Home » SEMINARIUM MOSTOWE POZNAŃ 2026 – O MOŻLIWOŚCIACH STOSOWANIA OCHRONY KATODOWEJ DO ZABEZPIECZENIA PRZED KOROZJĄ KONSTRUKCJI SPRĘŻONYCH

SEMINARIUM MOSTOWE POZNAŃ 2026 – O MOŻLIWOŚCIACH STOSOWANIA OCHRONY KATODOWEJ DO ZABEZPIECZENIA PRZED KOROZJĄ KONSTRUKCJI SPRĘŻONYCH

1. WPROWADZENIE

Zagadnieniu ochrony katodowej konstrukcji zbrojonych poświęcili autorzy tego artykułu już we wcześniejszych publikacjach [2, 3, 11]. Niniejszy artykuł ma przede wszystkim na celu poszerzenie wiedzy z tego zakresu oraz wskazanie możliwości i ograniczeń w stosowania tej metody do ochrony konstrukcji sprężonych i rozwianie niektórych wątpliwości co do zagrożeń z jej stosowania.

Ochrona katodowa jest jedną z metod podnoszenia trwałości konstrukcji zbrojonych prętami stalowymi – zarówno wstępnie nie naprężonymi (konstrukcje żelbetowe) jak i wstępnie naprężonymi (konstrukcje sprężone). Jednak ze względu na istotnie różne właściwości fizyczne stali stosowanej do sprężania w porównaniu do zwykłej stali zbrojeniowej, nieco inne są możliwości i wymagania w stosowaniu ochrony katodowej konstrukcji sprężonych w porównaniu z konstrukcjami żelbetowymi (niesprężonymi). Szczególnej uwagi wymaga projektowanie ochrony katodowej konstrukcji sprężonych, gdzie z reguły występują oba rodzaje stali.

Jeśli ze względu na sposób umieszczenia cięgien sprężających ochrona katodowa konstrukcji strunobetonowych jest podobna do konstrukcji żelbetowych, to zupełnie innego podejścia wymagają konstrukcje kablobetonowe. Wynika to przede wszystkim z umieszczenia cięgien sprężających (kabli) w kanałach kablowych. Umieszczenie cięgien w kanałach kablowych powoduje efekt ekranowania przez osłony kablowe. Dotyczy to zarówno kanałów metalowych jak i plastikowych. Stwierdzono, że efekt ekranowania jest szczególnie widoczny gdy metalowy kanał kablowy jest połączony elektrycznie ze zbrojeniem. Kanały plastikowe działają natomiast jako izolator. Efekt ekranowania cięgien sprężających może być potęgowany przez zwykłe zbrojenie niesprężone, szczególnie jeśli warstwa zbrojenia jest gęsta [15].W związku z tym, przypadku konstrukcji kablobetonowych realna jest jedynie ochrona splotów tylko bezpośrednio w rejonie ich zakotwienia, po podłączeniu anody galwanicznej do końca splotów, Możliwa jest tez ochrona głowic kotwiących [7].

Istotne ograniczenia w stosowaniu ochrony katodowej konstrukcji sprężonych wynika z podatności stali o wysokiej wytrzymałości na tzw. kruchość wodorową. W połączeniu z wysokim naprężeniem cięgien może to skutkować pękaniem cięgien sprężających.

Biorąc wskazane ograniczenia do stosowania ochrony katodowej konstrukcji sprężonych należy podchodzić nieco inaczej niż konstrukcji zbrojonych prętami wstępnie nie naprężonymi (konstrukcji żelbetowych).

Ochrona katodowa mostowych konstrukcji sprężonych jest stosowana na całym świecie, zwłaszcza gdy mamy do czynienia z chlorkami, np. w Norwegii, w konstrukcjach narażonych na oddziaływanie środowiska morskiego i aerozolu solnego czy w Ameryce Północnej np. na Abbey Road Bridge oraz Howard Frankland Bridge, gdzie jej zastosowanie pozwoliło na ograniczenie postępu korozji zbrojenia w warunkach intensywnego oddziaływania chlorków. W Europie przykłady zastosowań obejmują m.in. Holandię i Belgię (np. most Neerbossche), a także Wielką Brytanię, gdzie ochrona katodowa została zastosowana m.in. na moście Kyle of Tongue w Szkocji. Technologia ta znajduje również zastosowanie poza Europą, m.in. w Nowej Zelandii (Tiwai Point, Calliope Wharf Access Jetty) oraz we Francji (Viaduc de Saint-Cloud). W Polsce ochrona katodowa też już jest stosowana w sprężonych obiektach inżynieryjnych np. w Poznaniu czy Garwolinie. Wymienione przykłady potwierdzają rosnące znaczenie tej technologii ochrony konstrukcji sprężonych, również w krajowej praktyce inżynierskiej.

2. ZALETY STOSOWANIA OCHRONY KATODOWEJ DO OCHRONY ZBROJENIA

Jak wykazują badania potwierdzone obserwacjami na eksploatowanych obiektach, ochrona katodowa jest jedyną skuteczną metodą ochrony stali zbrojeniowej w przypadku betonu skarbonatyzowanego i nasyconego chlorkami [4, 9]. Jest również skuteczna w celu ograniczania powstawaniu wtórnych ogniw korozyjnych w przypadku napraw cząstkowych. Ponadto badania wykazały, że zastosowanie ochrony katodowej powoduje nie tylko zahamowanie korozji zbrojenia, ale również skutkuje zmniejszeniem stężenia jonów chlorkowych na powierzchni stali zbrojeniowej, co w sposób istotny zmniejsza zagrożenie wystąpienia korozji. Obserwacja ta jest bardzo istotna, ponieważ jakkolwiek standardowo przyjmuje się, że zagrożenie korozją stali sprężającej spowodowaną chlorkami pojawią się, gdy zawartość chlorków betonie przekracza 0,2% w stosunku do masy cementu, to w przypadku betonu skarbonatyzowanego zagrożenie przyspieszoną korozją cięgien sprężających już występuje, gdy zawartość chlorków przekroczy 0,1% w stosunku do masy cementu. Dlatego stosowanie ochrony katodowej jest zalecane zwłaszcza do podnoszenia trwałości naprawianych konstrukcji.

3 OGÓLNE SPOSOBY OCHRONY KATODOWEJ

Podstawy ochrony katodowej opisali autorzy w artykułach [2, 11]. Tutaj przypominamy jedynie, że ochronę katodową można realizować w betonowych konstrukcjach zbrojonych, w tym w elementach sprężonych, na trzy różne sposoby:

• Ochrona katodowa z prądem wymuszonym (ICCP), która polega na zastosowaniu anod obojętnych w połączeniu z zewnętrznym źródłem prądu stałego, który dostarcza elektrony do chronionej konstrukcji.

• Ochrona katodowa z anodami galwanicznymi (GCP), która wykorzystuje anody wykonane z metali mniej szlachetnych, takich jak magnez, cynk czy aluminium, a które ulegając kontrolowanej korozji, wytwarzają prąd ochronny.

◦ Systemy hybrydowe – łączące obie powyższe metody.

W przypadku konstrukcji sprężonych, w związku z zagrożeniem wystąpienia opisanej kruchości wodorowej [11], praktyczne bezpieczne zastosowanie ma jedynie metoda z zastosowaniem anod obojętnych (GCP). Zastosowanie anod obojętnych gwarantuje wystąpienie prądu ochronnego o napięciu nie przekraczającym -900 mV (patrz pkt 4.1 artykułu).

Protektory lub anody 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 działanie ochronne stali zbrojeniowej po prawidłowym podłączeniu do prętów zbrojeniowych i zabetonowaniu zbrojenia lub wykonaniu naprawy. Ochrona katodowa zbrojenia z wykorzystaniem protektorów lub anod cynkowych daje nam możliwością zaplanowania czasu jej trwania, wynoszącego nawet do 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 lub anod cynkowych.

O skuteczności ochrony katodowej decyduje zarówno napięcie jak i gęstość prądu ochronnego. Wymagana gęstość (natężenie prądu na jednostkę powierzchni stali) prądu ochronnego. jest zróżnicowana w zależności od tego czy beton jest zanieczyszczony chlorkami (wymagana większa gęstość) czy nie zanieczyszczony (wymagana mniejsza gęstość). Dąży się generalnie do zwiększenia gęstości prądu na granicy faz anoda/beton, aby zminimalizować liczbę stosowanych anod. Testy wykazały, że anody w odpowiednich wypełnieniach z zaprawy mogą pracować przy znacznie wyższych gęstościach prądu, nawet 900mA/m2. Jednak na ogół stanowi się, by długoterminowa gęstość prądu była na poziomie 100mA/m2 [5].

Jeśli ochronę katodową chcemy stosować do ochrony konstrukcji z naprawami cząstkowymi, to należy mieć na uwadze różne właściwości betonu pierwotnego i dodanego, co objawia się przede wszystkim różnym jego oporem. Jest to związane z niejednorodnością betonu – innego w istniejącej konstrukcji i innego w wypełnieniu ubytków. Okazuje się, że elementy ochrony katodowej (CP) umiejscowione w obszarach naprawianych wykazują mniejszą depolaryzację w porównaniu z obszarami nienaprawianymi [10]. W przypadku konstrukcji o bardzo niejednorodnej wytrzymałości betonu, osiągnięcie kryteriów ochrony katodowej w miejscach o wysokiej rezystywności może być trudne, przy jednoczesnym wykluczeniu wytwarzania wodoru w miejscach o niskiej rezystancji. Zróżnicowana rezystancja betonu jest spowodowana również innymi czynnikami, takimi jak grubość otuliny, zawartość chlorków, rezystancja styku anody z betonem i odległość od źródła zasilania anody. Problem ten jest szczególnie istotny w przypadku stosowania anod nakładanych powierzchniowo [10]. Stwierdzono, że skuteczność systemu GCP w sąsiedztwie obszaru chronionego powierzchniowo montowanymi anodami cynkowymi jest ograniczona w przypadku gęstego i/lub suchego betonu i maleje z czasem. Dlatego zaleca się, aby nie przeceniać skuteczności ochrony katodowej, jeśli nie są dostępne szczegółowe wyniki badań (głównie dotyczące jakości betonu i środowiska, w którym znajduje się zabezpieczany element), zwłaszcza ochrony zbrojenia oddalonego od anody [10].

Istotnym parametrem mającym wpływ na skuteczność ochrony katodowej ma rozkład wilgoci w betonie. Nierównomierna zawartość wilgoci w betonie może prowadzić do zmiennego i potencjalnie niekontrolowanych poziomów ochrony. Niedostateczna wilgotność betonu prowadzi ponadto do problemów z przewodnością, co utrudnia skuteczność utrzymanie ochrony katodowej. Okazuje się że obecność wilgoci w betonie może być korzystna dla ochrony katodowej, ponieważ zapewnia przewodność prądu ochronnego. Stwierdzono, że rezystancja betonu, na którą wpływa wilgotność betonu i zaprawy użytej do naprawy, ma istotny wpływ na skuteczność zainstalowanego systemu GCP i jego rozwój w czasie. Jednak skuteczność ochrony może być ograniczona w przypadku dużego obciążenia wilgocią elementu chronionego, gdyż aby zamknąć obwód prąd wybiera ścieżkę o niskiej rezystancji, co prowadzi do zwarcia w systemie [10].

4. OCHRONA KATODOWA KONSTRUKCJI SPRĘŻONYCH

4.1 Strategia ochrony katodowej konstrukcji sprężonych

Przy opracowywaniu ochrony katodowej konstrukcji sprężonej należy brać pod uwagę to, że w konstrukcjach sprężonych, poza stalą sprężającą występuje również stal nie sprężona. Są to rodzaje stali, które różnie reagują na odziaływanie prądu ochronnego. Pojawia się więc problem jaką przyjąć strategię ochrony katodowej. Czy chronić tylko zbrojenie niesprężone czy tyko sprężone, a może oba rodzaje zbrojenia, a poza tym jak chronić skutecznie jedno zbrojenie nie „szkodząc” drugiemu. M.in. z tego powodu pojawia się problem czy w konstrukcjach sprężonych stosować ochrona bierną, czynną czy może systemy hybrydowe. Rozwiązaniu wymaga również dobór napięcia prądu ochronnego, zwłaszcza w przypadku zastosowania ochrony czynnej oraz jak rozmieszczać i w jaki sposób montować elektrody (anody). Rozwiązaniu wymaga również efekt ekranowania przez warstwy zbrojenia niesprężonego oraz w wypadku kablobetonu przez osłony kabli.

4.2 Ograniczenia w stosowaniu ochrony katodowej konstrukcji sprężonych

Istotą ochrony katodowej jest świadome wytworzenie ogniwa elektrochemicznego. Dlatego musi być zapewniony przepływ prądu ochronnego pomiędzy anodą a chronionym zbrojeniem. Taką możliwość mamy w przypadku prętów zbrojeniowych (konstrukcja żelbetowa) i cięgien sprężających umieszczonych bezpośrednio w przekroju betonowym (konstrukcje strunobetonowe). W przypadku konstrukcji kablobetonowych, o czym już pisaliśmy, skuteczną ochronę cięgien sprężających uniemożliwiają ekranujące właściwości osłon kablowych. Dlatego w konstrukcjach kablobetonowych ochrona katodowa jest skuteczna jedynie w odniesieniu do głowic kotwiących kable i ewentualnie krótkich odcinków kabli w pobliżu zakotwienia, jednak pod warunkiem podłączenia katody bezpośrednio do zakotwienia. Z kolei w przypadku cięgien sprężających w konstrukcjach strunobetonowych, to ponieważ z reguły przy powierzchni elementu sprężonego znajduje się zbrojenie niesprężone, to może ono okazać się ekranem ograniczającym lub uniemożliwiającym przepływ prądu pomiędzy anodą ochronną a cięgnami sprężającymi, zwłaszcza w przypadku stosowania elektrod nakładanych na powierzchni elementu, a nie mocowanych bezpośrednio do cięgien sprężających.

Innym ograniczeniem w stosowaniu ochrony katodowej do konstrukcji sprężonych jest zagrożenie wystąpienia tzw. kruchości wodorowej cięgien sprężających. Jest to związane z potencjalnym wydzielaniem się wodoru na powierzchni cięgien w procesie anodowym. Może to być proces samoistny, związany np. występowaniem wżerów korozyjnych na cięgnach sprężających czy nasyceniem chlorkami betonu otaczającego cięgna sprężające. Jednak wydzielanie się wodoru może być wywołane lub spotęgowane przez zastosowanie ochrony katodowe. Jest to związane wytworzeniem w sposób świadomy ogniwa elektrochemicznego.

Na stopień zagrożenia wydzielania się wodoru wpływa wartość napięcia wytworzonego w ogniwie ochronnym, w powiązaniu ze stopniem karbonatyczacji betonu. Różne eksperymentalne badania laboratoryjne wykazały, że potencjał, przy którym następuje wydzielanie wodoru, zależy nie tylko od wartości napięcia prądu ochronnego, ale również od stopnia karbonatyzacji betonu, a właściwie z jego pH. Okazuje się, że wydzielanie wodoru maleje liniowo wraz z wzrostem pH betonu zgodnie z prawem Nernsta (rys. 1). Z prawa tego wynika, że w betonie skarbonatyzowanym ryzyko wydzielania się wodoru jest większe przy wyższej wartości różnicy potencjału względem referencyjnej elektrody kalomelowej. Dlatego ze szczególna ostrożnością należy podchodzić do stosowania ochrony katodowej w naprawianych konstrukcjach sprężonych. Niemniej w przypadku stali o dużej wytrzymałości, takiej jak stal sprężająca, gdy potencjał staje się bardziej ujemny niż -1000 mV względem kalomelowej elektrody odniesienia (SCE), wzrasta ryzyko tzw. kruchości wodorowej nawet w betonie nieskarbonatyzowanym [8]. Dlatego w przypadku stali sprężającej jako graniczne napięcie w ogniwie ochronnym przyjmuje się o wartości -900 mV [12]. Badania wykazują ponadto, że zagrożenie wystąpienia pękania z powodu kruchości wodorowej jest szczególnie prawdopodobne, gdy naprężania w stali sprężające przekraczają 70% jej wytrzymałości na rozciąganie. Należy również mieć na względzie, że wydzielanie wodoru nie powoduje bezpośrednio zagrożenia wystąpieniem kruchości stali sprężającej, ale jedynie zwiększa istotnie prawdopodobieństwo jej wystąpienia.

Zagrożenie wystąpienia kruchości wodorowej rośnie w sposób istotny gdy na powierzchni cięgien sprężających występują wżery korozyjne. Jest to wynikiem tego, że we wżerach korozyjnych wartość pH spada z powodu hydrolizy jonów Fe2+. Ponieważ z praktycznego punktu widzenia uszkodzenia wywołane wodorem są możliwe tylko w środowisku kwaśnym, dlatego wżery korozyjne sprzyjają wydzielaniu wodoru i w efekcie prowadzić do pękania cięgna sprężającego (H-SCC). Dlatego zwraca się uwagę, że stal sprężająca, która jest skorodowana, może nie mieć bezpiecznego potencjału granicznego prądu ochronnego. W związku z tym nie ma pewności zapewnienia skutecznej ochrony katodowej skorodowanych cięgien sprężających [6].

Uwaga. Zagrożenie to występuje nie tylko w stalach sprężających, ale również we wszystkich stalach o wysokiej granicy plastyczność (> 500 MPa).

4.3 Wpływ ochrony katodowej na właściwości stali sprężającej i przyczepność cięgien do betonu.

Przy stosowaniu ochrony katodowej do konstrukcji sprężonych pojawiają się watpliowści, jak ta metoda wpływa na mechaniczne właściwości stali sprężającej oraz na przyczepności betonu do stali. Przeprowadzone badania wykazały, że zastosowanie ochrony katodowej nie ma negatywnego wpływu ani na właściwości mechaniczne stali sprężającej, w tym zwiększenie jej kruchości. Zachodzi jedynie zagrożenie wydzielaniem się wodoru, zwłaszcza gdy stal sprężającą ma wżery korozyjne i związane z tym wystąpienie kruchości wodorowej (H-SCC). Ochrona katodowa nie ma natomiast wpływu na połączenia między stalą sprężającą i betonem (przyczepnością betonu do cięgien sprężających). Nie stwierdzono również negatywnego wpływu na integralność strukturalną betonu oraz na zmiany w składzie chemicznym ani mineralogicznym betonu stykającego się ze stalą sprężającą lub sąsiadującego z nią. [7].

5. PROJEKTOWANIE OCHRONY KATODOWEJ KONSTRUKCJI SPRĘŻONYCH

W sprężonych konstrukcjach inżynierskich zalecaną metodą ochrony katodowej jest ochrona z wykorzystaniem anod galwanicznych (GCP). Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN ISO 12696:2022 [12], materiał anod powinien być dobrany w taki sposób, aby zapewnić odpowiednią różnicę potencjałów oraz stabilną pracę w danym środowisku. Najczęściej stosuje się anody cynkowe, a wynika to przede wszystkim z ich stabilnego i umiarkowanie ujemnego potencjału elektrochemicznego, który zapewnia skuteczną ochronę stali przy jednoczesnym ograniczeniu ryzyka nadmiernej polaryzacji, co ma szczególne znaczenie w elementach sprężonych. Dodatkowo rdzeń anody cynkowej zbudowany jest z wysokiej czystości cynku (99,99% Zn), co przekłada się na równomierne zużycie anody oraz stabilne parametry pracy.

Ochrona katodowa przy zastosowaniu anod galwanicznych w konstrukcjach sprężonych może mieć trzy główne cele:

  1. ochrona zbrojenia miękkiego (niesprężonego),

  2. ochrona zbrojenia sprężającego,

  3. ochrona zarówno zbrojenia sprężającego, jak i miękkiego.

Dobór liczby anod galwanicznych w postaci protektorów lub anod cynkowych przeznaczonych do ochrony katodowej stali w konstrukcjach sprężonych powinien uwzględniać następujące kluczowe parametry techniczne:

  1. powierzchnię lub masę stali ( zbrojenie miękkie, zbrojenie sprężające), przeznaczonej do zabezpieczenia,

  2. klasę ekspozycji konstrukcji betonowej zgodnie z normą PN-EN 206 [14] (w szczególności klasy XD1–XD3 oraz XS1–XS3),

  3. stopień karbonatyzacji otuliny betonowej,

  4. stężenie jonów chlorkowych w otulinie betonowej wyrażone jako procent masy cementu.

Istotnym czynnikiem warunkującym skuteczność działania ochrony katodowej jest odpowiednie rozmieszczenie anod w konstrukcji. Układ anod powinien zapewniać możliwie równomierny rozkład potencjału elektrochemicznego w chronionym zbrojeniu oraz minimalizować ryzyko występowania obszarów niedostatecznie chronionych. Ochronę katodową z wykorzystaniem anod cynkowych można realizować przez:

  • połączenie bezpośrednie – trwałe przyłączenie anody do zbrojenia,

  • połączenie pośrednie (rys nr 2, 3) – z wykorzystaniem systemowych elementów połączeniowych (np. kotew elektrycznych, łączników),

    • elementów połączeniowych (np. kotew elektrycznych, łączników),

    Rys. 2 . Schemat podłączenie pośrednie protektorów cynkowych do stali sprężającejRys. 3 Schemat podłączenia pośredniego anod cynkowych do stali sprężającej

    Bardzo istotnym aspektem skuteczności stosowania ochrony katodowej jest prawidłowy montaż systemu. Nawet najlepiej zaprojekowany układ ochrony katodowej nie będzie efektywny, jeżeli na etapie wykonawstwa zostaną popełnione błędy technologiczne. Skuteczność ochrony katodowej jest w dużej mierze zależna od robót przygotowawczych, poprawności montażu oraz właściwie przeprowadzonych badań sprawdzających poprawność podłączenia. W przypadku systemów galwanicznych skuteczność działania zależy bezpośrednio od jakości kontaktu elektrycznego pomiędzy anodą a zbrojeniem.

    Do najczęstszych błędów wykonawczych należą:

    • brak zapewnienia ciągłości elektrycznej zbrojenia,

    • niewłaściwe przygotowanie podłoża betonowego,

    • niedostateczne oczyszczenie stali zbrojeniowej (np. pozostawienie produktów korozji),

    • nieprawidłowy montaż anod cynkowych (protektorów), w szczególności:

      • niewłaściwe lub nietrwałe połączenie elektryczne ze zbrojeniem,

      • niezgodny z projektem rozstaw anod,

    • brak kontroli po podłączeniu ochrony katodowej – brak sprawdzenia przewodności elektrycznej oraz rezystancji po montażu pomiędzy anodą a zbrojeniem,

    • brak efektywnego kontaktu jonowego (anoda–zaprawa),

    • nieprawidłowa kolejność lub czas prowadzenia robót naprawczych.

    W konsekwencji błędy wykonawcze mogą całkowicie zniwelować założenia projektowe i doprowadzić do sytuacji, w której system ochrony katodowej nie spełnia swojej funkcji, a proces korozji zbrojenia nie zostaje zahamowany. Dlatego, zgodnie z wymaganiami normowymi [12], niezbędna jest kontrola potencjału polaryzacji i monitoring skuteczności ochrony.

    6. KONTROLA POTENCJAŁU POLARYZACJI I MONITORING SKUTECZNOŚCIĄ OCHRONY

    Do oceny skuteczności ochrony katodowej stosuje się określone kryteria zapisane w normie [12]. Najczęściej wykorzystywanym w praktyce inżynierskiej jest kryterium depolaryzacji 100 mV w czasie do 24 godzin. Ocena skuteczności polega na czasowym odłączeniu systemu ochrony katodowej i w tym czasie rejestrowaniu potencjału elektrochemicznego stali. Jeżeli do 24 godzin nastąpi zmiana potencjału (depolaryzacja) o co najmniej 100 mV, uznaje się, że system ochrony katodowej działa skutecznie.

    Do weryfikacji spełnienia kryteriów normowych mogą być stosowane systemy zdalnego monitoringu, co w znacznym stopniu ułatwia sprawdzenie i nadzorowanie systemu ochrony katodowej. Monitorowanie potencjału realizowane jest z wykorzystaniem elektrod odniesienia (rys.4), instalowanych na stałe w pobliżu chronionego zbrojenia – zarówno w konstrukcjach sprężonych nowych, jak i poddawanych podanych naprawie. Zastosowanie elektrod odniesienia do ciągłego zdalnego monitoringu umożliwia nie tylko ocenę skuteczności działania ochrony katodowej, ale również bieżącą kontrolę stopnia zaawansowania procesów korozyjnych, co ma szczególne znaczenie w przypadku konstrukcji sprężonych.

    Rys. 4. Elektroda odniesienia do pomiarów potencjałów

    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. Dane pozyskiwane z układu umożliwiają bieżący odczyt podstawowych parametrów w czasie rzeczywistym. System rejestruje między innymi wartość potencjału, temperaturę otoczenia oraz poziom naładowania baterii (rys5). Układ może być zasilany zarówno z sieci energetycznej, jak i z instalacji solarnych, co zwiększa elastyczność jego zastosowań i pozwala na pracę w warunkach ograniczonego dostępu do tradycyjnych źródeł energii.

    Rys. 5. Schemat zdalnego monitoringu pomiaru potencjałów oraz rejestracja odczytów wyniki pomiarów potencjału ochrony katodowej

    Program do zdalnego monitoringu umożliwia rejestrację danych z jednej elektrody odniesienia lub z wielu elektrod jednocześnie, co pozwala na uzyskanie bardziej szczegółowego obrazu stanu całej konstrukcji.

    Rys. 6. Rejestracja odczytów wyniki pomiarów potencjału po wyłączeniu i włączeniu ochrony katodowej

    Na rysunku 6 przedstawiono ocenę skuteczności ochrony katodowej w oparciu o kryterium depolaryzacji 100 mV w czasie nieprzekraczającym 24 godzin, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN ISO 12696:2022. Wyniki badań zaprezentowano zarówno w postaci wykresów zmian potencjału w czasie, jak i w formie zestawienia tabelarycznego. Na zaprezentowanym wykresach widać, że po wyłączeniu układu ochrony katodowej, przy zastosowaniu protektorów cynkowych, wymagane kryterium zostało spełnione już po około 4 godzinach. Jednocześnie ponowna polaryzacja stali po włączeniu systemu następuje w zbliżonym czasie. Uzyskane wyniki jednoznacznie potwierdzają skuteczności działania układu ochrony katodowej oraz o zdolności protektorów cynkowych do szybkiej polaryzacji stali zbrojeniowej.

    7. PRZYKŁAD DOBORU OCHRONY KATODOWEJ KONSTRUKCJI SPRĘŻONEJ

    Przykład dotyczy remontu wiaduktu drogowego w ul. Hetmańskiej w Poznaniu, gdzie w ramach prac naprawczych zastosowano ochronę katodową jako integralny element systemu zabezpieczenia antykorozyjnego zbrojenia. Ochronę katodową ograniczono do zbrojenia miękkiego części ustroju nośnego, obejmującej dźwigary główne (belki typu WBS) oraz poprzecznice przęsłowe. Konstrukcja wiaduktu w przekroju poprzecznym składa się z ośmiu belek prefabrykowanych WBS o wysokości 100 cm, rozmieszczonych w rozstawie 120–150 cm. Naprawa dotyczyła ustroju nośnego dwóch równoległych wiaduktów (północnego i południowego), w szczególności związana była ze wzmocnieniem wybranych przęseł, a także z naprawą lokalnych uszkodzeń korozyjnych. Analiza przyczyn uszkodzeń wykazała, że głównym czynnikiem degradacji były długotrwałe przecieki wody z pomostu. Wnikanie wody zawierającej chlorki doprowadziło do skażenia betonu i inicjacji procesów korozyjnych stali zbrojeniowej oraz sprężającej. Zastosowane podczas wcześniejszych napraw materiały naprawcze i powłoki ochronna doprowadziły do zamknięcia wilgotnego i skażonego betonu, co w konsekwencji spowodowało przyspieszeni procesów korozyjnych Badania diagnostyczne wykazały przekroczenie dopuszczalnej zawartości chlorków w stosunku do masy cementu, w większości pobranych próbek. Przeprowadzono również badanie stopnia karbonatyzacji. Stwierdzona głębokość karbonatyzacji, sięgająca maksymalnie 54 mm, potwierdziła utratę właściwości ochronnych otuliny betonowej względem zbrojenia. Ze względu na skażenie betonu jonami chlorkowymi, karbonatyzację oraz w celu ograniczenie efektu odtwarzającej się anody przy miejscowych naprawach, zgodnie z zasadą 10 normy PN-EN 1504-9 [13] zastosowano ochronę katodowa przy użyciu protektorów cynkowych o masie rdzenia 210g, montowanych bezpośrednio do uprzednio oczyszczonych prętów zbrojeniowych. Przykłady montażu protektorów cynkowych przedstawiono na rys. 9 i 10.

  • Rys. 7. Widok na dźwigary. Korozja zbrojenia spowodowana skażeniem jonami chlorkowymi oraz karbonatyzacją otuliny.

  • Rys. 8. Widok na dźwigar. Korozja zbrojenia spowodowana skażeniem jonami chlorkowymi oraz karbonatyzacją otuliny.

  • Rys. 9. Widok na dźwigary. Zamontowane protektory cynkowe w miejscu naprawy

  • Rys.10. Widok na dźwigary. Zamontowane protektory cynkowe w miejscu naprawy

    8. PODSUMOWANIE

    Norma [12] po nowelizacji w 2022 dopuszcza stosowanie ochrony katodowej w konstrukcjach sprężonych. Rozwiązanie to umożliwia skuteczne zwiększenie trwałości konstrukcji, szczególnie w przypadku elementów narażonych na oddziaływanie chlorków oraz w obiektach poddawanych naprawom, w których doszło do skażenia chlorkami i karbonatyzacji otuliny, a tym samym do utraty jej właściwości ochronnych. Zwraca się uwagę, że w przypadku konstrukcji sprężonych konieczne jest zawsze indywidualne podejście do projektowania systemu ochrony. Należy przeprowadzić odpowiednią diagnostykę konstrukcji z wyznaczeniem elementów przeznaczonych do zabezpieczenia oraz dokonać wyboru rodzaju systemu i sposób rozmieszczenia anod. Dodatkowo kluczowe znaczenie ma spełnienie wymagań normowych [12], w szczególności ograniczenie potencjału ochronnego do wartości –900 mV. Wymóg ten wynika z konieczności uwzględnienia specyfiki stali sprężającej oraz jej podatności na zjawisko kruchości wodorowej. Z tego względu w konstrukcjach sprężonych stosuje się systemy ochrony katodowej z anodami galwanicznymi, które zapewniają bezpieczny, ograniczony poziom polaryzacji. Zaleca się również by była możliwość czasowego odłączenia systemu ochrony katodowej od stali sprężającej w przypadku przekroczenia wartości granicznych, co zwiększa bezpieczeństwo eksploatacji konstrukcji. Istotnym elementem oceny skuteczności ochrony katodowej jest zdalny monitoring. Pozwala on bieżącą rejestrację potencjału oraz weryfikację – po czasowym odłączeniu systemu – spełnienia kryterium depolaryzacji 100 mV w czasie do 24 godzin. Należy podkreślić, że skuteczność ochrony katodowej zależy nie tylko od poprawności przyjętych założeń projektowych, lecz także od jakości wykonawstwa. Prawidłowe przygotowanie podłoża, zapewnienie ciągłości elektrycznej zbrojenia, właściwy montaż anod oraz wykonanie badań kontrolnych i pomiarów powykonawczych stanowią warunek niezbędny do osiągnięcia skutecznej naprawy konstrukcji.

    Podsumowując należy podkreślić, że ochrona katodowa z zastosowaniem anod galwanicznych, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN ISO 12696:2022 oraz aktualnymi wytycznymi technicznymi, stanowi jedno z najbezpieczniejszych i najefektywniejszych rozwiązań zwiększających trwałość konstrukcji sprężonych w warunkach agresywnego środowiska. W przypadku napraw konstrukcji sprężonych metoda ta skutecznie hamuje procesy korozyjne, nawet przy obecności jonów chlorkowych lub zaawansowanej karbonatyzacji otuliny, a także ogranicza ryzyko ponownej inicjacji lokalnych ogniw korozyjnych.

    Bibliografia

    1. Bertolini, L., Elsener, B., Pedeferri, P., Polder, R.: Corrosion of Steel in Concrete Prevention, Diagnosis, Repair. Wiley VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Federal Republic of Germany (2004) John Wiley & Sons, New York, USA, 2013.

    2. Białecki D., Madaj A: O możliwościach stosowania ochrony katodowej do zabezpieczenia przed korozją konstrukcji sprężonych, Poznańskie Seminarium Mostowe, Mosty, budowa, wzmacnianie, przebudowa, MBWP, Poznań, 3/2025

    3. Białecki D., Madaj A: Ochrona katodowa zbrojenia w naprawianych konstrukcjach inżynierskich przy zastosowaniu protektorów cynkowych, Poznańskie Seminarium Mostowe, Mosty, budowa, wzmacnianie, przebudowa, MBWP, Poznań, 2/2024

    4. Broomfield J.P.: Corrosion of Steel in Concrete Understanding, Investigation and Repair, 2nd Edition, Taylor & Francis (2006)

    5. Broomfield J.P.: A Historical Review of Impressed Current Cathodic Protection of Steel in Concrete, Constr. Mater. 2021, 1, 1–21.

    6. Broomfield, J.: Anode Selection for Protection of Reinforced Concrete Structures. Mater. Perform. 46, (2007)

    7. Cathodic Protection Field Trials on Prestressed Concrete Components. Final Report. Publication no. FHWA-RD-97-153, January 1998, U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration

    8. Cicek, V.: Corrosion Engineering and Cathodic Protection Handbook. John Wliey & Sons, Hoboken (2017)

    9. 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

    10. Gulikers J., Giorgini R., van den Hondel A.J: A 5 yar 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 of Conferences 199, 05004 (2018)

    11. Madaj A. Białecki D.: Uwarunkowania techniczno-technologiczne stosowania ochrony katodowej w celu poniesienia trwałości konstrukcji sprężonych. Mosty z betonu sprężonego. Projektowanie, budowa, diagnostyka. Seminarium naukowo-techniczne Wrocławskie Dni Mostowe, Wrocław 2025

    12. PN-EN ISO 12696:2022: Ochrona katodowa stali w betonie.

    13. PN-EN 1504-9:2008. Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych – Część 9: Ogólne zasady stosowania wyrobów i systemów.

    14. PN-EN 206:2014-04: Beton – Wymagania, właściwości , produkcja i zgodność.

    15. Sharma S., Hornbostel K., Geiker M.: Cathodic Protection of Marine Prestressed Concrete Bridges, Nordic Concrete Research – Publ. No. NCR 71 – ISSUE 2/ 2024 – Article 6, pp. 113-124