dr inż. Lesław Hebda, mgr inż. Daniel Białecki, mgr inż. Marcin Majewski
KOROZJA CHLORKOWA – NIEDOCENIANY CZYNNIK DESTRUKCJI W GARAŻACH WIELOSTANOWISKOWYCH
Streszczenie: W referacie przedstawiono mechanizm korozji chlorkowej w konstrukcjach żelbetowych i przykłady wyników badań stężenia jonów chlorkowych w elementach konstrukcyjnych garaży wielopoziomowych podziemnych i naziemnych, a także sposoby naprawy skorodowanych konstrukcji.
Summary: In this report we present the mechanism of chloride corrosion in reinforced concrete installations and examples of results of the chloride ion concentration testes in the construction elements in multi-level garages, underground and overground, and the repair techniques of the corroded constructions
Wstęp
Do wnętrza garaży wielostanowiskowych (podziemnych, nadziemnych) w okresie zimowym w naszym kraju wwożone jest błoto pośniegowe zawierające chlorek sodu lub chlorek wapnia. Obydwie te sole mogą być szkodliwe dla betonu tylko w stężonych roztworach [1]. Natomiast jony chlorkowe, niezależnie od stężenia mogą wnikać w strukturę niezabezpieczonej powierzchni betonu. Szybkość wnikania jonów chlorkowych rośnie wraz ze wzrostem stężenia roztworu chlorków przy powierzchni betonu, przepuszczalności betonu, zawartości wilgoci a także rys w betonie. Dyfundujące jony chlorkowe w konstrukcjach żelbetowych, wcześniej czy później, pokonują otulinę i docierają do poziomu stali zbrojeniowej. Obecność chlorków w otoczeniu stali zbrojeniowej prowadzi do uszkodzenia warstewki pasywnej otaczającej pręt zbrojeniowy i – w obecności wilgoci i tlenu – do korozji stali [2]. W takiej sytuacji procesy korozyjne stali zachodzą niezależnie od alkaliczności otaczającego ją betonu. Fakt występowania dyfuzji jonów chlorkowych w strukturze konstrukcji żelbetowych w garażach wielostanowiskowych jest często lekceważony lub wręcz pomijany, nawet w pracach ekspertyzowych, wykonywanych nawet przez uznane ośrodki naukowe. Celem niniejszego artykułu jest zwrócenie szczególnej uwagi na przeprowadzanie w trakcie tworzenia opinii technicznych i ekspertyz badania zawartości chlorków w betonie i głębokości stopnia karbonatyzacji otuliny betonowej oraz stosowania europejskiej zharmonizowanej normy PN-EN 1504-9 [3] w rozwiązaniach technicznych z zastosowaniem następujących zasad i metod:
-
elektrochemiczna realkalizacja skarbonatyzowanego betonu (zasada 7, metoda 7.3);
-
elektrochemiczne usunięcie chlorków (zasada 7, metoda 7.5);
-
ochrona katodowa (zasada 10); Korozja zbrojenia inicjowana chlorkami
Przebieg korozji chlorkowej jest złożonym procesem, który opisywany jest różnymi modelami [4]. W jednym z nich przyjmuje się, że jony chlorkowe powodują przebicie warstewki pasywnej i rozwój korozji wżerowej. Jest to powodowane samoaktywacją słabych miejsc powstających na wtrąceniach obcych faz. W nowszych modelach przyjmuje się, że wnikniecie jonów chlorkowych może spowodować zmniejszenie zawartości wody w warstwie pasywnej na żelazie. W miejscu uszkodzenia warstewki tlenkowej zachodzi reakcja anodowa, w wyniku której jony żelaza przechodzą z sieci krystalicznej do roztworu porowego. Wraz z tą reakcją w innych punktach powierzchni stali zbrojeniowej przebiega reakcja katodowa depolaryzacji tlenowej. Te reakcje elektrochemiczne wywołują na prętach stalowych zróżnicowane potencjały elektrodowe i działanie lokalnego ogniwa korozyjnego. Należy przy tym pamiętać, że korozja chlorkowa zachodzi także w roztworach o wysokim odczynie zasadowym i bardzo jej sprzyjają rysy propagujące od powierzchni betonu w głąb jego struktury. Z tego też względu dopuszczalna zawartość chlorków jest normowo ograniczana [5] maksymalnie do 0,4% masy cementu w przypadku zwykłych konstrukcji żelbetowych oraz maksymalnie 0,2% masy cementu w przypadku konstrukcji sprężonych i 0,1% w przypadku betonu skarbonatyzowanego [13].
Przykłady skażenia chlorkami w elementach konstrukcji żelbetowych parkingów
Przykład I
Niewielki garaż podziemny, znajdujący się pod częścią budynku mieszkalnego o 7 kondygnacjach nadziemnych, eksploatowany od końca 2005 roku.Z trzech słupów, C1, C2 i C3 zostały pobrane metodą odwiertu próbki betonu z warstwy przypowierzchniowej, do głębokości 1-3 cm. Próbki te zostały pobrane z wysokości około 3 cm powyżej poziomu istniejącego betonu posadzkowego. Dodatkowo w słupie C1 pobrano próbki z wysokości 20 cm powyżej poziomu posadzki (próbka C1.2.) oraz z wysokości około 50 cm powyżej poziomu posadzki (próbka C 1.3). Określenie zawartości chlorków w betonie przeprowadzono metodą miareczkowania za pomocą zestawu Merck. Wyniki zostały przedstawione w Tablicy 1.
Tablica 1. Wyniki badań zawartości chlorków w podstawach słupów
-
Miejsce pobrania próbki
Opis próby
Cl– [%]
Słup
C1.1
1,120
Słup
C1.2
1,160
Słup
C1.3
0,072
Słup
C2
0,600
Słup
C3
0,200
Zgodnie z [5], [6] dla żelbetu graniczna wartość zawartości chlorków w betonie odpowiada 0,4% masy cementu. Przy założeniu, że na 1 m3 betonu przypada 400 kg cementu, a gęstość betonu wynosi 2300 kg/m3 (wyznaczona empirycznie) to wartość graniczna zawartości chlorków w masie betonu dla żelbetu wynosi 0,070%. Przy założeniu zawartości cementu na poziomie 300 kg, wartość graniczna wynosi 0,052%. W każdej z badanych próbek stwierdzono wyższą zawartość jonów chlorkowych niż jest to dopuszczalne. W słupie C1 stężenie chlorków na wysokości 3 cm i na wysokości 20 cm było podobne, a w skrajnym przypadku dopuszczalne stężenie tych jonów zostało przekroczone ponad 20 razy.
Przykład II
Garaż podziemny, dwupoziomowy w budynku biurowym. Obiekt użytkowany od 2008 roku. Strop międzykondygnacyjny w formie monolitycznej płyty żelbetowej, zabezpieczonej od góry posadzką z żywicy syntetycznej, bez żadnych warstw izolacyjnych. W projekcie nie przewidziano na tym stropie żadnego odwodnienia. W trakcie oględzin na spodniej powierzchni stropu zaobserwowano liczne ślady zacieków i wysoleń. Na tej powierzchni, z warstwy przypowierzchniowej, w miejscach występowania rys, z głębokości 1-3 cm zostało pobranych 20 szt. próbek betonu w celu zbadania zawartości chlorków. Tylko w dwóch przypadkach na 20, stężenie chlorków w betonie było poniżej wartości dopuszczalnej dla konstrukcji żelbetowych, a średnia zawartość chlorków pobrana z osiemnastu punktów przekraczała czterokrotnie dopuszczalną normę.
Przykład III
Garaż wielopoziomowy, częściowo zagłębiony w gruncie, czteropoziomowy, przy budynku biurowym. Obiekt jest eksploatowany od ponad 20 lat bez remontu. W trakcie oględzin i wykonanych odkrywek zaobserwowano na spodniej powierzchni płyt stropowych ślady zacieków, wysoleń i korozji zbrojenia. W ramach prac diagnostycznych wykonano badanie zawartości chlorków w słupach i spodniej warstwie płyt stropowych na różnych poziomach oraz górnej warstwie płyty na najniższej (poniżej poziomu terenu) kondygnacji. Materiał do badania pobrano z warstwy przypowierzchniowej do 2 cm (a) oraz z głębokości 4-6 cm (b).
Przekroczenia dopuszczalnych stężeń jonów chlorkowych odnotowano we wszystkich płytach stropowych od spodu oraz w płycie fundamentowej. Natomiast u podstawy słupów na wyższych kondygnacjach przekroczenia dopuszczalnych stężeń były sporadyczne. Wyniki zawartość chlorków powyżej normy stwierdzono w sześciu próbkach na czterdzieści cztery pobrane. Na poziomie -1 parkingu, gdzie trudniej o odparowanie i usunięcie odcieków z samochodów, ujawniły się liczne przekroczenia dopuszczalnych normowych zawartości chlorków – w 16 próbkach na 23 badane. W przeprowadzonej 4 lata wcześniej, przez uznaną jednostkę badawczą, ekspertyzie tego garażu, występującą korozję stali zbrojeniowej przypisano karbonatyzacji betonu. W momencie prowadzenie opisanych powyżej prac diagnostycznych, średnia grubość otuliny betonowej dolnych siatek zbrojeniowych płyt stropowych wynosiła 26-28 mm, a średnia głębokość karbonatyzacji wynosiła 17 mm, wobec tego karbonatyzacja nie mogła być przyczyną korozji stali zbrojeniowej, a zatem przyczyną były chlorki.
Przykład IV
Strop nad dwupoziomowym garażem podziemnym w części wykonany z płyt prefabrykowanych strunobetonowych o rozpiętości 11 m. W tej części stropu, w poziomie terenu, znajduje się podjazd pod budynek. Z powodu błędów wykonawczych i w konsekwencji nieszczelności izolacji przciwwodnej, następują przecieki z poziomu podjazdu do wnętrza garażu (Rys. 1). Wyniki badań pH betonu, stężenia chlorków oraz oszacowany stosunek [Cl-]/[OH-] według kryterium Hausmanna [9] przedstawiono w Tablicy 2.
Tablica 2. Wyniki badań na spodnich powierzchniach płyt
| L.p. | Oznaczenie próbki | pH | Cl– [%] | Oszacowana wartość [Cl–]/[OH–] | Wartość progowa kryterium Hausmanna |
| 1 | Korytarz R2 poz. C/2 | 11 | 0,15 | 8 | przekroczona >0,6 |
| 2 | Korytarz poz. C/1 | 10 | 0,30 | 163 | przekroczona >0,6 |
| 3 | Korytarz poz. 2 | 10 | 0,10 | 50 | przekroczona >0,6 |
| 4 | Korytarz poz. 2B/1 | 12 | 0,13 | 1 | przekroczona >0,6 |
| 5 | Korytarz poz. 1/2 | 12 | 0,05 | 0 | nieprzekroczona <0,6 |
| 6 | Korytarz poz. 1/1 | 12 | 0,25 | 1 | przekroczona >0,6 |
| 7 | Korytarz poz. A/3 | 11 | 0,33 | 18 | przekroczona >0,6 |
| 8 | Korytarz poz. A/4 | 11 | 0,30 | 16 | przekroczona >0,6 |
| 9 | Korytarz poz. A/4 | 12 | 0,13 | 1 | przekroczona >0,6 |
Rys. 1. Ślady przecieków widoczne na stropie z płyt strunobetonowych
Zgodnie z [5], [6] dla żelbetowych konstrukcji sprężonych maksymalna graniczna wartość zawartości chlorków w betonie wynosi 0,2% masy cementu. Przy założeniu, że na 1 m3 betonu przypada 400 kg cementu, a gęstość betonu wynosi 2300 kg/m3, to wartość graniczna zawartości chlorków w masie betonu dla żelbetu wynosi 0,034%. We wszystkich punktach pomiarowych nastąpiło znaczne przekroczenie dopuszczalnych stężeń jonów chlorkowych. Równocześnie stwierdzono w tych miejscach wysokie pH betonu.
Występująca w żelbetowych elementach konstrukcyjnych garaży wielopoziomowych korozja zbrojenia w znacznej części przypadków spowodowana jest oddziaływaniem jonów chlorkowych. Chlorki pochodzą z roztopionego błota pośniegowego wwożonego przez samochody. Szybkość ich wnikania rośnie wraz ze wzrostem stężenia przy powierzchni betonu, przepuszczalności betonu, zawartości wilgoci a także zarysowania. Problem zarysowania płyt stropowych jest szczególnie istotny w wielopoziomowych garażach podziemnych. Rysy w tych elementach powstają na skutek zjawisk skurczowych oraz obciążeń termicznych w trakcie budowy obiektu lub/i rzadziej w czasie użytkowania. Obciążenia tego typu zazwyczaj nie są uwzględniane na etapie projektowania ponieważ zakłada się pracę takich elementów w stałych warunkach termicznych. W przypadku klasy ekspozycji betonu przypisanej parkingom – XD3 [5], [7], dopuszczalne rozwarcie rysy wynosi 0,3 mm [7].
Naprawa konstrukcji żelbetowych skażonych chlorkami
Kwestię napraw konstrukcji żelbetowych reguluje bardzo dokładnie europejska zharmonizowana norma PN-EN 1504-9 [3]. Zgodnie z tym dokumentem, w przypadku wystąpienia korozji chlorkowej, planując naprawę skażonego elementu należy się kierować następującymi zasadami:
– Zasadą nr 7: Utrzymanie lub przywrócenie stanu pasywnego stali zbrojeniowej
– Zasadą nr 8: Podwyższenie oporności elektrycznej otuliny betonowej
– Zasadą nr 9: Kontrola obszarów katodowych
– Zasadą nr 10: Ochrona katodowa.
– Zasadą nr 11: Kontrola obszarów anodowych
Można te zasady ze sobą łączyć lub stosować oddzielnie, a ostateczna decyzja należy do projektanta i jest spowodowana zawsze indywidualnym podejściem zależnym od stanu destrukcji konstrukcji płyty parkingu oraz ekonomiką wykonania naprawy.
Przykładem zastosowania ochrony katodowej jest realizacja w parkingu podziemnym w budynku wielorodzinnym z 2001 roku, w którym doszło do uszkodzeń na stropie pośrednim oraz podciągach żelbetowych (Rys. 2). W trakcie prac projektowych, dokonano dokładnych oględzin konstrukcji oraz pobrano próbki do badań diagnostycznych sprawdzających zawartość chlorków i poziom karbonatyzacji. Wyniki wykazały przekroczenie dwukrotne normowych zawartość chlorków w stosunku do masy cementu w płycie stropowej oraz podciągach. Pomierzona wartość pH otuliny przy użyciu pH-metru z płyty stropowej na głębokości 3 cm wyniosła 11,1. Również zgodnie z kryterium Hausmana [9] pokazującym rozpoczęcie procesów korozyjnych na powierzchni stali zbrojeniowej, iloraz stężenia jonów chlorkowych i wodorotlenowych był wielokrotnie większy niż graniczne 0,6.
Po przeanalizowaniu wyników badań oraz możliwych kosztów naprawy, w zaleceniach naprawczych podano metody naprawy stropu oraz podciągu powołując się na normę PN-EN 1504-9 [3] wraz z zasadą 3 metodą 3.1 ,,Ręczne nakładanie zaprawy naprawczej’’ oraz zasadą 10 metodą 10.1 ,,Ochrona katodowa’’. Ochrona katodowa przy zastosowaniu protektorów cynkowych polega na stworzeniu ogniwa galwanicznego składającego się ze stali zbrojeniowej i protektora cynkowego o potencjale korozyjnym bardziej ujemnym (około
–700 mV) od potencjału stali zbrojeniowej (około –400 mV). W tak utworzonym ogniwie płynie prąd z protektora do metalu chronionego czyli stali zbrojeniowej. W związku z tym, że w wytworzonym ogniwie protektor staje się anodą, a stal zbrojeniowa katodą, to na anodzie dochodzi do reakcji utleniania, natomiast na stali zbrojeniowej dochodzi do reakcji redukcji i tym samym nie dochodzi do procesów korozyjnych.
W przypadku wykonywania remontów konstrukcji, w których beton jest skażony chlorkami, a otulina skarbonatyzowana, naprawy wykonywane tylko przy zastosowaniu materiałów naprawczych nie są skuteczne. W wymaganiach normowych znajdują się ograniczenia dotyczące zawartości jonów chlorkowych w zaprawach naprawczych do uzupełniania ubytków w betonie. W momencie, w którym naprawionej konstrukcji żelbetowej dojdzie do kontaktu cieczy, która znajduje się w porach betonu i zawiera chlorki, z cieczą z porów świeżej zaprawy naprawczej bez chlorków, zgodnie z zasadą wyrównania stężeń roztworów dojdzie do migracji chlorków do świeżej zaprawy naprawczej. Doprowadzi to do korozji „tradycyjnie naprawionego” zbrojenia. W celu doboru liczby protektorów cynkowych do ochrony katodowej zbrojenia musimy znać średnicę oraz długości prętów zbrojeniowych do ochrony, klasę ekspozycji wg normy PN-EN 206-1 [5] oraz zakładaną liczbą lat ochrony. Po obliczeniu liczby potrzebnych protektorów, zalecane jest takie rozmieszczenie protektorów, aby zapewniony był równomierny rozdział prądu na całej długości pręta zbrojeniowego.
Podczas wykonywanego remontu skuto i usunięto skażoną otulinę betonową od spodu stropu. Stal zbrojeniowa została oczyszczona mechanicznie. Następnie całą powierzchnię w miejscu napraw stropu od dołu zabezpieczono inhibitorem korozji TopGard Fe zgodnie z PN-EN 1504-9 [3] i zasadą 11 metodą 11.3 ,,Stosowanie inhibitorów korozji na lub w betonie’’. Oczyszczone pręty zbrojeniowe zostały zabezpieczone poprzez montaż protektorów cynkowych TopZinc RS 70 o masie rdzenia 70 gram (Rys 3). Po wykonanych pomiarach ciągłości elektrycznej oraz rezystancji pomiędzy protektorami a chronionym zbrojeniem, wykonana została naprawa przy użyciu materiałów naprawczych PCC zgodnie z metodą 3.1 ,,Ręczne nakładanie zaprawy naprawczej’’ oraz naniesiono barwne powłoki antykorozyjne.
Rys. 2. Widok na skorodowany spód stropu
Rys. 3. Widok na spód stropu z zamontowanymi protektorami cynkowymi
Podsumowanie
W ostatnim dwudziestoleciu w Polsce wybudowano szereg garaży wielostanowiskowych (podziemnych, nadziemnych), które przez wiele lat nie były naprawiane lub były naprawiane nieskutecznie i obecnie wymagają przeprowadzenia remontów. Podczas wykonania opinii technicznych, ekspertyz oraz projektów należy zwrócić szczególną uwagę na badania zawartości jonów chlorkowych w konstrukcji oraz głębokość skarbonatyzownia otuliny betonowej. Podczas napraw konstrukcji garaży wielostanowiskowych, w których zostały przekroczone normowe wartości skażenia jonami chlorkowymi, otulina betonowa została skarbonatyzowana, należy dodatkowo wdrażać zgodne z europejską zharmonizowaną normą PN-EN 1504 [3] inne niż tradycyjne metody napraw konstrukcji tj.:
-
elektrochemiczną realkalizację skarbonatyzowanego betonu (zasada 7, metoda 7.3);
-
elektrochemiczne usunięcie chlorków (zasada 7, metoda 7.5);
-
ochronę katodową przy zastosowaniu protektorów cynkowych (zasada 10);
Literatura
[1] Gruener M. Korozja i ochrona betonu. Arkady. Warszawa 1983.
[2] Czarnecki L., Emmons P.H., Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych. Polski Cement. Kraków 2002.
[3] PN-EN 1504. Wyroby i systemy do ochrony i naprawa konstrukcji betonowych. Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności
[4] Zybura A. Zabezpieczanie konstrukcji betonowych metodami elektrochemicznymi. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice 2003
[5] PN-EN 206 Beton – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność
[6] Zybura A.: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, PWN, Warszawa, 2011
[7] PN-EN 1992-1-1 Eurokod2. Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków
[8] Czarnecki L., Łukowski P., Garbacz A. Naprawa i ochrona konstrukcji z betonu. Komentarz do PN-EN 1404. PWN. Warszawa 2017
[9] Fegerlund G.: Trwałość konstrukcji żelbetowych. Warszawa 1997
[10] Ściślewski Z.: Ochrona konstrukcji żelbetowych. Warszawa 1999
[11] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000r. W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynieryjne i ich usytuowanie Dz.U. 2000 nr 63 poz. 735