Ochrona katodowa stali zbrojeniowej na przykładzie remontu wiaduktu M .04 nad aleją Prymasa Tysiąclecia w Warszawie
mgr inż. Daniel Białecki
mgr inż. Marcin Majewski
Mechanizmy powstawania korozji zbrojenia
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].
Fot.1. Korozja oczepu podpory po kilku miesiącach od naprawy
Fot. 2 Skanowanie konstrukcji
Zasady i metod zabezpieczenia konstrukcji żelbetowej
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].
Przykład zabezpieczenia stali zbrojeniowej przy użyciu protektorów cynkowych w na przykładzie remontu wiaduktu M.04 nad aleja Prymasa Tysiąclecia w Warszawie.
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.
Fot. 3 Widok na nawę środową wiaduktu
Fot. 4. Korozja zbrojenia
Fot. 5. Pręty zbrojeniowe przygotowane do montażu protektorów cynkowych
Fot. 6. Rozmieszczenie protektorów na zbrojeniu na nawie środkowej wiaduktu
Fot. 7. Protektory cynkowe TopZinc R 70
Podsumowanie
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.
»»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.
»» 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.
Piśmiennictwo:
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