zbrojenia
Rys. 6 . Podłączenie pośrednie anody cynkowej do zbrojenia za pośrednictwem kotwy przewodzącej
Beton jest niezmiernie ważnym czynnikiem w ochronie katodowej ponieważ stanowi on „elektrolit”, w którym dochodzi do wymiany jonów między katodą i anodą. Ochrona katodowa zbrojenia daje nam możliwością zaplanowania czasu jej trwania, wynoszącego nawet 50 lat, w różnych klasa ekspozycji: od X0 do XA3. Dodatkową korzyścią jest zwiększenie alkaliczności w strefie podłączenia protektorów. W celu odpowiedniego doboru protektorów dla elementów konstrukcji należy się kierować się wytycznymi z normy PN-EN ISO 12696:2022 [3] oraz producenta protektorów. W doborze ilości protektorów bierzemy pod uwagę klasę ekspozycji zgodną z norma PN-EN 206+A1:2016-12 [4], ilość i średnicę prętów zbrojeniowych przewidzianych do ochrony oraz zakładany minimalny okres ochrony. Po wykonaniu obliczeń wykonany zostaje schemat rozmieszczenia protektorów, tak aby zapewniony był równomierny rozdział prądu na siatce zbrojeniowej, dający pewność dostarczenia odpowiedniej gęstości prądu, jaki powinien wytworzyć układ galwaniczny (protektor cynkowy – pręt). W przypadku podłączenia protektorów cynkowych do stali zbrojeniowej konstrukcji inżynierskich, proces ochrony jest stały od początku montażu protektorów ale jego start rozpoczyna się od momentu wystąpienia procesów korozyjnych wywołanych czynnikami zewnętrznymi ( rysy, karbonatyzacja betonu, czynniki agresywne wpływające na korozję stali tj. jony chlorkowe lub inne związki) i tak naprawdę jest zdecydowanie dłuższy niż projektowany.
Wpływ zastosowania ochrony katodowej na trwałość konstrukcji
Trwałość konstrukcji przeważnie jest ograniczona ze względu na skutek działania agresywnego środowiska, które prowadzi do korozji zbrojenia oraz destrukcji elementu lub obiektu. W normie PN-EN 206:201[4] dokonano klasyfikacji oddziaływań środowiska jako klasy ekspozycji. Klasy ekspozycji występujące na konstrukcjach inżynierskich przedstawiono na rysunku 5.
Rys 7.Klasy ekspozycji obiektów inżynieryjnych [4]
W przypadku remontowanych konstrukcji standardowa naprawa elementu żelbetowego sprowadza się zwykle do oczyszczenia prętów do klasy czystości Sa 2.5, zabezpieczenia zbrojenia warstwą antykorozyjną, reprofilacji i wykonania powłoki ochronnej. W momencie, w którym w naprawionej konstrukcji żelbetowej dojdzie do kontaktu z cieczą, która znajdujące się w porach betonu i zawiera np. chlorki z cieczą w porach świeżej zaprawy bez zawartości chlorków, to zgodnie z zasadą wyrównania stężeń roztworów dojdzie do błyskawicznej migracji chlorków do świeżej zaprawy. Doprowadzi to do bardzo szybkiej korozji „tradycyjnie naprawionego” zbrojenia. Miejsca naprawiane mogą inicjować korozję w przyległych obszarach skażonego betonu (efekt odtwarzającej się anody). W przypadku małych otulin już nawet po jednym miesiącu widoczne będą pęknięcia w obszarze wykonanej naprawy, rdzawe wykwity lub odspojenia miejsc zaprawy naprawczej. Dlatego można powiedzieć wprost, że w przypadku wykonywania remontów konstrukcji, w których beton jest skażony chlorkami lub otulina jest skarbonatyzowana, naprawy wykonywane tylko przy zastosowaniu materiałów naprawczych nie będzie skuteczna , a poniesione duże koszty remontu nie powodują przedłużania trwałości obiektu. W krótkim okresie dojdzie do ponownych procesów korozyjnych oraz konieczności wykonania ponownego remontu.
Badania i wyliczenia wykazały, że koszty naprawy filarów wiaduktu są dużo większe od kosztów ich wykonania. Według niemieckich źródeł nakłady finansowe naprawy tamtejszych filarów na autostradzie wyniósł ok 30 tys Euro. Koszt kierowania ruchem podczas naprawy wyniosły 100-120 tys Euro. Dodatkowe koszty związane ze wstrzymaniem ruchu (np. dodatkowe spalanie benzyny, nakład czasu) oraz koszty społeczne nie były brane pod uwagę [6]. Kompleksowy remont obiektów inżynieryjnych nie pozostaje również obojętny dla środowiska. Energia potrzebna do przeprowadzenia prac remontowych, odpady po wykonaniu remontu do utylizacji oraz zanieczyszczenie otoczenia podczas prowadzenia prac mają znaczny wpływ na ekologię. W związku z powyższym należy pamiętać, że w przypadku remontu obiektów, oprócz wykonania kompleksowej diagnostyki elementów obiektu należy stosować dodatkowe materiały i zabezpieczenia , które spowodują zatrzymanie procesów korozyjnych oraz w spowodują wydłużenie okresu pomiędzy remontami.
Przykłady zastosowania ochrony katodowej remontowanych obiektach inżynierskich na Świecie oraz Polsce
Ochronę katodową zbrojenia konstrukcji żelbetowej po raz pierwszy wykonano w USA (Stratfull) w latach pięćdziesiątych dwudziestego wieku [8,9]. Jednak dopiero po roku 1970 ochrona katodowa przyjęto w szerszym zakresie do napraw spowodowanych korozjąstali zbrojeniowej płyt żelbetowych mostów drogowych w Stanach Zjednoczonych oraz Kanadzie [10,11]. Ochrona katodowa została zastosowana także w obiektach komunikacyjnych i hydrotechnicznych na terenie Europy Zachodniej, zwłaszcza we Włoszech, Anglii, Francji, Danii, Holandii, Norwegii, Niemczech i Szwajcarii [10,11]. Około 1984 r. kraje europejskie zaczęły dostrzegać problem związany z korozją stali zbrojeniowej oraz wielkością ponoszonych cyklicznych kosztów napraw. W 1985 r. Wielka Brytania rozpoczęła wdrażanie technologii zabezpieczenia zbrojenia przy zastosowaniu ochrony katodowej. Od tego czasu wykonano zabezpieczenie na około 2,15 miliona metrów kwadratowych powierzchni betonowej przy użyciu różnych typów systemów ochrony katodowej. Szczególną budowląw Europie, w której na już na etapie projektowym przewidziano ochronę katodową jest Eurotunel pod Kanałem la Manche [9]. Od 1996 r. w Australii i Hongkongu zaczęto wprowadzać systemy ochrony katodową. W Australii zabezpieczano przy zastosowaniu ochrony katodowej mosty, nabrzeża oraz inne konstrukcje, w tym podpory Opery w Sydney. Również w Korei Południowowej, Singapurze i Japonia wproadzono i zabezpieczoneo obiekty przy zastosowaniu ochrony katodowej. W Chinach zastosowały ochronę katodową na konstrukcjach zbudowanych na Igrzyska Olimpijskie w 2008r. Na Bliskim Wschodzie zastosowano jeden z największych systemów ochrony katodowej na konstrukcji żelbetowej .
W Polsce od 2012 roku zaprojektowano i zrealizowano ponad 40 nowych i remontowanych obiektów mostowych, na których została wykonana ochrona katodowa przy zastosowaniu protektorów cynkowych. W 2022r przeprowadzone zostały przeglądy na obiektach w których zainstalowano ochronę katodową. Pomiary i badania makroskopowe potwierdziły brak korozji i skuteczność działania protektorów cynkowych. W celu sprawdzenia trwałości działania protektorów przeprowadzono również badania polowe, trwające 10 lat, od 2011r. do 2020r. Tak długi czas prowadzonych badań pozwolił na zaobserwowanie procesów ochrony katodowej w poddanych ekspozycji chlorkowej próbkach wraz z pomiarem ubytku roztworzonej anody w protektorach. Przebieg badań dokładnie opisano w artykule w czasopiśmie Mosty [12]. Wykonane badania polowe wykazały, że w okresie badawczym wynoszącym prawie 10 lat zastosowana ochrona katodowa w postaci cynkowych protektorów ochronnych zbrojenia skutecznie chroniła je przed działaniem procesów korozyjnych. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że w przypadku niezmiennych warunków teoretyczny czas życia protektora w opisanym przypadku wyniósłby aż 160 lat. Poniżej przedstawiano przykłady wykonania ochrony katodowej na obiektach w Polsce.
REALIZACJA NR 1- WIADUKT DROGOWO- KOLEJOWY
W ramach remontu wiaduktu drogowo-kolejowego na linii kolejowej Warszawa – Dorohusk w ciągu ul. Mełgiewskiej w Lublinie wykonano projekt wykonawczy w którym, z uwagi na zaniżone grubość otulin podpór wiaduktu podjęto decyzję o zastosowaniu ochrony katodowej zbrojenia z użyciem protektorów cynkowych. W projekcie uwzględniono zastosowanie ochrony katodowej poprzez montaż protektorów TopZinc R 70 montowanych bezpośrednio do istniejącego i nowowbudowlanego zbrojenia. Protektory cynkowe zostały tak zaprojektowane i rozmieszczone, aby zapewniony był równomierny rozdział prądu na siatce zbrojeniowej, dający pewność dostarczenia odpowiedniej gęstości prądu jaki powinien wytworzyć układ galwaniczny (protektor cynkowy – pręt). W 2014 roku przystąpiono do prac wykonawczych związanych z remontem wiaduktu . Po skuciu słabych elementów otuliny, oczyszczeniu powierzchni betonu oraz odsłoniętych prętów zbrojeniowych do stopnia czystości Sa 2 1/2 (wg PN-EN ISO 8501-1[14]) zgodne z pkt. 7.3 normy PN-EN 1504-10:2005 [15], przystąpiono do montażu zaprojektowanych nowych siatek z prętów zbrojeniowych oraz montażu protektorów cynkowych do ochrony katodowej zbrojenia zarówno na istniejącym zbrojeniu jak również na siatkach torkretowych. Po montażu protektorów cynkowych wykonano badania ciągłości elektrycznej pomiędzy protektorem a prętem zbrojeniowym oraz badania rezystancji, czyli oporu. Następnie wykonano natrysk torkretu oraz zabezpieczono naprawioną powierzchnię barwnymi powłokami antykorozyjnymi. W roku 2022 przeprowadzono badania potencjałów korozyjnych oraz przegląd stanu technicznego podpór. Na podporach nie stwierdzono żadnych oznak korozji w strefie zabezpieczonej katodowo przy zastosowaniu protektorów cynkowych Badania makroskopowe oraz potencjałów, co potwierdziły skuteczność zastosowanych rozwiązań projektowych.
Rys. 8.Widok na podporę wiaduktu przed remontem (2013r.)
Rys. 9.Widok na skorodowaną konstrukcję wiaduktu przed remontem (2013r.)
Rys. 10.Widok na konstrukcję w czasie remontu (2014r. ) –siatka torkretowa
Rys. 11.Widok na wiadukt podczas przeglądu ( 2022r.)
REALIZACJA NR 2 – MOST PRZEZ RZEKĘ UTRATĘ W PRUSZKOWIE
W ramach przebudowy w roku 2015 mostu nad rzeka Utratą w ciągu drogi wojewódzkiej 719 w miejscowości Pruszków z uwagi na zniszczenia przyczółków oraz skażenie otuliny chlorkami podjęto decyzję o zastosowaniu ochrony katodowej zbrojenia z użyciem protektorów cynkowych. W projekcie uwzględniono zastosowanie ochrony katodowej przez montaż protektorów TopZinc R70 montowanych bezpośrednio do zbrojenia w nowych przyczółkach. W roku 2022, po 7 latach od zakończenia remontu, przeprowadzono przegląd stanu technicznego konstrukcji mostu. Nie stwierdzono żadnych oznak korozji zbrojenia w strefie zabezpieczonej katodowo przy zastosowaniu protektorów cynkowych, co potwierdziło skuteczność zastosowanych rozwiązań projektowych.
Rys. 12. Widok na konstrukcję przed remontem (2014r.)
Rys. 13. Zamontowane protektory cynkowe TopZinc (2015r. )
Rys. 14. Pomiar rezystancji po podłączeniu protektora (2015r. )
Rys. 15.Widok na wiadukt podczas przeglądu ( 2022r.)
REALIZACJA NR 3- WIADUKT DROGOWO- KOLEJOWY
W roku 2016 podczas remontu wiaduktu kolejowego nad ul Górczewską w Warszawie zaprojektowano i wykonano ze względu na korozję zbrojenia w podporach wiaduktu spowodowaną jonami chlorkowymi ochronę katodową zbrojenia. W ramach prac remontowych zabezpieczono zbrojenie podpór w strefie rozbryzgu solanki. Po zaprojektowaniu ochrony katodowej zbrojenia i montażu protektorów na siatce zbrojenia wykonano naprawę przy zastosowaniu materiałów mineralnych oraz pokryto podpory barwnymi powłokami antykorozyjnymi.
W roku 2022 przeprowadzono przegląd stanu technicznego podpór wiaduktu. Na żadnej z wyremontowanych podpór nie stwierdzono żadnych oznak korozji w strefie zabezpieczonej katodowo przy zastosowaniu
protektorów cynkowych.
Rys. 16.Widok na konstrukcję przed remontem (2015r.)
Rys. 17.Widok na konstrukcję przed remontem (2015r.)
Rys. 18. Schemat rozmieszczenia protektorów cynkowych (2015r)
Rys. 18. Widok na wiadukt podczas przeglądu ( 2022r.)
Podsumowanie i wnioski
W przypadku remontów konstrukcji na etapie wykonania opinii technicznych, ekspertyz oraz projektów należy zwrócić szczególną uwagę na badania zawartości jonów chlorkowych oraz głębokość skarbonatyzownia otuliny betonowej. Badania stopnia skarbonatyzowania należy wykonywać przy użyciu pH-metru elektronicznego w celu otrzymania precyzyjnych wyników , których nie dają nam badania przy zastosowaniu fenoloftaleiny lub Rainbow-testu. Badania stężenia chlorków należy przeprowadzać metodami analitycznymi no. metodą Mohra lub Volharda. W przypadku przekroczenia normowych wartości skażenia jonami chlorkowymi lub skarbonatyzownia otuliny na głębokości zbrojenia, należy wdrażać zgodne z europejską zharmonizowaną normą PN-EN 1504-9 [1] inne niż tradycyjne metody napraw, takie jak ochrona katodowa przy zastosowaniu protektorów cynkowych (zasada 10). Ochrona katodowa pozwala na skuteczne i długotrwałe ograniczenie korozji oraz przeciwdziała problemowi odtwarzającej się anody, związanych m.in. ze skażenia betonu, co zostało potwierdzone badaniami na wyremontowanych obiektach. Wyniki raportu [2] z 2009 roku wykonanego przez amerykańską instytucję ,,Federal Highway Administration’’ , potwierdzają skuteczne wdrożenie ochrony kattodowej. Kraje, które pomyślnie wdrożyły technologię ochrony katodowej, odnotowały zmniejszenie częstotliwości i kosztów konserwacji mostów oraz zwiększenie trwałości swoich konstrukcji mostowych. Identyczne wnioski nasuwają się z wdrożonej ochrony katodowej obiektów w Polsce, co wynika z przeprowadzonych sprawdzeń kontrolnych, że po 13 latach nie doszło do korozji zbrojenia co przekłada się na znaczące zmniejszenie kosztów utrzymania obiektów.
mgr inż Daniel BIAŁECKI
mgr inż. Marcin MAJEWSKI
| [1] | PN-EN 1504-9: Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych — Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności — Część 9: Ogólne zasady dotyczące stosowania wyrobów i systemów. |
| [2] | Barnhart, R.A., FHWA Position on Cathodic Protection, In Memorandum, Federal Highway Administration, Washington, D.C., 1982. |
| [3] | PN-EN ISO 12696:2022: Ochrona katodowa stali w betonie. |
| [4] | PN-EN 206 Beton – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność |
| [5] | Ilski M., Błaszczyński T., Hydrofobizacja wgłębna – Nowa strategia poprawy trwałości konstrukcji mostowych.. MBWP 2024, Związek Mostowców RP,Poznań, 2024 |
| [6] | Www.rp.pl Niemcy mają problem z mostami i wiaduktami. |
| [7] | Kamil K, Digital twins of bridges: establishing principles of virtualization with practical use cases, 2023 |
| [8] | Ilski M, Hydrofobizacja, wady zalety, kontrola efektywności, Mosty. Budowa, wzmacnianie, przebudowa. MBWP 2023, Związek Mostowców RP, Poznań, 2023 |
| [9] | Jaśniok M, Zybura A, Zabezpieczenie i regeneracja zagrożonych korozją konstrukcji z betonu katodowa i protektorowa ochrona zbrojenia. Przegląd Budowlany 5/2007 s.38-45. |
| [10] | Mietz J., Elektrochemische Schutzverfahren zur Beseitigung von Korrosionsrisiken an Stahlbetonbauwerken, Bauingenieur 68,1993, s. 533-538 |
| [11] | Ściślewski Z., Ochrona konstrukcji żelbetowych, Arkady, Warszawa 1999 |
| [12] | Banaś A., Majewski M. Ochrona katodowa stali zbrojeniowej w długoletnim okresie eksploatacji, Mosty 2021. |
| [13] | ASTM – 91 Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete 1999. |
| [14] | PN-EN PN-EN ISO 8501-1 Przygotowanie podłoży stalowych przed nakładaniem farb i podobnych produktów — Wzrokowa ocena czystości powierzchni — Część 1: Stopnie skorodowania i stopnie przygotowania niepokrytych podłoży stalowych oraz podłoży stalowych po całkowitym usunięciu wcześniej nałożonych powłok |
| [15] | PN-EN 1504 -10: Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych — Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności — Część 10: Stosowanie wyrobów i systemów na placu budowy oraz sterowanie jakością prac |