1. Wprowadzenie
Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na coraz dłuższy okres użytkowania infrastruktury oraz wysokie koszty związane z jej budową i utrzymaniem, podnoszenie trwałości i skuteczności naprawy konstrukcji betonowych stało się niezwykle ważne. Dotyczy to w takim samym stopniu konstrukcji żelbetowych i sprężonych. W przypadku konstrukcji zbrojnych kluczowym zagadnieniem jest ochrona przed korozją stali zbrojeniowej, zarówno stali niesprężonej jak i sprężonej. Problem skutecznej ochrony zbrojenia przed korozją jest szczególnie trudny w przypadku konstrukcji naprawianych, gdy mamy do czynienia z betonem skorodowanym, skarbonatyzowanym i nasyconym chlorkami.
Techniki ochrony zbrojenia w betonowych konstrukcjach zbrojonych opierają się na zasadach chemicznych, elektrochemicznych lub fizycznych [5]. W przypadku konstrukcji naprawianych metody oparte na zasadach fizycznych obejmują usuwanie rozwarstwionego/ odłupanego betonu i zastępowanie go nowym, alkalicznym betonem, wykonywanie powłoki ochronnych i membran. Metody chemiczne to m.in. impregnacja betonu czy stosowanie inhibitorów korozji.
Jak wykazuje praktyka, są to zwykle tymczasowe techniki zapobiegania korozji, a poza tym mogą prowadzić do przyspieszenia korozji w pobliskich, naprawianych obszarach. W przypadku wystąpienia poważnych uszkodzeń metody te są zazwyczaj kosztowne i mniej skuteczne niż metody elektrochemiczne.
Techniki elektrochemiczne obejmujące ochronę katodową, realkalizację elektrochemiczną i elektrochemiczne usuwanie chlorków w przypadku poważnych uszkodzeń korozyjnych są skutecznymi metodami zapobiegania korozji i jej łagodzenia. W ochronie katodowej reakcje chemiczne i przepływy prądów korozyjnych spowodowane korozją są hamowane przez zastosowanie zewnętrznego źródła prądu stałego (ochrona czynna) lub podłączenia metalu, który jest anodą w odniesieniu do stali zbrojeniowej (ochrona bierna). Prąd ochronny przepływa jako strumień jonów przez wodę porową betonu do zbrojenia. Jest to metoda bardzo skuteczna. Zaletą takich technik jest to, że wystarczy usunąć i naprawić tylko uszkodzony beton. Anody galwaniczne powinny być szeroko stosowane w przypadku napraw lokalnych, jakkolwiek ich żywotność nie jest wystarczająco długa (obecnie 10 -15 lat). Można ją również skutecznie stosować do zapobiegania korozji w nowych konstrukcjach [15]. Uważa się ponadto, że w przypadku napraw konstrukcji skażonych chlorkami, niezależnie od poziomu chlorków w betonie jest ona jedyną skuteczną metodą zahamowania procesów korozji zbrojenia [3, 10].
Ochrona katodowa z wykorzystaniem anody protektorowej („anody ofiarnej”), metale mniej szlachetne niż stal, takie jak cynk lub aluminium, są połączone ze zbrojeniem, a rozpuszczenie metalu anodowego zapewnia przepływ prądu. Prąd stały jest generowany w wyniku różnicy potencjałów między chronioną stalą (katodą) a metalem chroniącym (anodą). Zaletami tej metody jest prostota, niewielki koszt monitorowania i konserwacji oraz dostępność szerokiej gamy anod. Wadami tej metody są: wymaganie okresowej wymiany metalu anodowego ze względu na jego rozpuszczanie w czasie, ograniczona kontrola nad systemem oraz niskie napięcie sterujące. Ta ostatnia wada jest zaletą w przypadku ochrony konstrukcji sprężonych gdyż minimalizuje zagrożenie wystąpienia kruchości wodorowej.
Szerzej ogólne zagadnienia ochrony katodowej opisali autorzy artykułu w [4].
2. Zastosowanie ochrony katodowej do konstrukcji sprężonych
Wykonywanie konstrukcji sprężonych opiera się o dwie technologie: strunobetonu (naciąg cięgien przed betonowaniem – przekazywanie siły sprężającej w oparciu o przyczepność stali do betonu) i kablobetonu (naciąg cięgien po betonowaniu konstrukcji – przekazywanie siły sprężającej punktowo, za pomocą głowic umieszczonych na końcach cięgien). W jednej i drugiej technologii co do istoty zagrożenie korozyjne stali sprężającej jest identyczne – korozja stali wysokiej wytrzymałości, będącej stale silnie naprężonej, z wszystkimi wynikającymi z tego zagrożeniami, jak m.in. związanymi z tzw. korozją naprężeniową czy kruchością wodorową. W konstrukcjach kablobetonowych, poza zagrożeniem korozja cięgien sprężających dochodzi korozja głowic sprężających, a także, co nie ma jednak istotnego znaczenia z punktu widzenia zagrożenia obniżeniem nośności korozji, korozja osłon kablowych (jeśli są wykonane ze stali).
Korozja stali sprężającej co do przebiegu procesu jest identyczna jak stali zbrojeniowej. Jednak z uwagi na sposób umieszczenia stali sprężającej w betonie inne może być odziaływanie czynników korozyjnych na stal sprężającą w konstrukcjach kablo- i strunobetonowych.
Z uwagi na sposób umieszczenia cięgien sprężających w konstrukcji, inne są zagrożenia korozją cięgien w konstrukcjach kablobetonowych i strunobetonowych. Z tego m.in. względu nie wszystkie metody ochrony przed korozją stali zbrojeniowej mają zastosowanie przy ochronie cięgien stosowanych w obu technologiach. Dotyczy to np. omawianej w artykule ochrony katodowej. Co do sposobu zabezpieczenia stali przed korozją i możliwych sposobów podniesienia trwałości w przypadku konstrukcji strunobetonowych możliwe są podobne metody jak w konstrukcjach żelbetowych. Natomiast w konstrukcjach kablobetonowych ochrona katodowa w związku uwarunkowaniami związanymi zapewnienia skutecznego przepływu prądu między chronionymi cięgnami a anodą (źródłem prądu stałego) może być praktycznie zastosowana jedynie do ochrony głowic kotwiących.
Niezależnie od uwarunkowań związanych z przepływem prądu ochronnego, w katodowa cięgien sprężających ma pewne ograniczenia związane z zagrożeniem wystąpienia kruchości wodorowej, w połączeniu z korozją naprężeniową (H-SCC).
3. Kruchość wodorowa. Pękanie korozyjno – naprężeniowe (H-SCC)
Pęknięcia stali sprężającej z reguły to pęknięcia korozyjne wywołane wodorem (H-SCC) (SCC – stress corrosion cracking). Rozpuszczony w metalu wodór może prowadzić do tworzenia się pęcherzy wodorowych. Spowodowane to jest absorpcją przez metal wodoru powstałego w wyniku reakcji katodowej. Dyfundujący w postaci atomowej wodór, na skutek określonych zjawisk chemicznych i fizycznych, jeśli jego ilość wzrasta, to przyczynia się do wzrostu ciśnienia wewnątrz pustek w metalu, które z czasem mogą przekształcić się w pęcherz (nawet znacznych rozmiarów). Aby zainicjować tworzenie się adsorbowalnych atomów wodoru, muszą istnieć specjalne warunki. Z praktycznego punktu widzenia uszkodzenia wywołane wodorem są możliwe tylko w środowisku kwaśnym lub w obecności aktywatorów, takich jak siarczki, tiocyjaniany i związki arsenu lub selenu.
Pękanie może być inicjowane w wyniku ciśnienia wewnętrznego wytwarzanego przez cząsteczki wodoru powodujące naprężenie rozciągające lub może nastąpić w połączeniu z krytycznym zewnętrznym naprężeniem rozciągającym. Wodór atomowy może wnikać do metalu przez dłuższy okres czasu, a pęknięcie z powodu kruchości wodorowej może wystąpić nawet kilka lat po powstaniu przyczyny np. po zainstalowania ochrony katodowej.
Do wystąpienia zniszczenia typu H-SCC konieczne są następujące warunki:
• materiał wrażliwy na działanie wodoru,
• wystarczająco duże obciążenie rozciągające,
• występujące co najmniej niewielki ognisko korozji.
Pęknięcia mogą być transkrystaliczne lub międzykrystaliczne i rozprzestrzeniają się prostopadle do kierunku przyłożonego naprężenia rozciągającego. Pękanie wywołane wodorem to przeważnie transkrystaliczne, zwykle jest rozgałęzione, bardzo kruche i szybko rosnące [2].
Istotnym czynnikiem przyczyniającym się do wydzielania wodoru są wżery korozyjne. Jest to wynikiem tego, że we wżerach korozyjnych wartość pH spada z powodu hydrolizy jonów Fe2+.. W przypadku nierównomiernej korozji lokalnej, głębokości wżerów korozyjnych rzędu 0,6 mm może wystarczyć do zerwania drutu odkształconego na zimno pod naprężeniem wynoszącym 70% wytrzymałości cięgna. Dlatego z tych wszystkich względów bardzo ważne jest to, by w konstrukcje sprężone nie wbudowywać cięgien sprężających nawet z niewielkimi śladami korozji. Wżery korozyjne stanowią również karby naprężeń sprzyjających obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej w porównaniu z cięgnami bez wżerów korozyjnych. Jak wykazują badania lokalne wżery korozyjne mają największy wpływ na pękanie korozyjne spowodowane wodorem (H-SCC). Mechanizm powstawania wodoru we wżerach korozyjnych pokazano na rys. 1
Rysunek. 1. Powstawanie wodoru we wżerze korozyjnym
Wydzielanie wodoru maleje liniowo wraz z wzrostem pH zgodnie z prawem Nernsta – rys. 2. [2] Z prawa tego wynika, że w betonie skarbonatyzowanym ryzyko wydzielania się wodoru jest większe przy wyższej wartości różnicy potencjału względem referencyjnej elektrody kalomelowej. 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]. Ponadto wzrasta ryzyko reakcji alkalia-kruszywo, degradacji wiązania i zakwaszenia anodowego [2, 3, 9]. Dlatego w cięgnach sprężających wbudowanych w beton obserwuje się szybkie pękanie wodorowe wtedy, gdy beton cechuje się niskim pH. Sprzyja temu również duże zanieczyszczenie siarczkami betonu.
Rysunek. 2. Potencjalna strefa możliwego wydzielania się wodoru [2] (Eeq,H– potencjał równowagi, SCE (saturated calomel electrode) – kalomelowa elektroda odniesienia
Źródłami wodoru stymulującego kruchość wodorową może być również ochrona katodowa. Przy bardzo niskich potencjałach ochronnych może dojść do znacznego wydzielania się wodoru na katodzie. Badania wskazują, o czym już pisano wcześniej, najbardziej niebezpieczne jest działanie wodoru na stale o wysokiej wytrzymałości, dlatego na ten rodzaj korozji tak wrażliwe są cięgna sprężające. W przypadku stali sprężającej już minimalne zawartości wodoru mogą prowadzić do nieodwracalnych uszkodzeń. Dlatego należy bardzo ostrożnie podchodzić do stosowania ochrony katodowej konstrukcji sprężonych. W takich przypadkach potencjał ochronny musi zostać odpowiednio ograniczony, aby skutecznie zapobiegać tworzeniu się wodoru. Jako graniczną wartość przyjmuje się potencjał -900 mV, chociaż i przy potencjałach mniej ujemnych stał sprężająca może być narażona na kruchość wodorową (rys. 2). Zagrożenie to występuje nie tylko w stalach sprężających, ale również w stalach o wysokiej granicy plastyczność (> 500 MPa).
Zwraca się uwagę, że stal sprężająca, która jest skorodowana, może nie mieć bezpiecznego potencjału granicznego i nie ma pewności, że możliwe jest zapewnienie jej ochrony katodowej w bezpieczny sposób [6].
4. Zastosowanie ochrony katodowej w konstrukcjach inżynierskich
Ochrona katodowa została zapoczątkowana przez Humphry’ego Davy’ego w 1824 roku do ochrony metali w wodzie morskiej. Od tego czasu zaczęto ją szeroko stosować w konstrukcjach metalowych i zakopanych w ziemi.[10] W konstrukcjach betonowych rozwój ochrony katodowej rozpoczął się w latach 70. XX wieku w Stanach Zjednoczonych [22], a w latach 80. technologia ta została wprowadzona w Europie [3]. Od około 1985 roku nastąpił dynamiczny rozwój ochrony katodowej w Wielkiej Brytanii [3], Włoszech [15], Norwegii [11, 14], Danii, Szwajcarii [12, 20] oraz Niderlandach [16]. W ostatnich latach liczba instalacji ochrony katodowej stale wzrasta także w Niemczech, Francji i Belgii. Analizy długoterminowe potwierdzają wysoką efektywność tej metody [7, 17].
Ochronę katodową można realizować w konstrukcjach betonowych, w tym w elementach sprężonych na trzy różne sposoby :
– Ochrona katodowa z prądem wymuszonym (ICCP) – polega na zastosowaniu anod obojętnych w połączeniu z zewnętrznym źródłem prądu stałego, który dostarcza elektrony do chronionej konstrukcji
– Ochrona katodowa z anodami galwanicznymi (GCP) – wykorzystuje anody wykonane z metali mniej szlachetnych, takich jak magnez, cynk czy aluminium, które ulegając kontrolowanej korozji, wytwarzają prąd ochronny
Systemy hybrydowe – łączące obie powyższe metody.
W Polsce od 2012 roku ochrona katodowa z wykorzystaniem protektorów lub anod cynkowych, montowanych bezpośrednio bądź pośrednio do zbrojenia za pomocą specjalnych zestawów przyłączeniowych, jest z powodzeniem stosowana w konstrukcjach żelbetowych, a obecnie znajduje również zastosowanie w elementach sprężonych obiektów inżynieryjnych.
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 swoje 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.
5. Warunki stosowania ochrony katodowej w konstrukcjach sprężonych zgodne z normą PN-EN ISO 12696:2022
Nowelizacja normy PN-EN ISO 12696:2022 [20] wprowadziła możliwość stosowanie ochrony katodowej również w konstrukcjach sprężonych, zarówno nowych, jak i remontowanych. Zgodnie z wymaganiami normy, potencjał chronionego elementu sprężonego nie może przekroczyć wartości -900 mV, co daje nam możliwość stosowania protektorów cynkowych do ochrony stali sprężającej przy spełnieniu odpowiednich warunków ich użycia. Wprowadzenie ograniczenia napięcia wynika z potrzeby wyeliminowania opisanego wcześniej zagrożenia wystąpienia kruchości wodorowej. Drugim kryterium, najczęściej stosowanym w praktyce inżynierskiej i opisanym w normie PN-EN ISO 12696:2022 [20], jest kryterium depolaryzacji 100 mV w czasie do 24 godzin. Ocena polega na odłączeniu ochrony katodowej na okres od kilku godzin do jednej doby oraz okresowym rejestrowaniu potencjału stali. Jeżeli w tym przedziale czasowym potencjał ulegnie zmianie (depolaryzacji) o co najmniej 100 mV, uznaje się, że system ochrony katodowej działa skutecznie.
6. Monitoring procesów korozyjnych i ochrony katodowe
Do weryfikacji kryteriów opisanych w normie można wdrożyć systemy zdalnego monitoringu. Systemy monitoringu potencjału wdraża się przy użyciu elektrod odniesienia montowanych na stałe w pobliżu chronionego zbrojenia w konstrukcji sprężonej zarówno nowej jak i remontowanej. Zastosowanie elektrod odniesienia do stałego monitoringu umożliwia również kontrolę stopnia zaawansowania procesów korozyjnych w przypadku nowych konstrukcji sprężonych.
Rysunek 3. Elektroda odniesienia
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.
Rysunek 4. Schemat zdalnego monitoringu pomiaru potencjałów
Dane pozyskiwane z układu umożliwiają bieżący odczyt podstawowych parametrów w czasie rzeczywistym. System rejestruje między innymi wartość potencjału, temperaturę otoczenia oraz poziom naładowania baterii. Układ może być zasilany zarówno z sieci energetycznej, jak i z instalacji solarnych, co zwiększa jego elastyczność zastosowań i pozwala na pracę w warunkach ograniczonego dostępu do tradycyjnych źródeł energii.
Rozwiązanie to umożliwia rejestrację danych z jednej elektrody odniesienia lub z wielu elektrod jednocześnie, co pozwala na uzyskanie bardziej szczegółowego obrazu stanu całej konstrukcji.
Rysunek 5. Rejestracja odczytów wyniki pomiarów potencjału ochrony katodowej
7. Ochrona katodowa przy zastosowaniu anod galwanicznych
W konstrukcjach sprężonych sprawdzoną na świecie zalecaną bezpieczną metodą ochrony katodowej jest ochrona z wykorzystaniem anod galwanicznych (GCP). Ochrona katodowa przy zastosowaniu anod galwanicznych w konstrukcjach sprężonych może być realizowana z trzema głównymi celami:
– ochrona zbrojenia zwykłego (niesprężonego)
– ochrona zbrojenia sprężającego
– ochrona zarówno zbrojenia sprężającego, jak i zwykłego
Dobór liczby anod galwanicznych w postaci protektorów lub anod cynkowych przeznaczonych do ochrony katodowej stali w konstrukcjach sprężonych powinien uwzględniać następujące kluczowe parametry techniczne:
– Powierzchnię lub masę stali sprężającej, przeznaczonej do zabezpieczenia,
– Klasę ekspozycji konstrukcji betonowej zgodnie z normą PN-EN 206 (w szczególności klasy XD1–XD3 oraz XS1–XS3),
– Właściwości chemiczne otuliny betonowej, w tym poziom pH oraz stopień karbonatyzacji,
– Stężenie jonów chlorkowych w otulinie betonowej wyrażone jako procent masy cementu.
Należy również pamiętać, że w konstrukcjach sprężonych maksymalna dopuszczalna zawartość jonów chlorkowych wynosi 0,2% względem masy cementu. W przypadku konstrukcji, w których otulina betonowa uległa karbonatyzacji (pH otuliny spadło poniżej 11), wymagania są bardziej restrykcyjne, a dopuszczalna zawartość jonów chlorkowych nie powinna przekraczać 0,1% masy cementu.
Ochrona katodowa w konstrukcjach sprężonych powinna być projektowana w sposób uwzględniający zarówno potencjalne zagrożenia wynikające z obecności chlorków, jak i stan alkaliczności otuliny. Wysokie stężenie jonów chlorkowych oraz obniżone pH betonu wymagają zwiększenia intensywności ochrony poprzez odpowiednie zwiększenie liczby anod lub gęstości rozmieszczenia protektorów cynkowych.
Ochronę katodową można realizować przy zastosowaniu protektorów lub anod cynkowych, montowanych bezpośrednio do zbrojenia bądź w sposób pośredni, z wykorzystaniem odpowiednich zestawów połączeniowych. Montaż bezpośredni polega na trwałym przyłączeniu anody do pręta zbrojeniowego. W rozwiązaniu pośrednim stosuje się systemowe elementy połączeniowe (kotwę elektryczną, łączniki systemowe), które umożliwiają połączenie elektryczne anody ze zbrojeniem sprężającym. Wybór metody zależy od rodzaju konstrukcji, dostępności bezpośredniej do zbrojenia oraz wymagań eksploatacyjnych.
Rysunek 6 . Podłączenie pośrednie protektorów cynkowych do stali sprężającej
Rysunek 7 . Podłączenie pośrednie anod cynkowych do stali sprężającej
W dalszej części artykułu zaprezentowano wybrane przypadki wdrożenia ochrony katodowej w konstrukcjach sprężonych na Świecie, ze szczególnym uwzględnieniem zastosowanych metod monitorowania skuteczności ochrony w długim okresie eksploatacji. W Polsce opracowano już projekty napraw konstrukcji, które oczekują na realizację, a w ich ramach przewiduje się wdrożenie ochrony katodowej z zastosowaniem anod galwanicznych.
8. Przykłady zastosowania ochrony katodowej w konstrukcjach sprężonych
Przykładowe zastosowani ochrony katodowej w konstrukcjach sprężonych:
– mosty i wiadukty w Norwegii w strefie nadmorskiej
– mosty i wiadukty w Stachach Zjednoczonych Ameryki oraz Kanadzie (np. Abbey Road Bridge ,Howard Frankland Bridge)
– most i wiadukty w Holandii, Belgii (np. most Neerbossche)
– mosty w Wielkiej Brytanii (np. Most Kyle of Tongue -Szkocja)
– most w Nowej Zelandii (np.Tiwai Point,Calliope Wharf Access Jetty)
– wiadukt we Francji (Viaduc de Saint-Cloud )
Przykład ochrony katodowej – Most Neerbossche [19]
Ochrona katodowa została wykonana na sprężonym skrzynkowym moście Neerbossche wybudowanym z betonu lekkiego, znajdującym się nad kanałem w Nijmegen, w Holandii (rys. 8). Z powodu długotrwałego przecieku między dwiema częściami konstrukcji, jony chlorkowe spowodowały skażenie otuliny betonowej i wniknęły aż do poziomu zbrojenia, powodując korozję stali oraz w konsekwencji degradację otuliny betonowej. W celu zatrzymania procesów korozyjnych, wdrożono system naprawczy z galwaniczną ochroną katodową przy zastosowaniu anod cynkowych.
Rysunek 8. Most skrzynkowym sprężony z betonu lekkiego Neerbossche znajdujący się nad kanałem w Nijmegen, w Holandii [19]
W 2013 roku zamontowano ochronę katodową na dwóch segmentach mostu wraz z systemem monitorowania przy zastosowaniu elektrod odniesienia. Po uzyskaniu pozytywnych wyników, w latach 2014–2015 system anod cynkowych został wdrożony na pozostałych 29 segmentach mostu. Od momentu podłączenia ochrony katodowej monitorowano potencjały przy zastosowaniu elektrod odniesienia, które potwierdzały, że zastosowany system zapewnił skuteczną ochronę. Wartości depolaryzacji były zgodne z kryteriami ochrony opartymi na normie PN-EN 12696. System anod cynkowych był skuteczny w pierwszym roku po instalacji nie tylko w obszarze pokrytym anodami, ale także bardziej oddalonym od tego obszaru, co najmniej w odległości do 20 cm od anod cynkowych. Zastosowanie zewnętrznych anod cynkowych okazało się skutecznym i ekonomicznym sposobem zabezpieczenia kablobetonowego obiektu mostowego bez konieczności ingerencji w układ kabli sprężających.
Rysunek 9. Most skrzynkowym sprężony z betonu lekkiego Neerbossche znajdujący się na kanałem w Nijmegen, w Holandii [19]
9. Podsumowanie i wnioski
Stosowanie ochrony katodowej stanowi skuteczną metodę zatrzymywania lub znaczącego spowalniania procesów korozyjnych w konstrukcjach sprężonych, szczególnie narażonych na oddziaływanie jonów chlorkowych. W elementach sprężonych stosuje się przede wszystkim anody cynkowe galwaniczne, które ze względu na swoje właściwości elektrochemiczne zapewniają większe bezpieczeństwo w ochronie stali o wysokiej
Warunkowania techniczno – technologiczne stosowania ochrony katodowej w celu podniesienia trwałości
konstrukcji sprężonych
wytrzymałości. Napięcie elektrochemiczne anody cynkowej ogranicza ryzyko wystąpienia kruchości wodorowej (HE) cięgien sprężających.
Analiza dostępnych studiów przypadków zrealizowanych na świecie – zarówno dla konstrukcji nowych, jak i remontowanych – potwierdza wysoką skuteczność tej technologii [1, 2, 10]. Projekty wykonane zgodnie z wymaganiami normatywnymi, w tym PN-EN ISO 12696:2022, przy zastosowaniu anod cynkowych wykazały, że w żadnym przypadku nie stwierdzono zjawiska kruchości wodorowej.
Kluczowym elementem warunkującym długoterminowe bezpieczeństwo i trwałość systemu ochrony katodowej jest wprowadzenie stałego monitoringu elektrochemicznego. W nowoczesnych systemach stosuje się monitoring zdalny, który umożliwia bieżące śledzenie procesów korozyjnych od momentu ich wystąpienia zarówno w nowych konstrukcjach, jak i w obiektach poddanych naprawom. Działanie ochrony katodowej w konstrukcjach sprężonych zgodnie z normą PN-EN ISO 12696:2022 wymaga także możliwości automatycznego odłączenia ochrony w przypadku osiągnięcia potencjału bardziej ujemnego niż –900 mV, co stanowi zabezpieczenie przed nadmiernym spolaryzowaniem cięgien sprężających.
Podsumowując: ochrona katodowa z zastosowaniem anod galwanicznych, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN ISO 12696:2022 oraz najnowszymi wytycznymi technicznymi, uznawana jest obecnie za najbezpieczniejsze i najbardziej efektywne rozwiązanie służące zwiększeniu trwałości konstrukcji sprężonych eksploatowanych w warunkach agresywnego oddziaływania środowiskowego.
Literatura
[1]BARNHART R.A.: FHWA Position on Cathodic Protection, In Memorandum, Federal Highway Administration, Washington, D.C., 1982
[2]BERTOLINI L, ELSENER B, PEDEFERRI P, REDAELLI E, POLDER R: Corrosion of Steel in Concrete: Prevention, Diagnosis, Repair,. John Wiley & Sons, New York, USA, 2013.
[3]BROOMFIELD J.P.: Corrosion of Steel in Concrete Understanding, Investigation and Repair, 2nd Edition, Taylor & Francis (2006)
[4]BIAŁECKI D., MADAJ A.: O możliwościach stosowania ochrony katodowej do zabezpieczania przed korozją konstrukcji sprężonych, w: Mosty. Budowa, wzmacnianie, przebudowa, Poznańskie Seminarium Mostowe, 3/2025
[5]British Standards Institution: Products and systems for the protection and repair of concrete structures – Definitions, requirements, quality control and evaluation of conformity. Br. Stand. Inst. 1504–9, (2008). doi:10.1017/CBO9781107415324.004
[6]BROOMFIELD, J.: Anode Selection for Protection of Reinforced Concrete Structures. Mater. Perform. 46, (2007)
[7]CHRISTODOULOU C.,. GLASS G.K, WEBB J., AUSTIN S., GOODIER C: Assessing the long term benefits of Impressed Current Cathodic Protection,. Corrosion Science, Vol. 52, Issue 8, pp. 2671-2679, 2010.
[8]CICEK, V.: Corrosion Engineering and Cathodic Protection Handbook. John Wliey & Sons, Hoboken (2017)
[9]DREWETT, J., BROOMFIELD, J.: An Introduction to Electrochemical Rehabilitation Techniques – Technical Note 2. CPA Tech. NOTE. (2011)
[10]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
[11]GREFSTAD, K. A. (2005). Cathodic protection applied on Norwegian concrete bridges: Experience and recommendations. W: EUROCORR 2005 – The European Corrosion Congress, Lisbon, Portugal, 4–8 Sept. 2005
[12]HALDEMANN CH., SCHREYER A.: EFC PUBLICATION 25 (1998) Haldemann, Ch., & Schreyer, A. (1998). Ten Years of Cathodic Protection in Concrete in Switzerland
[13]MANICKAM K AND PILLAI R G: Galvanic Corrosion and Cathodic Protection of Re- grouted
[14]NERLAND, O.C.N., ERI, J., GREFSTAD, K. A., VENNESLAND, Ø. (2007). 18 years of cathodic protection of reinforced concrete structures in Norway – facts and figures from 162 installations. Freiburg, Germany, 9–13 Sept. 2007
[15]PEDEFERRI P.: Cathodic Protection and Cathodic Prevention, Construction and Building Materials, Vol. 10, No. 5, pp. 391-402, 1996
[16]POLDER, R. B. (1998). Cathodic protection of reinforced concrete structures in The Netherlands – Experience and developments. HERON, 43(1)
[17]POLDER R.B., LEEGWATER G, WORM D., COURAGE W.: Cem. Con. Comp. 47 69 (2014)
[18]PN-EN ISO 12696:2022: Ochrona katodowa stali w betonie.
[19]VAN DEN HONDEL A.J. (HANS), GULIKERS J,. GIORGINI R., VAN DEN HONDEL A. (W.M.): A 5 year track record on a galvanic CP system applied on a light weight concrete bridge with prestressed steel, Developments in time of the effectiveness as determined by depolarization values and current densities, MATEC Web Conferences 199, 05004 (2018
[20]WENK, F., & OBERHÄNSLI, D. (2007). Long-term experience with cathodic protection of reinforced concrete structures. W: EUROCORR 2007 – European Corrosion Congress, Freiburg, Germany, 9–13 Sept. 2007
[21]WHITING D., STEJSKAL B., NAG M.: Condition of Prestressed Concrete Bridge Components: Technology Review and Field Surveys (Report No. FHWA-RD-93-037), Federal Highway Administration, Washington, DC
[22]STRATFULL, R. F. (1974). Cathodic protection of steel in concrete. Materials Performance,
[23]US Federal Highway Administration: Long-term effectiveness of cathodic protection systems on highway structures. Publ. No. FHWA-RD-01-096, FHWA. (2001)
dr hab. inż Arkadiusz MADAJ
mgr inż. Top Daniel BIAŁECKI