PRZYKŁADY ELEKTROCHEMICZNEJ EKSTRAKCJI CHLORKÓW I OCHRONY KATODOWEJ ZBROJENIA STROPÓW PARKINGÓW WIELOPOZIOMOWYCH

Streszczenie: W referacie przedstawiono przykłady napraw konstrukcji stropów żelbetowych parkingów wielopoziomowych wykonanych w różnych technologiach, skażonych jonami chlorkowymi i o obniżonej wartości pH betony w wyniku karbonatyzacji. Zastosowano elektrochemiczną ekstrakcję jonów chlorkowych i ochronę katodową zbrojenia. W metodzie ochrony katodowej wykorzystano protektory cynkowe, a w metodzie elektrochemicznej ekstrakcji chlorków zastosowano tytanowe siatki, które połączone w odpowiedni sposób ze zbrojeniem i podłączeniem źródła prądu stałego wywołały migrację jonów chlorkowych z konstrukcji. Metody te są zgodne z normą PN-EN 1504-9 [1], która reguluje kwestię napraw konstrukcji żelbetowych i w przytoczonych przykładach okazały się skuteczne.

Summary: The paper presents examples of repairs to reinforced concrete ceiling structures of multi-storey car parks made using various technologies, contaminated with chloride ions and concrete with a reduced pH value as a result of carbonation. Electrochemical extraction of chloride ions and cathodic protection of the reinforcement were used. The cathodic protection method used sacrificial zinc anods, protectors, and the electrochemical chloride extraction method used titanium meshes, which were properly connected to the reinforcement and connected to a direct current source, causing the migration of chloride ions from the structure. These methods are consistent with the PN-EN 1504-9 standard [1], which regulates the issue of repairs of reinforced concrete structures, and in the examples given, they proved to be effective.

1.Wstęp

Zgodnie  z założeniami normy Eurokod ,,konstrukcje należy w taki sposób projektować, aby zmiany następujące w projektowym okresie użytkowania, z uwzględnieniem wpływów środowiska i przewidywanego poziomu utrzymania, nie obniżały właściwości użytkowych konstrukcji poniżej zamierzonego poziomu”[2]. Budynki i budowle w tym parkingi wielopoziomowe projektowane są zgodnie założeniami normy [2] na minimum 50 lat użytkowania. 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 nie osiągając nawet połowy założonego okresu użytkowania. Korozja zbrojenia w parkingach żelbetowych wielopoziomowych może być spowodowana różnymi czynnikami, ale najgroźniejszym czynnikami powodującymi korozję jest skażenie betonu jonami chlorkowymi oraz karbonatyzacja otuliny betonowej. Korozja zbrojenia spowodowana jonami chlorkowymi doprowadziła w wielu przypadkach do uszkodzeń otuliny, zmniejszenia przekroju prętów zbrojeniowych oraz zmniejszenia nośności stropów pośrednich.

2. Naprawy konstrukcji stropów żelbetowych parkingów skażonych chlorkami

W przypadku napraw konstrukcji żelbetowych parkingów skażonych jonami chlorkowymi projektowana i stosowana przez wiele lat standardowa naprawa konstrukcji sprowadzała się zwykle do oczyszczenia prętów do klasy czystości Sa 2½ (rys. 1a), zabezpieczenia zbrojenia warstwą antykorozyjną, reprofilacji PCC (Polymer-Cement Concretes) i wykonania powłoki ochronnej (rys. 1b). W momencie, w którym w naprawionej konstrukcji żelbetowej dojdzie do kontaktu cieczy, która znajduje się w porach betonu i zawiera chlorki, z cieczą w porach świeżej zaprawy PCC bez zawartości chlorków, to zgodnie z zasadą wyrównania stężeń roztworów dojdzie do błyskawicznego wniknięcia chlorków do świeżej zaprawy PCC (rys. 1c). Doprowadzi to do korozji „tradycyjnie naprawionego” zbrojenia (rys. 1d). Miejsca naprawiane nową zaprawą lub betonem mogą inicjować korozję w przyległych obszarach skażonego betonu (efekt odtwarzającej się anody) [16].

Rys. 1. Etapy i następstwa standardowej naprawy elementu żelbetowego. a) Ubytek przed naprawą konstrukcji skażonej jonami chlorkowymi b) Naprawa ubytku z zastosowaniem zaprawy PCC i warstwy antykorozyjnej na stali c) Migracja jonów chlorkowych z konstrukcji do świeżej zaprawy PCC d) Korozja zbrojenia po krótkim czasie od naprawy

W przypadku wystąpienia dodatkowo otulin mniejszych niż wskazuje to norma [14] dla danej klasy ekspozycji to już po nawet jednym miesiącu widoczne będą zarysowania w obszarze wykonanej naprawy, rdzawe wykwity lub odspojenia miejsc z zaprawą naprawczą. Dlatego w przypadku wykonywania remontów konstrukcji, w których beton jest skażony chlorkami, naprawy wykonywane tylko przy zastosowaniu materiałów naprawczych PCC nie są skuteczne. Na etapie wykonywania ekspertyz, opinii technicznych czy projektów napraw oraz prac naprawczych obligatoryjnie trzeba korzystać z normy PN-EN 1504-9 [1], która reguluje bardzo dokładnie kwestię napraw konstrukcji żelbetowych. Zgodnie z tym dokumentem, w przypadku wystąpienia korozji chlorkowej, planując naprawę skażonego elementu należy się kierować następującymi zasadami:

W przypadku względnie niskiego stężenia jonów chlorkowych ryzyko korozji może także wzrosnąć na skutek karbonatyzacji betonu. W takim przypadku pomocne w określeniu rozpoczęcia procesów korozyjnych na powierzchni stali zbrojeniowej jest kryterium Hausmana [3].

W przypadku gdy iloraz stężenia jonów chlorkowych i wodorotlenowych jest większy niż graniczne 0,6 możemy zakładać rozpoczęcie procesów korozyjnych na powierzchni stali zbrojeniowej.

3. Przykłady projektów napraw parkingów wielopoziomowych

Przykład I

W budynku wielofunkcyjnym strop nad garażem podziemnym został zaprojektowany i wykonany z prefabrykowanych płyt kanałowych, strunobetonowych SP 32 o podwyższonej odporności ogniowej. Wykonana izolacja przeciwwodna okazała się nieskuteczna i przez około 20 lat eksploatacji następowały przecieki wód opadowych do wnętrza garażu (fot. nr 2). Badania diagnostyczne przeprowadzone podczas ekspertyzy technicznej w latach 2021-2022 [4], [5], wykazały m.in. że stężenia jonów chlorkowych w warstwie przypowierzchniowej betonu na spodniej powierzchni płyt stropowych wahały się od 0,03% do 1,65% masy cementu, gdzie dopuszczalna graniczna wartość stężenia jonów chlorkowych w stosunku do masy cementu dla konstrukcji sprężonych wynosi 0,2% [6], [7].

Fot. 2. Ślady zacieków i wysoleń widoczne na spodniej powierzchni prefabrykowanych płyt stropowych (Źródło fot. Top Building Sp. z o.o.)

W roku 2022 wykonano wymianę izolacji przeciwwodnej płyt stropowych oraz zdecydowano się na przeprowadzenie ekstrakcji chlorków zgodnie z normą [1] i zasadą numer 7 i metodą numer 7.5. z normy [1] i przygotowano ostatecznie projekt wykonawczy [8]. Przed przystąpieniem do wykonania ekstrakcji chlorków, powtórnie sprawdzono stan konstrukcji uwzględniając kryterium Hausmanna [3]. Oszacowana wartość kryterium Hausmanna dla analizowanej konstrukcji wahała się od 1 do 163, wobec wartości progowej wynoszącej 0,6 [3]. W pierwszej kolejności ponumerowano płyty, a następnie wykonano skanowanie spodu stropu w celu określenia bardzo dokładnej grubości otulin dla cięgien sprężających. Po wytyczeniu przebiegu zbrojenia sprężonego, wytyczono na betonie miejsca do wykonania nacięć dla umieszczenia elektrod ujemnych, a następnie wykonano je w rozstawie co około 7-10 cm, przy użyciu bruzdownic z regulacją zagłębienia tarczy tnącej w betonie. Po wykonaniu bruzd zamontowano elektrody ujemne, a następnie wypełniono bruzdy w betonie zaprawą naprawczą PCC. Po osiągnięciu gotowości instalacji do uruchomienia, wykonano podłączenie złącz kontrolnych i wykonano pomiary rezystancji układu w celu dobrania napięcia i prądu zasilania oraz dobrania zabezpieczenia nadprądowego dla całego układu (fot. nr 3). Elektrochemiczne usuwanie chlorków [13] odbywało się z wykorzystaniem zjawiska osmozy tj. wyrównywania różnych stężeń dwóch ośrodków. Po przyłożeniu napięcia stałego, wywołane pole elektryczne spowodowało migrację jonów chlorkowych do elektrolitu znajdującego się na zewnątrz płyt stropowych. Po pewnym czasie elektrolit zawierający chlorki był usuwany i wymieniany na nowy. Badanie zawartości chlorków wykonywano metodą Volharda zgodnie z norma[12]. Zaplanowano pomiary zawartości chlorków przed, w trakcie i po zakończonym procesie ekstrakcji. Próbki betonu o masie 5g do badań zawartości chlorków pobierano z obszarów bezpośrednio przylegających do strun sprężających płyty stropowe. Przyjęto, że graniczna zawartości chlorków dla przedmiotowego stropu, przy braku karbonatyzacji, ma wartość 0,2% masy cementu. Po uzyskaniu w danym obszarze stężenia chlorków w betonie poniżej 0,2% (Rys. nr 4) w stosunku do masy cementu i potwierdzeniu wyników przez certyfikowane laboratorium oraz po przeliczeniu według Tuuti [9] dla kryterium Hausmanna [3] otrzymanych wyników, które zawierały się w przedziale od <0,3-0,6> , czyli poniżej dopuszczalnych, demontowano instalację do usuwania chlorków, a powierzchnię betonu naprawiano przy użyciu szpachlówki PCC. Dodatkowo na powierzchnię płyt stropowych naniesiono powłokę ochronną o wysokim oporze dyfuzyjnym dla dwutlenku węgla.

Fot. 3. Widok na uruchomioną instalację do usuwania chlorków. Fot. po lewej zbliżenie na instalację prądową. Fotografia po prawej widok ogólny na strop z podłączoną instalacją pradową. (Źródło fot. Top Building Sp. z o.o.

 

 

Rys. 4. Zestawienie wyników badań dla pól o numerach od 1 do 10 z 7 tygodni działania instalacji do usuwania chlorków

Przykład II

Garaż podziemny, dwupoziomowy w budynku biurowym był użytkowany od 2008 roku. Strop międzykondygnacyjny w garażu wykonano w formie monolitycznej płyty żelbetowej, zabezpieczonej od góry posadzką z żywicy syntetycznej i bez żadnych warstw izolacyjnych (fot. nr 5). 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. Stężenie chlorków w betonie było powyżej wartości dopuszczalnej dla konstrukcji żelbetowych (%Cl^¯ > 0,4 m.c), a średnia zawartość chlorków pobrana z dwudziestu punktów przekraczała czterokrotnie dopuszczalną normę. W 2021 r. został opracowany projekt wykonawczy naprawy płyty stropowej z zaleceniem zastosowania ochrony katodowej zgodnie z zasadą 10 normy [1] dla dolnego zbrojenia przy zastosowaniu protektorów cynkowych montowanych metoda pośrednią do zbrojenia

Fot. 5.a) Widok ogólny na spód stropu. b) Zbliżenie na występującą rysę w stropie z wykrystalizowanym chlorkiem sodu pod zbrojeniem dolnym. (Źródło fot. Doradca Techniczny Dorota Hebda)

Na etapie realizacji został wykonany projekt technologiczny zabezpieczenia dolnej siatki zbrojeniowej #12 mm i #16mm oraz obejmujący rozmieszczenia anod cynkowych na stropie. Został zaprojektowany system ochrony katodowej w postaci anod TopZinc Anode montowanych pośrednio do zbrojenia. System TopZinc Anode (fot. nr 6) występuje w 9 różnych odmianach w zależności od ilości i przekroju zbrojenia wymagającego ochrony. Połączenie do zbrojenia realizowane jest przy użyciu zestawu połączeniowego i kleju przewodzącego TopZinc Conductive.

Fot. 6. Widok na anodę TopZinc Anode przymocowaną do spodu stropu. (Źródło fot. Top Building Sp. z o.o.)

Przykład III

Parking podziemny w budynku biurowym składający się z dwóch brył o różnych wysokościach połączonych w części podziemnej garażami na poziomach -1 i -2. Obiekt użytkowany był od 1998 roku. W związku z wystąpieniem bardzo dużej degradacji spodu stropu monolitycznego o budowie płytowo słupowej w roku 2024 zlecono i wykonano ekspertyzę oraz projekt wykonawczy remontu stropów garażu podziemnego. W czasie wykonywania ekspertyzy pobrano próbki i wykonano badania zawartości jonów chlorkowych, karbonatyzacji otuliny betonowej oraz wykonano badania potencjałów korozyjnych przy użyciu elektrody odniesienia siarczano-miedziowej zgodnie z normą [10]. Wyniki badań wykazały przekroczenie dopuszczalnej zawartości chlorków w betonie w stosunku do masy cementu w płytach stropowych, karbonatyzację betonu na głębokości zbrojenia, a pomiary potencjałów korozyjnych wykazały 95 % prawdopodobieństwo występowania korozji zgodnie normą [10] (fot. nr 7). Sprawdzono również kryterium Hausmana [3], które wskazało, że uzyskane wyniki ilorazu stężenia jonów chlorkowych i wodorotlenowych był wielokrotnie większe niż graniczne 0,6. Otrzymane wyniki badań i wykonane oględziny wykazały korozję zbrojenia wywołaną jonami chlorkowymi i karbonatyzacją. Po przeanalizowaniu wyników badań oraz możliwych kosztów naprawy, zaprojektowano metody naprawy stropów powołując się na normę [1] i kierując się następującymi zasadami:

– zasada 3 metoda 3.1 ,,Ręczne nakładanie zaprawy naprawczej’’,

– zasada 4 metoda 4.5. ,, Iniekcja rys i pustek’’,

– zasada 4 metoda 4.3 ,,Doklejenie płyt wzmacniających’’,

– zasada 7 metoda 7.2 ,, Wymian skażonego lub skarbonatyzowanego betonu’’,

– zasada 10 metodą 10.1 ,,Ochrona katodowa’’ przy zastosowaniu protektorów cynkowych.

W projekcie wykonawczym przyjęto zabezpieczenie stali zbrojeniowej zgodnie z zasadą 10 poprzez zastosowanie ochrony katodowej z użyciem systemu TopZinc Anode lub TopZinc RS 210 (protektor cynkowy o masie rdzenia 210 g) w systemie podłączenia zewnętrznego z użyciem kleju TopZinc Conductive lub w miejscu występowania braku otuliny i napraw żelbetu w systemie podłączenia bezpośredniego do zbrojenia.

Fot. 7. Widok na uszkodzoną otulinę i korozję zbrojenia. (Źródło fot. Top Building Sp. z o.o.)

4. Ocena skuteczności stosowania ochrony katodowej zbrojenia w betonie

Zastosowanie ochrony katodowej dla zbrojenia ma tą bardzo ważną zaletę w porównaniu z innymi metodami, że natychmiast po wdrożeniu systemu ochrony, poprzez pomiar potencjału (napięcia) pomiędzy anodą i zbrojeniem stalowym możemy stwierdzić, że zbrojenie jest chronione. Osiągnięcie pomierzonego napięcia niższego niż -350mV względem elektrody siarczano-miedziowej świadczy o tym, że stal jest chroniona. Na fot. 8 przedstawiono pomiar potencjału ochronnego dla stali zbrojeniowej po uruchomieniu instalacji ochrony katodowej.

Fot. 8. Pomiar potencjału ochronnego stali zbrojeniowej (Źródło fot. Top Building Sp. z o.o.)

W dowolnym momencie użytkowania instalacji można wykonać badanie pomiaru potencjału zbrojenia podłączonego do protektora lub anody i ocenić skuteczność ochrony.

W artykule [15] przedstawiono bardzo obszerne badania dotyczące ochrony katodowej stali zbrojeniowej w długoletnim okresie eksploatacji wynoszącym powyżej 10 lat w 2021 roku i wciąż kontynuowaniu tych badań.

 

5. Podsumowanie

Podczas napraw konstrukcji garaży wielostanowiskowych, w których zostały przekroczone dopuszczalne wartości skażenia jonami chlorkowymi, otulina betonowa została skarbonatyzowana, należy dodatkowo wdrażać zgodne z europejską zharmonizowaną normą PN-EN 1504 [1] 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);

W przypadku zastosowania metody związanej z elektrochemicznym usuwaniem chlorków, na przedstawionym przykładzie realizacji oraz na podstawie otrzymanych wyników badań potwierdzono, że założony schemat usuwania i migracji chlorków z głębszych pokładów betonu tj. 5cm w głąb otuliny do ośrodka o mniejszym stężeniu realizuje się. Według europejskiej zharmonizowanej normy PN-EN 1504-9 [1] ochrona katodowa jest szczególnie odpowiednia w przypadku znacznego skażenia chlorkami lub intensywnej karbonatyzacji oraz pozwala na skuteczne i długotrwałe ograniczenia korozji oraz przeciwdziała problemowi odtwarzania się anody i skutkom skażenia betonu. Najnowsza norma PN-EN ISO 12696:2022 ,,Ochrona katodowa w betonie’’ [11] dopuszcza warunkowe stosowanie ochrony katodowej w konstrukcjach sprężonych, a system ochrony katodowej zbrojenia TopZinc, spełnia te warunki.

Literatura

[1] PN-EN 1504-9. Wyroby i systemy do ochrony i naprawa konstrukcji betonowych. Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności

[2] PN-EN 1992-1-1 Eurokod2. Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków

[3] Fegerlund G.: Trwałość konstrukcji żelbetowych. Warszawa 1997

[4] Hebda L. Ekspertyza techniczna na temat przyczyn występowania przecieków w ścianach i stropach (…) oraz sposobu ich usunięcia. Piaseczno, lipiec 2021.

[5] Hebda L. i in. Wykonanie badań stężenia chlorków w płycie stropu nad pozioimem -1 w budynku (…). Piaseczno, wrzesień 2022.

[6] PN-EN 206 Beton – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność

[7] Zybura A.: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, PWN, Warszawa, 2011

[8]Majewski M., Nicer T. Projekt wykonawczy ekstrakcji elektrochemicznej chlorków ze spodu stropu nad poziomem -1 w garażu podziemnym w budynku (…). Warszawa,październik 2023

[9] Tuutti, K Corrosion of steel in concrete. CBI Research Stockholm 1982

[10]ASTM C876 – 91: Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete, 1999

[11] PN-EN ISO 12696 Ochrona katodowa stali w betonie

[12] PN-EN 14629:2008 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych – Metody badań – Oznaczanie zawartości chlorków w betonie

[13] Jaśniok M., Zybura A., Elektrochemiczne odtworzenie ochronnych właściwości otuliny betonowej. Przegląd Budowlany 7-8 2007

[14] PN-EN 10080:2007 – Stal do zbrojenia betonu — Spajalna stal zbrojeniowa — Postanowienia ogólne

[15] dr inż. Banaś A. mgr inż. Majewski M. Ochrona katodowa stali zbrojeniowej w długoletnim okresie eksploatacji. Mosty 2/2021

[16] PN-EN 12696:2022 Ochrona katodowa stali w betonie

Lesław Hebda  – Doradca Techniczny Dorota Hebda, Piaseczno

Daniel Białecki, Marcin Majewski – mgr inż., firma: Top Building sp. z o.o., Warszawa