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
5-6 CZERWCA 2025
O MOŻLIWOŚCIACH STOSOWANIA OCHRONY KATODOWEJ DO ZABEZPIECZENIA PRZED KOROZJĄ KONSTRUKCJI SPRĘŻONYCH
Prof. dr hab. inż. Arkadiusz MADAJ
mgr inż. Daniel Białecki
Streszczenie
Ochrona katodowa jest bardzo skuteczną metoda zabezpieczenia stali przed korozją. Metoda ta jest powszechnie stosowana do ochrony stali konstrukcyjnej i zbrojeniowej, nie sprężonej. Stosowanie tej metody do ochrony stali sprężającej nie jest tak często stosowane. Wynika to z potencjalnego zagrożenia stali wysokiej wytrzymałości wystąpienia tzw. kruchości wodorowej, co w połączeniu z korozją naprężeniową grozi pękaniem cięgien sprężających. Jednak badania wykazują, że jeśli potencjał ochronny będzie mniejszy od -900 mV, to nie ma zagrożenia wystąpienia kruchości wodorowej spowodowanej ta przyczyną. Autorzy w artykule opisują sposób w jaki realizowana jest ochrona katodowa stali zbrojeniowej, jakie są przyczyny wystąpienia kruchości wodorowej i jak należy stosować skutecznie ochronę katodową stali sprężającej. Wskazują, że przy stosowaniu protektorów cynkowych nie ma zagrożenia wystąpienia kruchości wodorowej. Warunkiem koniecznym jest natomiast ciągły pomiar napięcia potencjału ochronnego. Zaprezentowano również kilka przykładów zastosowania ochrony katodowej w mostach sprężonych.
Słowa kluczowe: korozja, cięgna sprężające, kruchość wodorowa, ochrona katodowa
1. WPROWADZENIE
Pierwsze konstrukcje sprężone zaczęto realizować w Polsce na przełomie lat czterdziestych i pięćdziesiątych ubiegłego wieku. W tym samym czasie powstawały w Polsce również mosty o betonowej, sprężonej konstrukcji przęseł. Od tego czasu wiele mostów o konstrukcji sprężonej przęseł uległo poważnej awarii, na skutek korozji cięgien sprężających, i to nie tylko w Polsce. Niestety z uwagi na charakter pracy konstrukcji sprężonej w zasadzie brak jest racjonalnych metod ich naprawy (wzmacniania), Z tego m.in. względu wiele mostów sprężonych zostało rozebranych lub w najbliższym czasie konieczna będzie ich rozbiórka. Dotyczy to obiektów zrealizowanych zarówno w technologii kablo- jak i strunobetonu. Przyczyną tego są błędy projektowe, wykonawcze ,a bardzo często brak prawidłowego utrzymania. Niebagatelny wpływ na rozwój korozji zbrojenia, w tym cięgien sprężających ma utrata w czasie przez beton właściwości ochronnych. Spowodowane to jest zachodzącym w sposób „naturalny” proces karbonatyzacji betonu, co na skutek obniżanie pH powoduje depasywację stali i w konsekwencji korozję. Jeśli w przypadku zbrojenia nie sprężonego korozja stali powoduje jedynie zmniejszenie przekroju zbrojenia (co można w jakiś sposób oszacować i ustalić wpływ na utratę nośności), to w przypadku stali sprężonej skutki są bardziej złożone. Stosowane do sprężania stale o wysokiej wytrzymałości w znacznym stopniu wytężone, mogą na skutek korozji naprężeniowej ulegać nie sygnalizowanemu zerwaniu. Ponadto wżery korozyjne stanowią karby naprężeń, a także mogą stanowić źródło generowania wodoru czego skutkiem jest tzw. kruchość wodorowa, sprzyjająca pękaniu (połączony efekt korozji naprężeniowej i kruchości wodorowej).
Ponieważ w ostatnich 20 – 30- latach wybudowano Polsce tysiące obiektów inżynierskich, w tym przynajmniej kilkadziesiąt dużych, o konstrukcji przęseł z betonu sprężonego, problem podnoszenia trwałości obiektów sprężonych będzie w naszej ocenie kluczowym zagadnieniem w zachowaniu w dobrym stanie infrastruktury komunikacyjnej. Wskazuje na to wiele przypadków uszkodzeń korozyjnych cięgien sprężających stwierdzonych w ostatnim okresie. (rys. 1-3)
Rys. 1 Ogniska korozji na splotach dźwigara strunobetonowego po ok. 50 latach eksploatacji (po usunięciu otuliny betonowej, bez widocznych oznak na powierzchni betonu)
Rys. 2 Uszkodzone otulina splotów sprężających. Korozja splotów w konstrukcji strunobetonowej
Rys. 3 Korozja splotów w wadliwie zainiektowanych kanałów kablowych po ok. 10 latach eksploatacji (konstrukcja kablobetonowa)
W tym kontekście pojawiają się dwa zagadnienia do rozwiązania: jak podnieść trwałość już wybudowanych konstrukcji sprężonych (nawet jeśli jeszcze nie zaobserwowano wyraźnych oznak korozji stali sprężającej) oraz w jaki sposób podnieść trwałość nowo budowanych obiektów sprężonych. Metod może być kilka, my w artykule skupimy się na jednej z metod, a mianowicie na ochronie katodowej. Metoda ta jakkolwiek często stosowana do ochrony niesprężonej stali zbrojeniowej, to w przypadku stali sprężonej jest bardzo mało popularna, a to jest miedzy innymi związane z zagrożeniem wystąpienia tzw. kruchości wodorowej. W artykule zwrócimy uwagę na to zagrożenie przy zastosowania ochrony katodowej do zabezpieczania konstrukcji sprężonej.
2. ZASADA OCHRONY KATODOWEJ
Podstawowym typem korozji powodującym niszczenie zbrojenia w konstrukcjach betonowych jest korozja elektrochemiczna. Zasadniczą przyczyną tej korozji jest działanie makro- lub mikroogniw elektrochemicznych. Makroogniwa powstają przy połączeniu dwóch różnych metali stykających się w obecności elektrolitu, a także przy nierównomiernym dostępie tlenu do powierzchni metalu. Mikroogniwa tworzą się w wyniku niejednorodności strukturalnej metali (różne składniki fazowe w stopach, wtrącenia niemetaliczne, lokalne zaburzenia sieci krystalicznej). Niejednorodność może powodować również obróbka cielna materiału lub wstępne naprężenia. Efektem powstania makroogniw ogniw elektrochemicznych jest przepływ prądu elektrycznego między pierwiastkiem o niższym potencjale elektrochemicznym (anodą) a materiałem o wyższym potencjale (katodą). W wyniku tego atomy metalu aktywniejszego (o niższym potencjale elektrochemicznym – anody) przechodzą w jony, które łatwo wchodzą w reakcje chemiczne. Nowo powstałe związki mają zupełnie inne własności fizyczne i chemiczne niż pierwiastki, z których powstały. Powoduje to, że metal będący anodą ulega rozpuszczaniu. W takich ogniwach pierwiastek, który stanowi katodę pozostaje nie zmieniony. Zjawisko to obserwujemy zarówno w makro- jak i mikroogniwach. W przypadku mikroogniw proces ten związany jest ze zróżnicowaniem potencjału określonych fragmentów metalu z uwagi na niejednorodność strukturalną. Przebieg korozji zbrojenia w betonie w sposób ideowy pokazano na rys. 4).
Rys. 4 Zasada korozji zbrojenia w betonie [3]
Opisany sposób reakcji jakie zachodzą między katodą i anodą w procesie korozji metali wykorzystano do tak zwanej ochrony katodowej. Ochrona katodowa jest metodą elektrochemiczną ochrony stali przed korozją. Polega ona na stworzeniu takiego układu, w którym chroniony metal będzie katodą. Potencjał elektrodowy chronionego materiału przesuwa się w stronę wartości ujemnych tak, aby uzyskać wartość poniżej potencjału korozji w danym środowisku (rys. 5).
Rys. 5 Zasada ochrony elektrochemicznej – Pourbaix-diagram: potencjał – pH (EH=f(pH)) dla żelaza w wodzie w temp. +25oC [3]
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. Ideowy schemat tej metody pokazano na rys. 6. Przedstawia on układ z zastosowaniem zewnętrznego źródła napięcia. Jest to tzw. ochrona elektrochemiczna.
Rys. 6 Zasada ochrony katodowej [3]
Można jednak stosować inny sposób, zbliżony do „naturalnego” przebiegu korozji zbrojenia w betonie. Polega on na połączeniu 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. Przykładowo, jeśli w środowisku kwaśnym zetkniemy cynk (Zn) z żelazem (Fe), wtedy cynk jako pierwiastek mniej szlachetny od żelaza staje się anodą i ulega rozpuszczaniu (korozji). Taki typ ochrony nazywany jest ochroną katodową galwaniczną, lub ochroną katodową protektorową, lub ochroną katodową metodą traconej anody – niekiedy nazywanej „anodą ofiarną” (rys. 7).
Rys. 7 Ochrona katodowa – galwaniczna, protektorowa lub traconej anody.
Działanie układu ochronnego powoduje powstanie pola elektrycznego pomiędzy katodą a anodą (niezależnie od tego, czy jest to anoda ofiarna czy anoda obojętna z prądem zewnętrznym) wszystkie jony o ładunku dodatnim (Na+, K+, Ca2+) migrują w kierunku katody, a wszystkie jony o ładunku ujemnym (OH, CI, SO42) migrują od katody w kierunku anody. Pozytywnym skutkiem tego procesu jest również to, że z czasem następuje „odsalanie” w pobliżu katody. Dzięki temu można znacznie ograniczyć potencjalne ryzyko korozji zbrojenia. Ponadto tworzenie się jonów OH (spowodowane ochroną katodową) prowadzi do wzrostu zasadowości w pobliżu zbrojenia, co podnosi krytyczną zawartość chlorków wywołującą korozję i tym samym poprawia ochronę zbrojenia przed korozją.
Skuteczność ochrony katodowej nie jest zależna od tego czy prąd ochronny jest generowany za pomocą anod galwanicznych, czy ze źródła napięcia stałego.
W przypadku zastosowania ochrony katodowej – galwanicznej, jak wskazuje niekiedy używana nazwa metody – „traconej elektrody” z czasem, w wyniku procesów elektrochemicznych anoda galwaniczna dołączona do zbrojenia ulega rozpuszczeniu i po określonym czasie efekt ochronny zanika. Dlatego należy mieć na uwadze to, że jest to zabieg o ograniczonej skuteczności w czasie. Czas trwania zależy od masy dołączonej anody. Stąd konieczne jest określenie dołączonej masy protektorowa, w zależności od oczekiwanego okresu ochrony zbrojenia. Wady tej nie ma pierwszy opisany sposób, ale wymaga on zamontowania do konstrukcji układu zasilającego.
Jako protektory (tracone elektrody) stosuje się najczęściej cynk. Cynk 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. Ochrona jest skuteczna aż do całkowitego utlenienia anody.
Możliwe są jednak również negatywne skutki ochrony katodowej zbrojenia w konstrukcjach betonowych. Zalicza się do nich m.in.
– zmniejszenie wytrzymałości wiązania między zbrojeniem a betonem, jakkolwiek przy gęstościach prądu ochronnego typowych dla betonu zbrojonego nie stwierdzono takiego uszkodzenia połączenia;
– ryzyko reakcji alkaliczno-krzemionkowej na skutek wzrostu wartości pH i stężenia alkaliów (Na+, K+) w obszarze chronionego zbrojenia, co wymaga sprawdzenia czy przy budowie chronionej konstrukcji zastosowano kruszywa wrażliwe na alkalia (piaski opalowe, krzemień lub szarogłaz prekambryjski);
– możliwość elektrolitycznego „odsprzęgnięcia” anody od zaprawy sprzęgającej w wyniku zakwaszenia w rejonie anody, powodujące powstanie bardzo niskich wartości pH w obszarze anody, co może wymagać odpowiedniej wentylacji i obniżenie napięcie prądu na anodach;
– przy ekstremalnie niskich potencjałach może dojść do znacznego wydzielania się wodoru na katodzie, co niesie ryzyko pękania korozyjnego naprężeniowego wywołanego wodorem (H-SCC) w stalach sprężających, co wymaga by potencjał ochronny był odpowiednio ograniczony, aby skutecznie zapobiegać tworzeniu się wodoru.
Reasumując należy stwierdzić, że aby zapobiec możliwym negatywnym skutkom ochrony katodowej, prądy ochronne muszą zostać zredukowane do minimalnego poziomu niezbędnego do ochrony zbrojenia przed korozją, tj. należy zapobiegać niepotrzebnie wysokim prądom poprzez odpowiednie planowanie, wdrażanie i monitorowanie systemu ochrony.
3. KRUCHOŚĆ WODOROWA
Pęknięcia stali sprężającej z reguły to pęknięcia korozyjne wywołane wodorem (H-SCC) (SCC – stress corrosion cracking). Rozpuszczony w metalu wodór może prowadzić do tworzenia się pęcherzy wodorowych. Dyfundujący w postaci atomowej wodór, na skutek określonych zjawisk chemicznych i fizycznych, jeśli jego ilość wzrasta, to przyczynia się do wzrostu ciśnienia wewnątrz pustek w metalu, które z czasem mogą przekształcić się w pęcherz (nawet znacznych rozmiarów) (rys. 8).
Aby zainicjować tworzenie się adsorbowalnych atomów wodoru, muszą istnieć specjalne warunki. Z praktycznego punktu widzenia uszkodzenia wywołane wodorem są możliwe tylko w środowisku kwaśnym lub w obecności aktywatorów, takich jak siarczki, tiocyjaniany i związki arsenu lub selenu. W cięgnach sprężających wbudowanych w beton obserwuje się szybkie pękanie wodorowe wtedy, gdy beton cechuje się niskim pH, zawiera dużo zanieczyszczeń siarczkowych lub gdy cięgna przed wbudowaniem są skorodowane i występują wżery. Jak wykazują badania lokalne wżery korozyjne mają największy wpływ na pękanie korozyjne spowodowane wodorem (H-SCC). Wżery korozyjne stają się źródłem wodoru atomowego, co sprzyja inicjacji pęknięcia typu H-SCC (korozja wodorowa – korozja naprężeniowa). Jest to wynikiem tego, że we wżerach korozyjnych wartość pH spada z powodu hydrolizy jonów Fe2+. Ponadto wżery sprzyjają korozji naprężeniowej. W przypadku nierównomiernej korozji lokalnej, głębokości wżerów korozyjnych rzędu 0,6 mm może wystarczyć do zerwania drutu odkształconego na zimno pod naprężeniem wynoszącym 70% wytrzymałości cięgna. Wżery korozyjne stanowią również karby naprężeń sprzyjających obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej w porównaniu z cięgnami bez wżerów korozyjnych
Dlatego z tych wszystkich względów bardzo ważne jest to, by w konstrukcje sprężone nie wbudowywać cięgien sprężających nawet z niewielkimi śladami korozji.
Źródłami wodoru stymulującego kruchość wodorową może być również ochrona katodowa. Przy bardzo niskich potencjałach ochronnych może dojść do znacznego wydzielania się wodoru na katodzie.
Rys. 8 Pęcherze na powierzchni cięgien sprężających.
Pękanie może być inicjowane w wyniku ciśnienia wewnętrznego wytwarzanego przez cząsteczki wodoru powodujące naprężenie rozciągające lub może nastąpić w połączeniu z krytycznym zewnętrznym naprężeniem rozciągającym. Wodór atomowy może wnikać do metalu przez dłuższy okres czasu, a pęknięcie z powodu kruchości wodorowej może wystąpić nawet kilka lat po powstaniu przyczyny np. po zainstalowania ochrony katodowej.
Do wystąpienia zniszczenia typu H-SCC konieczne są następujące warunki:
• materiał wrażliwy na działanie wodoru,
• wystarczająco duże obciążenie rozciągające,
• występujące co najmniej niewielki ognisko korozji.
Pęknięcia mogą być transkrystaliczne lub międzykrystaliczne i rozprzestrzeniają się prostopadle do kierunku przyłożonego naprężenia rozciągającego. Pękanie wywołane wodorem to przeważnie transkrystaliczne, zwykle jest rozgałęzione, bardzo kruche i szybko rosnące. Pękanie korozyjne naprężeniowe jest przeważnie międzykrystaliczne, zwykle rozgałęzione i rozprzestrzenia się wolniej (patrz [10]).
Warunkiem koniecznym jest by podczas procesu korozji atomy wodoru zostały uwolnione i wchłonięte przez stal. W stalach wrażliwych na wodór pod wpływem naprężeń mechanicznych mogą powstawać wstępne pęknięcia w krytycznych obszarach konstrukcyjnych, takich jak granice ziaren. Pęknięcia te mogą się powiększać i w konsekwencji powodować pękanie materiału. Badania wskazują, że najbardziej niebezpieczne jest działanie wodoru są stale o wysokiej wytrzymałości, dlatego na ten rodzaj korozji tak wrażliwe są cięgna sprężające. W przypadku stali sprężającej już minimalne zawartości wodoru mogą prowadzić do nieodwracalnych uszkodzeń. Dlatego należy bardzo ostrożnie podchodzić do stosowania ochrony katodowej konstrukcji sprężonych. W takich przypadkach potencjał ochronny musi zostać odpowiednio ograniczony, aby skutecznie zapobiegać tworzeniu się wodoru. Jako graniczną wartość przyjmuje się potencjał -900 mV, chociaż i przy potencjałach mniej ujemnych stał sprężająca może być narażona na kruchość wodorową. Dotyczy to również stali o wysokiej granicy plastyczność (> 500 MPa). Ponadto stal sprężająca, która jest skorodowana, może nie mieć bezpiecznego potencjału granicznego i nie ma pewności, że możliwe jest zapewnienie jej ochrony katodowej w bezpieczny sposób [7].
4. OCHRONA KATODOWA KONSTRUKCJI SPRĘŻONYCH
Ochrona katodowa przy zastosowaniu anod galwanicznych znajduje coraz szersze zastosowanie w nowoczesnym budownictwie inżynieryjnym na całym świecie. W Polsce od 2012 skutecznie wprowadzana jest i stosowana ochrona katodowa konstrukcji żelbetowych przy zastosowaniu protektorów lub anod cynkowych bezpośrednio lub pośrednio montowanych do zbrojenia.
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. 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 z wykorzystaniem protektorów lub anod cynkowych daje nam możliwością zaplanowania czasu jej trwania, wynoszącego nawet 50 lat, w różnych klasa ekspozycji: od X0 do XA3. Dodatkową korzyścią stosowania tej metody ochrony zbrojenia jest zwiększenie alkaliczności betonu w strefie podłączenia protektorów.
Nowelizacja normy PN-EN ISO 12696:2022 [7] wprowadziła możliwość stosowanie ochrony katodowej również w konstrukcjach sprężonych, zarówno nowych, jak i remontowanych. Zgodnie z wymaganiami normy, potencjał chronionego elementu sprężonego nie może przekroczyć wartości -900 mV, co daje nam możliwość stosowania protektorów cynkowych do ochrony stali sprężającej przy spełnieniu odpowiednich warunków ich użycia. Wprowadzenie ograniczenia napięcia wynika z potrzeby wyeliminowania opisanego wcześniej zagrożenia wystąpienia kruchości wodorowej.
Stosując ochronę katodową w konstrukcjach sprężonych obligatoryjnie należy wdrożyć system monitoringu potencjału ochronnego pomiędzy protektorem ochronnym i stalą sprężoną oraz system wyłączenia układu protektor – stal sprężona w przypadku osiągnięcia potencjału ochronnego o wartości mniejszej niż -900mV. Systemy monitoringu potencjału wdraża się przy użyciu elektrod odniesienia montowanych na stałe w pobliżu chronionego zbrojenia w konstrukcji sprężonej. Za pomocą układów pomiarowych wysyłane są dane w sposób ciągły przez 24 godziny na dobę do systemu rejestrującego i w przypadku osiągnięcia wartości niedopuszczalnych impuls generowany z układu sterowania wyłącza układ pomiędzy protektorem i stalą sprężającą. Można wspomnieć, że takie układy testowe na polskich obiektach wykonanych w technologii konstrukcji sprężonej będą w najbliższej przyszłości stosowane.
Zastosowanie elektrod odniesienia do stałego monitoringu umożliwia również kontrolę stopnia zaawansowania procesów korozyjnych w przypadku nowych konstrukcji sprężonych,
Ochrona katodowa przy zastosowaniu anod galwanicznych w konstrukcjach sprężonych może być wykonana przykładowy w następujący sposób:
- w konstrukcjach nowych przy zastosowaniu anod montowanych pośrednio (rys. 9) do zbrojenia sprężającego na etapie produkcji elementu np. w strunobetonowych belkach T (rys. 10). W belkach T27 mamy kilka możliwości ochrony katodowej zbrojenia przy zastosowaniu anod cynkowych. Na etapie projektowania i produkcji można zaprojektować ochronę – dla zbrojenia niesprężonego, dla zewnętrznych strun lub całego zbrojenia.
Fot. 9. Anoda do montażu pośredniego w konstrukcji sprężonej
Rys. 10 Przekrój przez belkę T 27
- w konstrukcjach remontowanych przy zastosowaniu anod montowanych bezpośrednio (dla zbrojenia niesprężonego) lub pośrednio do zbrojenia niesprężonego oraz zbrojenia sprężającego; montaż realizowany jest przez kotwę elektryczną, zaprawę przewodzącą oraz anody lub przez protektory cynkowe stosowane do montażu pośredniego.
Sposoby podłączenia anody cynkowej i protektorów cynkowych pokazano na rys. 11 i12.
Rys 11 Schemat podłączenia anody cynkowej do zbrojenia sprężającego
Rys. 12 Schemat podłączenia protektorów cynkowych do zbrojenia sprężającego
Dobór liczby protektorów lub anod cynkowych przeznaczonych do ochrony katodowej stali w konstrukcjach sprężonych powinien uwzględniać następujące kluczowe parametry techniczne:
-
Powierzchnię lub masę stali sprężającej, przeznaczonej do zabezpieczenia,
-
Klasę ekspozycji konstrukcji betonowej zgodnie z normą PN-EN 206 (w szczególności klasy XD1–XD3 oraz XS1–XS3),
-
Właściwości chemiczne otuliny betonowej, w tym poziom pH oraz stopień karbonatyzacji,
-
Stężenie jonów chlorkowych w otulinie betonowej wyrażone jako procent masy cementu.
Należy również pamiętać, że w konstrukcjach sprężonych maksymalna dopuszczalna zawartość jonów chlorkowych wynosi 0,2% względem masy cementu. W przypadku konstrukcji, w których otulina betonowa uległa karbonatyzacji (pH otuliny spadło poniżej 11), wymagania są bardziej restrykcyjne, a dopuszczalna zawartość jonów chlorkowych nie powinna przekraczać 0,1% masy cementu.
Ochrona katodowa w konstrukcjach sprężonych powinna być projektowana w sposób uwzględniający zarówno potencjalne zagrożenia wynikające z obecności chlorków, jak i stan alkaliczności otuliny. Wysokie stężenie jonów chlorkowych oraz obniżone pH betonu wymagają zwiększenia intensywności ochrony poprzez odpowiednie zwiększenie liczby anod lub gęstości rozmieszczenia protektorów cynkowych.
W dalszej części artykułu zaprezentowano wybrane przypadki wdrożenia ochrony katodowej w konstrukcjach sprężonych na świecie, ze szczególnym uwzględnieniem zastosowanych metod monitorowania skuteczności ochrony w długim okresie eksploatacji.
Przykład nr 1
Ochrona katodowa została wykonana na sprężonym skrzynkowym moście Neerbossche wybudowanym z betonu lekkiego, znajdującym się nad kanałem w Nijmegen, w Holandii (rys. 13).
Rys. 13. Most skrzynkowym sprężony z betonu lekkiego Neerbossche znajdujący się nad kanałem w Nijmegen, w Holandii [9]
Z powodu długotrwałego przecieku między dwiema częściami konstrukcji, jony chlorkowe spowodowały skażenie otuliny betonowej i wniknęły aż do poziomu zbrojenia, powodując korozję stali oraz w konsekwencji degradację otuliny betonowej. W celu zatrzymania procesów korozyjnych, wdrożono system naprawczy z galwaniczną ochroną katodową przy zastosowaniu anod cynkowych. W 2013 roku zamontowano ochronę katodową na dwóch segmentach mostu wraz z systemem monitorowania przy zastosowaniu elektrod odniesienia. Po uzyskaniu pozytywnych wyników, w latach 2014–2015 system anod cynkowych został wdrożony na pozostałych 29 segmentach mostu. Od momentu podłączenia ochrony katodowej monitorowano potencjały przy zastosowaniu elektrod odniesienia, które potwierdzały, że zastosowany system zapewnił skuteczną ochronę. Wartości depolaryzacji były zgodne z kryteriami ochrony opartymi na normie PN-EN 12696 [7]. System anod cynkowych był skuteczny w pierwszym roku po instalacji nie tylko w obszarze pokrytym anodami, ale także bardziej oddalonym od tego obszaru, co najmniej w odległości do 20 cm od anod cynkowych. Zastosowanie zewnętrznych anod cynkowych okazało się skutecznym i ekonomicznym sposobem zabezpieczenia kablobetonowego obiektu mostowego bez konieczności ingerencji w układ kabli sprężających.
Rys. 14 Most skrzynkowym sprężony z betonu lekkiego Neerbossche znajdujący się na kanałem w Nijmegen, w Holandii [9]
Przykład nr 2
W wielu przypadkach konstrukcje sprężone przeznaczone do remontu wykazują również znaczną korozję zakotwień, zarówno w elementach strunobetonowych jak i kablobetonowych (rys. 15). W takich sytuacjach skuteczną metodą ochrony jest zastosowanie ochrony katodowej, szczególnie poprzez wykorzystanie anod galwanicznych, które efektywnie hamują postępujące procesy korozyjne. Technologia ta pozwala na wydłużenie trwałości konstrukcji, hamując procesy korozyjne. Poniżej opisano przeprowadzony w Norwegii pilotażowy projekt ochrony katodowej na elementach sprężonych eksploatowanych w silnie agresywnym środowisku morskim [6, 8].
Rys. 15 Korozja zakotwienia w belce kablobetonowej i strunobetonowej
Projekt dotyczył mostów z zakotwieniami kabli sprężających, które wykazywały oznaki korozji wskutek skażenia jonami chlorkowymi pochodzącymi z aerozoli solnych wody morskiej. Zastosowano do zabezpieczenia galwaniczne protektory cynkowe instalowane lokalnie w strefach zakotwień, a także w wybranych punktach połączeń prefabrykatów. System opierał się na anodach cynkowych zatapianych w otulinie betonowej w bezpośrednim sąsiedztwie końcówek cięgien sprężających. Każda anoda była wyposażona w indywidualne połączenie kontrolno-pomiarowe i poddana monitoringowi elektrochemicznemu. Po trzech latach działania system wykazał stabilne wartości potencjału w granicach normowych (powyżej −500 mV względem Cu/CuSO₄) oraz depolaryzację rzędu 100–150 mV po 24 h. Nie odnotowano przypadków kruchego pękania cięgien ani lokalnych ognisk korozji w rejonach objętych ochroną.
Przykład 3
Ochrona katodowa w nowej konstrukcji sprężonej – belka T w obiekcie inżynieryjnym. W ramach projektu badawczo-wdrożeniowego w Holandii zrealizowano ochronę katodową w nowo wyprodukowanej prefabrykowanej belce sprężonej typu T, o długości 12 metrów i szerokości półki górnej 89 cm [11]. Konstrukcja została wykonana ze strunobetonu i przeznaczona do montażu w nowym wiadukcie drogowym w środowisku narażonym na cykliczne oddziaływanie soli odladzających (droga krajowa). Projekt prowadzony był w ramach współpracy jednostki badawczej z producentem elementów prefabrykowanych oraz inwestorem publicznym. Realizacja miała miejsce w rejonie miasta Eindhoven w Holandii, w ramach inwestycji infrastrukturalnej obejmującej budowę nowego odcinka trasy regionalnej (węzeł Meerhoven – Zuidas Eindhoven). Z uwagi na konieczność ochrony dolnych kabli sprężających, zainstalowano system galwanicznej ochrony katodowej z anodami cynkowymi zatopionymi w otulinie betonowej już na etapie prefabrykacji. Anody zamocowano w dolnej części przekroju belki, bezpośrednio pod poziomem kabli sprężających. Zaprojektowano również instalację z elektrodą referencyjną do kontroli potencjałów ochronnych. Przewidziano także możliwość późniejszego dołączenia układu monitorującego zdalnie (rejestrator potencjału i temperatury).
Projekt systemu oparto na wymaganiach normy PN-EN ISO 12696:2022 [7], a także na wynikach wcześniejszych badań. Pomiar potencjałów względem elektrody odniesienia prowadzony był okresowo po montażu elementu oraz po uruchomieniu systemu. W ciągu pierwszych 6 miesięcy zarejestrowano stabilne wartości ochronne rzędu −650 mV względem Cu/CuSO₄ oraz wartości depolaryzacji przekraczające 120 mV, co potwierdzało skuteczność systemu. Po roku użytkowania potwierdzono brak oznak korozji oraz pełne spełnienie kryteriów ochrony określonych w normie PN-EN ISO 12696:2022 [7].
Zastosowanie ochrony katodowej przy zastosowaniu anod cynkowych już na etapie prefabrykacji stanowi efektywną strategię ochrony sprężonych elementów betonowych w nowoprojektowanych konstrukcjach inżynierskich. Systemy monitorowania przy zastosowaniu elektrody odniesienia zapewnia bieżącą ocenę efektywności działania systemu oraz umożliwia wczesne wykrycie potencjalnych nieprawidłowości.
5. PODSUMOWANIE
Ochrona katodowa jest skuteczną metodą w celu zatrzymywania lub spowalniania procesów korozji w konstrukcjach sprężonych szczególnie narażonych na działanie jonów chlorkowych. W elementach sprężonych stosuje się anody cynkowe galwaniczne ze względu na większe bezpieczeństwo użycia dla ochrony stali o wysokiej wytrzymałości. Napięcie elektrochemiczne anody cynkowej daje znacznie zmniejsza ryzyko kruchości wodorowej (HE) cięgien sprężających. Analiza dostępnych przypadków zastosowań ochrony katodowej w konstrukcjach mostowych sprężonych zarówno nowych jak i remontowanych w Norwegii, Holandii, Stanach Zjednoczonych oraz Kanadzie potwierdza wysoką skuteczność tej technologii [1, 2, 5]. Projekty realizowane zgodnie z wymaganiami normatywnymi, w tym PN-EN ISO 12696:2022 z zastosowaniem anod cynkowych potwierdziły, że w żadnym przypadku nie stwierdzono występowania zjawiska kruchości wodorowej. Jednak zasadniczym elementem warunkującym długoterminowe bezpieczeństwo systemu ochrony katodowej jest wprowadzenie stałego monitoringu elektrochemicznego oraz możliwość szybkiego automatycznego odłączenia systemu w przypadku osiągnięcia potencjału ochronnego poniżej -900mV.
Bibliografia
1. Barnhart R.A.: FHWA Position on Cathodic Protection, In Memorandum, Federal Highway Administration, Washington, D.C., 1982
2. Bertolini L, Elsener B, Pedeferri P, Redaelli E, Polder R: Corrosion of Steel in Concrete: Prevention, Diagnosis, Repair,. John Wiley & Sons, New York, USA, 2013.
3. Dauberschmidt C., Vestner S.: Grundlagen des Kathodischen Korrosionsschutzes von Stahl in Beton, August 2010
4. Fagerlund G: Trwałość konstrukcji betonowych, Arkady, Warszawa 1997
5. Geiker M., Hornbostel K., Sharma S.: Cathodic Protection of Marine Prestressed Concrete Bridges, Review of Case Studies, Nordic Concrete Research – Publ. No. NCR 71 – ISSUE 2/ 2024 – Article 6
6. Kamalakannan S., Pillai R.G., Santhanam M. – Cathodic protection in precast post-tensioned concrete: Evaluation of embedded zinc anodes in anchorage zones (ASCE, 2022)
7. PN-EN ISO 12696:2022: Ochrona katodowa stali w betonie.
8. Raport Bedre bruvedlikehold 2017–2021
9. Van den Hondel A.J. (Hans), Gulikers J,. Giorgini R., Van den Hondel A. (W.M.): A 5 year track record on a galvanic CP system applied on a light weight concrete bridge with prestressed steel, Developments in time of the effectiveness as determined by depolarization values and current densities, MATEC Web Conferences 199, 05004 (2018)
10. Whiting D., Stejskal B., Nag M.: Condition of Prestressed Concrete Bridge Components: Technology Review and Field Surveys (Report No. FHWA-RD-93-037), Federal Highway Administration, Washington, DC
11. Źródło – ChatGPT VER4.0
ON THE POSSIBILITIES OF USING CATHODIC PROTECTION TO PROTECT PRESTRESSED CONCRETE STRUCTURES AGAINST CORROSION
Summary
Cathodic protection is a very effective method of protecting steel against corrosion. This method is commonly used to protect structural and reinforcing steel – not prestressed. Using this method to protect prestressing steel is not as popular. This is due to the potential risk of high-strength steel to suffer from the so-called hydrogen embrittlement, which in combination with stress corrosion can cause cracking of prestressing tendons. However, studies show that if the protective potential is less than -900 mV, there is no risk of hydrogen embrittlement caused by this cause. In the article, the authors describe the method of implementing cathodic protection of reinforcing steel, what are the causes of hydrogen embrittlement and how to apply cathodic protection of prestressing steel. The Authors indicate that when using zinc protectors, there is no risk of hydrogen embrittlement. A necessary condition is continuous measurement of the protective potential voltage.
Keywords: corrosion, prestressing tendons, hydrogen embrittlement, cathodic protection