M O S T Y – B U D O W A, W Z M A C N I A N I E, P R Z E B U D O W A
18-19 kwietnia 2024
OCHRONA KATODOWA ZBROJENIA W NAPRAWIANYCH KONSTRUKCJACH INŻYNIERSKICH PRZY ZASTOSOWANIU PROTEKTORÓW CYNKOWYCH
Prof. dr hab. inż. Arkadiusz MADAJ
mgr inż. Daniel BIAŁECKI
Streszczenie
Ochrona przed korozją zbrojenia odbywa się na kilku poziomach: ochrona powierzchniowa betonu, dodawanie do betonu inhibitorów korozji, powłoki ochronne nakładane na pręty, ochrona katodowa. Ochrona katodowa może być realizowana za pomocą zewnętrznego źródła prądu (ochrona elektrochemiczna) lub przy wykorzystaniu traconych elektrod (galwaniczna, protektorowa). Ochrona przed korozją zbrojenia za pomocą traconych anod jest bardzo efektywna. Polega ona na dołączaniu do zbrojenia konstrukcji specjalnych elementów – anod wykonanych z czystego cynku (Zn). W artykule opisano ogólne zasady stosowania tej metody oraz podano przykłady jej wykorzystania do zabezpieczenia przed korozją zbrojenia w naprawianych konstrukcjach.
Słowa kluczowe: naprawa konstrukcji, zabezpieczenie zbrojenia przed korozją, ochrona katodowa zbrojenia
1. WPROWADZENIE
Jedna z najczęstszych przyczyn uszkodzeń konstrukcji betonowych, to korozja zbrojenia – zarówno tzw. miękkiego (zwykłe) jak i sprężającego. W wypadku nowych konstrukcji funkcję ochronną pełni beton, którego silnie zasadowy odczyn pH powoduje pasywację stali, co skutecznie hamuje procesy korozji tak długo, dopóki w wyniku procesu karbonatyzacji pH betonu nie ulegnie obniżeniu. Graniczna wartość to ok. pH = 9 – 10, przy której warstwa pasywacyjna ulega niszczeniu. Z nieco odmienną sytuacją mamy do czynienia w przypadku naprawianych konstrukcji. Z reguły nie usuwamy całej otuliny zbrojenia, a naprawie poddajemy tylko te miejsca, w których na skutek korozji wystąpiły ubytki betonu ewentualnie miejsca, w których usunięto skorodowany beton. Fakt ten ma to istotny wpływ na skuteczność i trwałość naprawianej konstrukcji zbrojonych. Błędy popełnione w tym zakresie prowadzą do wtórne uszkodzenia konstrukcji zbrojonych już po kilku- kilkunastu latach od wykonanej naprawy [6]. Nie uzyskanie odpowiedniej trwałości naprawianej konstrukcji zbrojonej wynika m.in. z tego, że:
– beton jest skarbonatyzowany w znacznym stopniu nie tylko w miejscach, w których doszło do korozji zbrojenia i nastąpiła depasywacja zbrojenia w obszarach nie uszkodzonego betonu,
– w wielu miejscach beton jest nasycony związkami chloru,
– struktura betonu naprawianej konstrukcji jest lokalnie zniszczona i występują pęknięcia i rysy,
– powierzchnia zbrojenia nie została dobrze oczyszczona, co sprzyja powstawaniu mikroogniw korozyjnych.
Brak uzyskania odpowiedniej trwałości naprawianych konstrukcji wynika ponadto z tego, że występują duże trudności w prawidłowym oczyszczeniu betonu i osłoniętego zbrojenia z produktów korozji, także odpowiedniego przygotowanie powierzchni betonu w naprawianych miejscach. Popełniane błędy to najczęściej nie usunięcie skaronatyzowanego i nasyconego szkodliwymi związkami betonu na całym obwodzie i długości pręta oraz pozostawienie pręta w skarbonatyzowanym betonie. Usuwany jest na ogół jedynie słaby, luźno związany z podłożem beton. Jednak jest to zabieg niewystarczający, trzeba bowiem przestrzegać generalnej zasady, by zbrojenie naprawianej konstrukcji znajdowało się w betonie o niezróżnicowanych właściwościach fizycznych i chemicznych, co wymusza by usuwać beton z większego obszaru, niż z tego, w którym występują bezpośrednie objawy korozji. Ponadto, szczególnie jeśli miejsca uszkodzone mają niewielkie rozmiary, trudno jest prawidłowo dokonać reprofilacji i następnie naprawiony obszar należycie pielęgnować, w celu uzyskania wymaganych parametrów. Nie jest również bardzo często przestrzegana podstawowa zasada, by materiał użyty do naprawy spełniał wszystkie wymagania co do zgodności z naprawianym podłożem w zakresie parametrów fizycznych i chemicznych. Warstwa naprawcza musi być również w pełni i trwale zespolona z podłożem, a zastosowany materiał musi gwarantować współodkształcalność podłoża i warstwy naprawczej. Warstwa naprawcza musi być także dostatecznie szczelna i odporna na oddziaływanie środowiska (opór dyfuzyjny dla pary wodnej, opór dyfuzyjny dla CO2, nieprzepuszczalność jonów chlorkowych), a także mieć zdolność do pasywacji zbrojenia. Dobrą zasadą jest również, by przed nałożeniem warstwy naprawczej wykonać na powierzchni zbrojeni warstwę ochronną zwiększającą odporność korozyjną zbrojenia i gwarantującą odpowiednią przyczepność betonu do zbrojenia.
Na podstawowe zasady prowadzenia skutecznej naprawy konstrukcji zbrojonych wskazano m.in. w [7].
Te wszystkie powody mają istotny wpływ na skuteczność naprawy uszkodzonych korozyjne konstrukcji zbrojonych. Dlatego powinny być stosowane takie technologie, które nawet przy nie spełnieniu wszystkich wymienionych wymagań pozwolą na zagwarantowanie odpowiedniej trwałości naprawionej konstrukcji. Z tego m.in. względu w naszej ocenie korzystne jest stosowanie przy naprawach konstrukcji zbrojonych ochrony katodowej, w tym przy zastosowaniu protektorów cynkowych. Alternatywą może być ochrona czynna, tzw. elektrochemiczna, przy wykorzystaniu zewnętrznego źródła prądu i zewnętrznych elektrod (anod). Ten drugi sposób jest jednak dość kłopotliwy w praktycznym stosowaniu.
2. OGÓLNE METODY OCHRONY ZBROJENIA W NAPRAWIANYCH KONSTRUKCJACH BETONOWYCH.
Jest wiele metod ochrony przed korozją zbrojenia w konstrukcjach betonowych. W przypadku nowych konstrukcji z reguły nie stosuje się specjalnych zabiegów ochronnych. Funkcje tę spełnia beton, którego wysokie pH powoduje pasywację powierzchni zbrojenia. Jest to skuteczna i wystarczająca ochrona zbrojenia przed korozją, jeśli nie występują szczególnie niekorzystne warunki eksploatacji konstrukcji (np. kanały ściekowe). Dlatego rzadko w nowych konstrukcjach stosuje się dodatkowe zabezpieczenie zbrojenia np. przez powlekanie powierzchni warstwą żywicy epoksydowej czy cynku. Najlepszą ochronę daje beton wykonany przy zastosowaniu cementu CEMI (wysoki odczyn zasadowy cieczy porowej). Gorzej chronione jest zbrojenie w betonie wykonanym przy wykorzystaniu cementu CEMII, ale zależy to w dużym stopniu od zastosowanych dodatków do cementu.
W przypadku naprawianych konstrukcji problem jest zdecydowanie bardziej złożony i skuteczne zabezpieczenie zbrojenia przed korozją jest trudniejsze, na co wskazują wtórne uszkodzenia konstrukcji, bardzo często po kilku latach od wykonania remontu. W przypadku naprawy nie wystarczy np. wymiana skażonego i skarbonatyzowanego betonu na nowy. Przykładowo nie starannie oczyszczone i nieskutecznie zabezpieczone przed korozją zbrojenie bardzo szybko prowadzi do ponownego rozwoju korozji.
Zasady postępowanie przy zabezpieczaniu stali zbrojeniowej podaje norma PN-EN 1504-9 [10] (zasady 7 do 11). Zasada 7: Przywrócenie lub utrzymanie stanu pasywnego zbrojenia; Zasada 8: Podwyższenie oporności otuliny zbrojenia; Zasada 9: Kontrola obszarów katodowych, Zasada 10: Ochrona katodowa; Zasada 11: Kontrola obszarów anodowych. W przypadku naprawy uszkodzonych korozyjnie betonowych konstrukcji zbrojonych w praktyce stosowana jest wymiana skażonego lub skarbonatyzowanego betonu (zasada 7); nakładanie warstw ochronnych na naprawianą powierzchnię (zasada 8, 9), przyłożenie napięcia ze źródła zewnętrznego lub zastosowanie tzw. elektrod traconych) (zasada 10) oraz nakładanie na zbrojenie powłok ochronnych i dodawanie do betonu inhibitorów korozji (zasada 11). W dalszej części rozdziału pokrótce omówimy te metody, ze wskazaniem dlaczego tak efektywna jest zasada 10, dotycząca ochrony katodowej, przy wykorzystaniu traconych elektrod.
Zabezpieczenie powierzchniowe w miejscu wykonanej naprawy
Zabezpieczenie powierzchniowe, zgodnie z Zasadą 8 to podwyższenie oporności elektrycznej otuliny betonu. Można to uzyskać przez impregnację hydrofobującą (hydrofobizację) [3], a także przez nałożenie powłok ochronnych. Są to zabiegi, których podstawowym celem jest podniesienie trwałości betonu. Jednak uszczelnienie powierzchni betonu, które powoduje zmniejszenie prędkości karbonatyzacji i ograniczanie wnikania chlorków oraz wilgoci, podwyższa również oporność otuliny zbrojenia. Zwiększa to trwałość stali zbrojeniowej – opóźnienia procesy korozji.
Powierzchniowa ochrona zbrojenia
W przypadku naprawianych konstrukcji powierzchniowa ochrona zbrojenia polega na nakładaniu powłok ochronnych. Mogą to być powłoki z zastosowaniem żywic epoksydowych lub mineralne powłoki antykorozyjne wykonywane na bazie cementu. Przewagą tych drugich (mineralnych) nad żywicznymi jest taka, że nie wymagają tak starannego oczyszczenia zbrojenia (w przypadku żywicznych to co najmniej Sa2,5), z możliwość stosowania w niższych temperaturach (min +5oC, żywiczne min. +8oC) oraz nakładanie na wilgotne podłoże. Powłoki mineralne w mniejszym stopniu obniżają przyczepność nanoszonych zapraw do konstrukcji, jeśli zostanie ona zanieczyszczone preparatem impregnacyjnym. Jednak skuteczność obu metod wymaga, by były to powłoki całkowicie szczelne.
Inhibitory korozji
Ochrona inhibitorowa polega albo na nasączaniu betonu wokół naprawianych prętów inhibitorami korozji albo na dodawaniu jego do mieszanki betonowej. Dodane do betonu (lub nałożone na powierzchnię konstrukcji) substancje chemiczne tworzą na powierzchni zbrojenia warstwę trudno rozpuszczalnych związków. Warstwa ta wstrzymuje reakcje chemiczne zarówno w obszarze anodowym jak i katodowym oraz uniemożliwia dostęp do powierzchni stali jonów chloru. W przypadku naprawianych konstrukcji (uzupełnianie ubytków betonu) najbardziej skuteczne jest dodawanie inhibitora do mieszanki betonowej. Nakładanie inhibitora na powierzchnię betonu ma w praktyce zastosowanie do istniejących konstrukcji, jeśli chcemy spowolnić procesy korozji zbrojenia np. po stwierdzeniu, że beton jest skarbonatyzowany, ale jeszcze otulina nie uległa mechanicznemu uszkodzeniu (zniszczeniu).
Ochrona katodowa
Ochrona katodowa może być w formie tzw. ochrony galwanicznej, na ogół w postaci anod traconych mocowanych do zbrojenia, rzadziej w formie cynku natryskiwanego na pręty zbrojenia. Może być również realizowana przy wykorzystaniu siatek stanowiących anodę układanych na powierzchni konstrukcji i połączonych ze zbrojeniem. W celu zwiększenia skuteczności z wykorzystaniem zewnętrznego źródła prądu. Mniej kłopotliwa, a również skuteczna, jest ochrona katodowa – galwaniczna (inaczej protektorowa lub traconej anody). Polega ona na połączenie metalu chronionego (zbrojenia) z metalem o niższym potencjale w stosunku do potencjału metalu chronionego (najczęściej cynku).
Efektywność ochrony katodowej jest bardzo duża, ponieważ, jeśli zaprojektowana i wykonana jest poprawnie, pozwala naszym zdaniem na wyraźne podniesienie trwałości zbrojenia, a w przypadku wadliwie wykonanej naprawy uszkodzonej korozyjnie konstrukcji, pozwala na zminimalizowanie negatywnych skutków takiej naprawy.
3. OCHRONA KATODOWA ZBROJENIA PRZY ZASTOSOWANIU PROTEKTORÓW
Po raz pierwszy ochronę katodową zbrojenia konstrukcji żelbetowej wykonano w USA (Stratfull) w latach pięćdziesiątych dwudziestego wieku [4,5]. Jednak dopiero po roku 1970 ochrona katodowa przyjęto w szerszym zakresie do napraw korodujących pomostów żelbetowych mostów drogowych w Stanach Zjednoczonych oraz Kanadzie [8, 9]. Ochrona katodowa została zastosowana także w obiektach komunikacyjnych i hydrotechnicznych na terenie Europy Zachodniej, zwłaszcza we Włoszech, Anglii, Francji, Holandii, Norwegii, Niemczech i Szwajcarii [8, 9]. Przy pomocy ochrony katodowej są zabezpieczane mosty, wiadukty, estakady, ale również elementy wielokondygnacyjnych garaży, pirsów i nabrzeży portowych oraz konstrukcji żelbetowych wież wydobywczych ropy naftowej. Szczególną budowlą, w której na etapie projektowym przewidziano ochronę katodową jest Eurotunel pod Kanałem la Manche [4]. W Polsce ochrona katodowa przy zastosowaniu protektorów cynkowych jest z powodzeniem stosowana od 2012 r.
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
Rys.2 Ochrona katodowa – galwaniczna, protektorowa lub traconej anody.
– 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).
Protektory cynkowe ze względu na niższy potencjał (~ – 770 mV) od potencjału stali (~ – 440 mV), po połączeniu ze stalą i zabetonowaniu, stają się anodami i na nich przebiegają reakcje utleniania czyli korozji, aż do momentu całkowitego utlenienia anody. 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. Przewody łączące protektor ze stalą zbrojeniową są wykonane z drutu stalowego ocynkowanego ogniowo. Protektory cynkowe możemy montować bezpośrednio] do stali zbrojeniowej (rys. 3) lub pośrednio za pomocą specjalnego zestawu połączeniowego (rys. 4).
Ogólne zasady stosowania ochrony katodowej stali w betonie zapisane są w europejskiej normie PN-EN ISO 12696:2022 [11]. Protektory cynkowe 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[x]. Protektory cynkowe rozpoczynają swoje działanie ochronne stali zbrojeniowej po prawidłowym zamontowaniu do prętów zbrojeniowych i zabetonowaniu zbrojenia. Beton jest niezmiernie ważnym czynnikiem w ochronie katodowej ponieważ stanowi on „elektrolit”, w którym dochodzi do wymiany jonów między katoda i anodą. Ochrona katodowa będzie aktywna, jeśli będzie elektrolit, czyli beton. Ochrona katodowa zbrojenia z wykorzystaniem protektorów 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.
Norma PN-EN ISO 12696:2022 [11] dopuszcza również stosowanie ochrony katodowej w konstrukcjach sprężonych. Projektując taką ochronę dla elementów sprężonych należy zwrócić uwagę na możliwość wystąpienia kruchości wodorowej w cięgnach sprężających z uwagi na inny skład chemiczny stali w porównaniu do klasycznej stali zbrojeniowej (A1 – AIIIN). Chroniony katodowo element sprężony, nie może osiągnąć potencjału wyższego co do wartości bezwzględnej od -900mV, co np. możliwe przy zastosowaniu protektorów TopZinc.
4. OGÓLNE ZASADY PROJEKTOWANIA OCHRONY KATODOWEJ OBIEKTÓW INŻYNIERSKICH
W przypadku wykonywania remontów konstrukcji inżynierskich europejska zharmonizowana norma PN-EN 1504-9[10] 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 [10]. Standardowa naprawa elementu żelbetowego sprowadza się zwykle do oczyszczenia prętów do klasy czystości Sa2.5, 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 zawsze będzie skuteczna.
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. W warunkach charakteryzujących się dużą wilgotnością skuteczność ochrony katodowej, z uwagi na spadek rezystancji betonu, radykalnie wzrasta. W rezultacie wytworzony układ elektryczny cechuje bardzo wysoka trwałość i niska roztwarzalność rdzenia protektora.
W celu sprawdzenia trwałości działania protektorów przeprowadzono badania polowe, trwające 10 lat, od 2011r. do 2020r. Tak długi czas prowadzonych badań pozwolił na zaobserwowanie postępujących procesów korozyjnych. Przebieg badań dokładnie opisano w artykule w czasopiśmie Mosty [2]. 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.
Na podstawie uzyskanych w trakcie badań danych, korzystając z pierwszego prawa Faraday’a można określić gęstość prądu, jaki powinien wytworzyć układ galwaniczny (protektor cynkowy – pręt), aby zapewnić ochronę antykorozyjną. Zależność Faraday’a ma następującą postać:
me=k*I*t (4.1)
gdzie: me – masa substancji wydzielonej na elektrodzie [g];
k – równoważnik elektrochemiczny [g/A s];
dla cynku k = 0,000339 [g/A s],
I – natężenie prądu [A],
t – czas trwania elektrolizy [s].
Przeprowadzone dla układu chronionego protektorem cynkowym obliczenia wykazały gęstość prądu równą 3,49 mA/m2. Minimalna gęstość prądu ochronnego dla betonu wynosi 1 mA/m2[x]. Widać więc, że gęstość prądu wytworzona w ogniwie jest znacznie większa, co zapewnia skuteczną ochronę katodową pręta.
Oprócz gęstości prądu ochronnego na podstawie prawa Faraday’a można obliczyć także „żywotność protektora”, zwaną inaczej czasem życia protektora. Jest to czas, w jakim protektor będzie dostarczał do konstrukcji chronionej prąd polaryzacyjny zapewniając obiektowi ochronę. Można go wyliczyć z następującej zależności:
tp=(mp*n )/(k*i) (4.2)
gdzie: tp – czas życia protektora [lata]
mp – masa protektora [g],
– sprawność prądowa protektora [%], obliczona jako stosunek qrzecz/qteor
qrzecz – rzeczywista wydajność prądowa [As/g]
qteor – teoretyczna wydajność prądowa [As/g]
k – równoważnik elektrochemiczny [g/As]
i – natężenie prądu [A]
Przeprowadzone obliczenia wykazały, że w przypadku niezmiennych warunków teoretyczny czas życia protektora w opisanym przypadku wyniósłby aż 160 lat.
W celu odpowiedniego doboru protektorów w naprawianej konstrukcji należy się kierować się wytycznymi z normy PN-EN ISO 12696:2022 [11] oraz producenta protektorów. W doborze ilości protektorów bierzemy pod uwagę klasę ekspozycji zgodną z norma PN-EN 206+A1:2016-12 [12], 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).
5. PRZYKŁADY REALIZACJI NAPRAW KONSTRUKCJI INŻYNIERSKICH Z ZASTOSOWANIEM PROTEKTORÓW
Od 2012 roku w Polsce zaprojektowano i zrealizowano ponad 30 obiektów, na których zostały zamontowane protektory cynkowe do ochrony katodowej zbrojenia (wiadukty, mosty, przepusty). Na wielu obiektach, które będą niebawem realizowane, już jest zaprojektowana ochrona katodowa przy zastosowaniu protektorów.
REALIZACJA NR 1 – WIADUKT KOLEJOWY
W ramach remontu wiaduktu kolejowego na linii kolejowej Warszawa – Dorohusk w ciągu ul. Mełgiewskiej w Lublinie, którym, z uwagi na zaniżone grubość otulin zbrojenia podpó podjęto decyzję o zastosowaniu ochrony katodowej zbrojenia z użyciem protektorów cynkowych. W projekcie uwzględniono zastosowanie ochrony katodowej poprzez montaż protektorów TopZinc R70, montowanych bezpośrednio do nowego 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 związanych z remontem wiaduktu. Po skuciu słabych elementów otuliny, oczyszczeniu powierzchni betonu oraz odsłoniętych prętów zbrojeniowych do stopnia czystości Sa 2,5 (wg PN-EN ISO 8501-1[13]) zgodne z pkt. 7.3 normy PN-EN 1504-10:2005 [14]), przystąpiono do montażu nowych siatek z prętów zbrojeniowych oraz do montażu protektorów cynkowych. Po montażu protektorów cynkowych wykonano badania ciągłości elektrycznej pomiędzy protektorem a prętem zbrojeniowym oraz badania rezystancji. Następnie wykonano betonowanie i zabezpieczono naprawioną powierzchnię barwnymi powłokami antykorozyjnymi. W roku 2022 przeprowadzono przegląd stanu technicznego podpór. Na podporach nie stwierdzono żadnych oznak korozji w strefie zabezpieczonej katodowo przy zastosowaniu protektorów cynkowych, co potwierdziło skuteczność zastosowanych rozwiązań projektowych.
REALIZACJA NR 2 – TUNEL
Firma Budimex S.A. 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. Otrzymane wyniki zawierały się w przedziale 95% prawdopodobieństwa wystąpienia korozji według kryterium ASTM-C 876-91 [1]. Ze względu na skarbonatyzowną i skażoną chlorkami otulinę oraz w celu uzyskania większej trwałości konstrukcji, projektant podjął decyzję o zastosowaniu ochrony katodowej przy użyciu protektorów cynkowych, 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. Przed 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 usunięta. Odsłonięte pręty zbrojeniowe zostały oczyszczone z produktów korozji przez piaskowanie do stopnia czystości Sa 2,52 (wg PN-EN ISO 8501-1[13]) zgodne z pkt. 7.3 normy PN-EN 1504-10:2005 [14]). Po odpyleniu i odtłuszczeniu prętów zbrojeniowych przystąpiono do montażu protektorów cynkowych TopZinc R70. 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. 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 1504-9 [10] 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 ponad 18tys protektorów cynkowych TopZinc R70 bezpośrednio montowanych do zbrojenia.
REALIZACJA NR 3 – MOST
W ramach remontu 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 nowego zbrojenia w przyczółkach. 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 2015 roku przystąpiono do prac związanych z remontem mostu oraz do montażu protektorów cynkowych. Po montażu protektorów cynkowych wykonano badania ciągłości elektrycznej pomiędzy protektorem a prętem zbrojeniowym oraz badania rezystancji. Następnie wykonano betonowanie i zabezpieczono naprawioną powierzchnię barwnymi powłokami antykorozyjnymi. 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.
REALIZACJA NR 4 – WIADUKT
Od 2023r roku remontowany jest wiadukt Poniatowskiego w Warszawie. Wiadukt składa się z dwóch szeregów łuków żelbetowych, na których ustawiono słupki żelbetowe. Na słupkach tych spoczywa stalowa konstrukcja pomostu, której głównymi elementami nośnymi są poprzecznice stalowe ze wspornikami chodnikowymi. Wiadukt składa się z 27 przęseł łukowych, 4 przęseł podpartych poprzecznie na portalach żelbetowych oraz 4 przęseł podpartych na wieżycach. Ogólna długość wiaduktu wynosi 701,42 m. Przed przystąpieniem do projektu remontu wykonano szereg badań sprawdzających poziom skarbonatyzownia otulin, zawartości jonów chlorkowych oraz prawdopodobieństwo wystąpienia korozji zbrojenia na podstawie badań potencjałów stacjonarnych zgodnie kryterium normy ASTM-C 876-91[1].
Po przeanalizowaniu wyników zaprojektowano ochronę katodową przy zastosowaniu protektorów cynkowych. Na etapie wykonawczym przeprowadzono dodatkowe badania i wyznaczono do zabezpieczeni 16 prętów górnych oraz 8 prętów dolnych dźwigarów łukowych. W wykutych niszach mocowane są protektory cynkowe o masie rdzenia 210 gram. Podłączenie do prętów zbrojeniowych odbywa się metodą pośrednią, z zastosowaniem specjalnego zestawu połączeniowego. Po montażu protektorów cynkowych wykonuję się badania ciągłości elektrycznej pomiędzy protektorem a prętem zbrojeniowym oraz badania rezystancji. Następnie odtwarza się otulinę zbrojenia materiałami PCC zgodnie z zasadami określonymi w PN-EN 1504-9 [10] zasada nr 3) oraz wykonuje zabezpieczenie naprawionej powierzchni betonowej powłokami antykorozyjnymi.
6. PODSUMOWANIE I ZALECENIA
Prace naprawcze konstrukcji obiektów mostowych należy wykonywać bardzo starannie zgodnie z zasadami określonymi w normie PN-EN 1504-9 [10]. Przy doborze materiałów i technologii należy kierować się przede wszystkim zapewnieniem odpowiedniej trwałości obiektu. Stosowanie protektorów cynkowych w konstrukcjach żelbetowych mostowych powoduje wydłużenie okresu pomiędzy remontami i zmniejsza znacznie ich koszty. Przedstawione przykłady napraw konstrukcji żelbetowych obiektów inżynierskich oraz badania pokazują wysoką skuteczność stosowania ochrony katodowej przy zastosowaniu protektorów cynkowych.
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. W przypadku przekroczenia normowych wartości skażenia jonami chlorkowymi lub głębokości skarbonatyzownia otuliny, należy dodatkowo wdrażać zgodne z europejską zharmonizowaną normą PN-EN 1504-9 [10] 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. Dotyczy to zwłaszcza naprawianych konstrukcji.
PIŚMIENNICTWO
1. ASTM C876 – 91: Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete, 1999
2. Banaś. A., Majewski M.: Ochrona katodowa stali zbrojeniowej w długoletnim okresie eksploatacji, Mosty 2021.
4. Ilski M.: Hydrofobizacja, wady zalety, kontrola efektywności, Mosty. Budowa, wzmacnianie, przebudowa. MBWP 2023, Związek Mostowców RP, Poznań, 2023
5. Jaśniok M., Zybura A: Zabezpieczenie i regeneracja zagrożonych korozją konstrukcji z betonu katodowa i protektorowa ochrona zbrojenia. Przegląd Budowlany 5/2007 s.38-45.
6. Jungwirth D., Grügl P. Windisch A., Elektrochemische Schutzverfahren für bewehrte Bauteile aus baupraktischer Sicht, Betonund Stahlbetonbau 86, H. 7,1991, s. 167-171
7. Madaj A., Wołowicki W.: Budowa i utrzymanie mostów, WKiŁ, Warszawa 2013
8. Mietz J., Elektrochemische Schutzverfahren zur Beseitigung von Korrosionsrisiken an Stahlbetonbauwerken, Bauingenieur 68,1993, s. 533-538
9. Ściślewski Z.: Ochrona konstrukcji żelbetowych, Arkady, Warszawa 1999
10. 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
11. PN-EN ISO 12696:2022: Ochrona katodowa stali w betonie.
12. PN-EN 206+A1:2016-12 Beton — Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność
13. 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
14. 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