PRZEGLĄD BUDOWLANY 2022- Ochrona katodowa w budownictwie i inne nowoczesne sposoby ochrony stali zbrojeniowej

dr inż. Lesław Hebda, mgr inż. Daniel Białecki, mgr inż. Marcin Majewski

KOROZJA CHLORKOWA – NIEDOCENIANY CZYNNIK DESTRUKCJI W GARAŻACH WIELOSTANOWISKOWYCH

CHLORIDE CORROSION – UNDERESTIMATED DESTRUCTION FACTOR IN MULTI-STATION GARAGES

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);     

Entry

Slush containing sodium chloride or calcium chloride is brought into multi-car garages (underground and overground) during the winter in our country. Both of these salts can be harmful to concrete only in concentrated solutions [1]. On the other hand, chloride ions, regardless of concentration, can penetrate the structure of the unprotected concrete surface. The rate of chloride ion penetration increases with the concentration of the chloride solution at the concrete surface, concrete permeability, moisture content and cracks in the concrete. Diffusing chloride ions in reinforced concrete structures, sooner or later, overcome the lagging and reach the level of reinforcing steel. The presence of chlorides in the vicinity of the reinforcing steel leads to damage to the passive layer surrounding the reinforcing bar and – in the presence of moisture and oxygen – to corrosion of the steel [2]. In such a situation, the corrosion processes of steel occur independently of the alkalinity of the surrounding concrete. The presence of chloride ion diffusion in the structure of reinforced concrete structures in multi-car garages is often disregarded or even overlooked, even in expert opinions, carried out even by recognized research centres. The purpose of this article is to pay special attention to the testing of chloride content in concrete and the depth of the degree of carbonation of the concrete cover during the preparation of technical opinions and expert opinions and the use of the European harmonized standard PN-EN 1504-9 [3] in technical solutions using the following principles and methods :

  • electrochemical realkalization of carbonated concrete (Principle 7, Method 7.3);

  • electrochemical removal of chlorides (Principle 7, Method 7.5);

  • cathodic protection (rule 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].

Corrosion in Reinforced Concrete initiated by chlorides

The course of chloride corrosion is a complex process, which is described by various models [4]. In one of them, it is assumed that chloride ions cause the breakdown of the passive film and the development of pitting corrosion. This is due to the self-activation of weak spots formed on foreign phase inclusions. In newer models, it is assumed that the ingress of chloride ions can reduce the water content of the passive layer on the iron. In the place of damage to the oxide layer, an anodic reaction takes place, as a result of which iron ions pass from the crystal lattice to the pore solution. Along with this reaction, a cathodic reaction of oxygen depolarization occurs at other points on the surface of the reinforcing steel. These electrochemical reactions cause different electrode potentials on the steel rods and the action of a local corrosion cell. It should be remembered that chloride corrosion also occurs in solutions with a high alkaline reaction and is strongly favored by cracks propagating from the concrete surface into its structure. For this reason, the permissible content of chlorides is normally limited [5] to a maximum of 0.4% of the cement mass in the case of ordinary reinforced concrete structures and a maximum of 0.2% of the cement mass in the case of prestressed structures and 0.1% in the case of carbonated concrete [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.

Examples of chloride contamination in elements of reinforced concrete car park structures

Example I

A small underground garage, located under a part of a residential building with 7 above-ground floors, operated since the end of 2005. From three columns, C1, C2 and C3, concrete samples were taken from the surface layer to a depth of 1-3 cm. These samples were taken from a height of approximately 3 cm above the level of the existing floor concrete. In addition, in the C1 column, samples were taken from a height of 20 cm above the floor level (sample C1.2.) and from a height of about 50 cm above the floor level (sample C 1.3). Determination of the content of chlorides in concrete was carried out by titration using the Merck kit. The results are presented in Table 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.

According to [5], [6] for reinforced concrete, the limit value of chloride content in concrete corresponds to 0.4% of the cement mass. Assuming that 1 m3 of concrete contains 400 kg of cement, and the density of concrete is 2300 kg/m3 (determined empirically), the limit value of chloride content in concrete mass for reinforced concrete is 0.070%. Assuming a cement content of 300 kg, the limit value is 0.052%. In each of the tested samples, a higher content of chloride ions was found than acceptable. In the C1 column, the concentration of chlorides at the height of 3 cm and at the height of 20 cm was similar, and in the extreme case, the permissible concentration of these ions was exceeded more than 20 times.

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.

Example II

ample IITwo-level underground garage in an office building. The facility has been in use since 2008. Interfloor ceiling in the form of a monolithic reinforced concrete slab, secured from above with a synthetic resin floor, without any insulating layers. The design does not provide for any drainage on this ceiling. During the inspection, numerous traces of damp patches and salting out were observed on the underside of the ceiling. On this surface, from the near-surface layer, in places of cracks, 20 concrete samples were taken from a depth of 1-3 cm in order to test the content of chlorides. Only in two cases out of 20, the concentration of chlorides in concrete was below the limit value for reinforced concrete structures, and the average chloride content taken from eighteen points exceeded four times the limit value.

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.

Example III

Multi-storey garage, partly sunk in the ground, four-storey, next to the office building. The facility has been in operation for over 20 years without renovation. During the inspection and the excavations made, traces of staining, salting out and corrosion of the reinforcement were observed on the underside of the floor slabs. As part of the diagnostic work, chloride content was tested in the columns and the bottom layer of floor slabs at various levels, and the top layer of the slab on the lowest (below ground level) storey. The material for the study was taken from the near-surface layer up to 2 cm (a) and from a depth of 4-6 cm (b).

Exceeding the permissible concentrations of chloride ions was recorded in all floor slabs from the bottom and in the foundation slab. On the other hand, at the base of the columns on the upper floors, the permissible concentrations were exceeded sporadically. The results of the chloride content above the norm were found in six samples out of forty-four collected. At level -1 of the car park, where it is more difficult to evaporate and remove leachate from cars, numerous exceedances of the permissible standard chloride contents were revealed – in 16 samples out of 23 tested. In an expert opinion of this garage carried out 4 years earlier by a recognized research unit, the occurring corrosion of the reinforcing steel was attributed to the carbonation of the concrete. At the time of the diagnostic work described above, the average thickness of the concrete cover of the lower reinforcement meshes of the floor slabs was 26-28 mm, and the average depth of carbonation was 17 mm, so carbonation could not be the cause of corrosion of the reinforcement steel, and therefore chlorides were the cause.

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.

Example IV

The ceiling above the two-level underground garage is partly made of prefabricated prestressed concrete slabs with a span of 11 m. In this part of the ceiling, at the ground level, there is a driveway to the building. Due to manufacturing errors and, as a consequence, leaks in the waterproofing, there are leaks from the level of the driveway to the inside of the garage (Fig. 1). The results of concrete pH, chloride concentration and the estimated [Cl-]/[OH-] ratio according to the Hausmann criterion [9] are presented in Table 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].

According to [5], [6], for prestressed reinforced concrete structures, the maximum limit value of chloride content in concrete is 0.2% of the cement mass. Assuming that 1 m3 of concrete contains 400 kg of cement, and the density of concrete is 2300 kg/m3, the limit value of chloride content in concrete mass for reinforced concrete is 0.034%. At all measurement points, the permissible concentrations of chloride ions were significantly exceeded. At the same time, high pH of the concrete was found in these places.

Corrosion of reinforcement occurring in reinforced concrete structural elements of multi-storey garages is in a large part of cases caused by the action of chloride ions. Chlorides come from melted slush brought in by cars. The rate of their penetration increases with increasing concentration at the concrete surface, concrete permeability, moisture content and cracking. The problem of scratching floor slabs is particularly important in multi-storey underground garages. Cracks in these elements are caused by shrinkage phenomena and thermal loads during the construction of the object and/or less often during use. Loads of this type are usually not considered at the design stage because such elements are assumed to operate in constant thermal conditions. In the case of the concrete exposure class assigned to parking lots – XD3 [5], [7], the permissible crack spacing is 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.

Repair of reinforced concrete structures contaminated with chlorides

The issue of repairs of reinforced concrete structures is regulated very precisely by the European harmonized standard PN-EN 1504-9 [3]. According to this document, in the event of chloride corrosion, the following principles should be followed when planning the repair of a contaminated component:

– Principle No. 7: Maintaining or restoring the passive state of reinforcing steel

– Principle No. 8: Increasing the electrical resistance of the concrete cover

– Rule No. 9: Control of cathodic areas

– Principle No. 10: Cathodic protection.

– Rule 11: Control of anode areas

These principles can be combined or used separately, and the final decision belongs to the designer and is always caused by an individual approach depending on the state of destruction of the car park structure and the economics of repair.

An example of the use of cathodic protection is the implementation in an underground car park in a multi-family building from 2001, where there were damages to the intermediate ceiling and reinforced concrete binders (Fig. 2). During the design work, a thorough inspection of the structure was carried out and samples were taken for diagnostic tests to check the content of chlorides and the level of carbonation. The results showed a twofold excess of the standard content of chlorides in relation to the mass of cement in the floor slab and binders. The measured pH value of the lagging using a pH meter from the floor slab at a depth of 3 cm was 11.1. Also, according to Hausman’s criterion [9] showing the beginning of corrosion processes on the surface of reinforcing steel, the quotient of the concentration of chloride and hydroxide ions was many times higher than the limit of 0.6.

After analyzing the test results and possible repair costs, the repair recommendations provide methods for repairing the ceiling and binder, referring to the PN-EN 1504-9 standard [3] along with rule 3 method 3.1 „Manual application of repair mortar” and rule 10 method 10.1 „Cathodic protection”. Cathodic protection using zinc protectors consists in creating a galvanic cell consisting of reinforcing steel and a zinc protector with a more negative corrosion potential (approx. –700 mV) from the potential of the reinforcing steel (approximately –400 mV). In the cell created in this way, the current flows from the protector to the protected metal, i.e. the reinforcing steel. Due to the fact that in the produced cell the protector becomes the anode and the reinforcing steel the cathode, the oxidation reaction takes place on the anode, while the reduction reaction takes place on the reinforcing steel and thus no corrosion processes take place.

In the case of repairs of structures in which the concrete is contaminated with chlorides and the lagging is carbonated, repairs performed only with the use of repair materials are not effective. The standard requirements contain restrictions on the content of chloride ions in repair mortars for filling cavities in concrete. When the repaired reinforced concrete structure comes into contact with the liquid contained in the pores of the concrete and contains chlorides with the liquid from the pores of the fresh repair mortar without chlorides, according to the principle of equalization of solution concentrations, chlorides will migrate to the fresh repair mortar. This will lead to corrosion of the „traditionally repaired” reinforcement. In order to select the number of zinc protectors for cathodic protection of the reinforcement, we need to know the diameter and length of the reinforcement bars to be protected, the exposure class according to the PN-EN 206-1 standard [5] and the assumed number of years of protection. After calculating the number of protectors needed, it is recommended to place the protectors in such a way as to ensure an even current distribution along the entire length of the rebar.

During the renovation, the contaminated concrete cover was removed from the bottom of the ceiling. The reinforcing steel was mechanically cleaned. Then, the entire surface of the floor repair area from below was protected with the TopGard Fe corrosion inhibitor in accordance with PN-EN 1504-9 [3] and principle 11 method 11.3 „Use of corrosion inhibitors on or in concrete”. The cleaned reinforcing bars were secured by installing TopZinc RS 70 zinc protectors with a core weight of 70 grams (Fig. 3). After measurements of electrical continuity and resistance between the protectors and the protected reinforcement, repairs were made using PCC repair materials in accordance with method 3.1 „Manual application of repair mortar” and colored anti-corrosion coatings were applied.

Rys. 2. Widok na skorodowany spód stropu

Rys. 3. Widok na spód stropu z zamontowanymi protektorami cynkowymi do ochrony katodowej

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);

Summary

In the last twenty years, a number of multi-car garages (underground and overground) have been built in Poland, which have not been repaired for many years or have been repaired ineffectively and now require renovation. During the preparation of technical opinions, expert opinions and designs, special attention should be paid to testing the content of chloride ions in the structure and the depth of the concrete cover carbonation plant. During repairs to the structure of multi-car garages in which the standard values ​​of chloride ion contamination have been exceeded, the concrete cover has been carbonated, it is necessary to additionally implement, in accordance with the European harmonized standard PN-EN 1504 [3] other than traditional methods of repairing the structure, i.e.: 

  • electrochemical realkalization of carbonated concrete (Principle 7, Method 7.3);

  • electrochemical removal of chlorides (Principle 7, Method 7.5);

  • cathodic protection using zinc protectors (principle 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