Ochrona zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych

Pręty zbrojeniowe w konstruk­cjach z betonu, przy dużej wartości pH otaczającego je środowiska (betonu), pokrywa bar­dzo cienka, dobrze przylegającą do powierzchni, szczelna i odporna chemicznie oraz przewodząca prąd elektryczny warstewka tlenku żelaza y-Fe2O3 [1]. Z upływem czasu w wy­niku zmniejszenia pH (zakwaszenia) otaczającego betonu, spowodowa­nego karbonatyzacją i innymi przy­czynami, następuje depasywacja tej warstewki i rozpoczyna się proces korozji.

Po zniszczeniu warstwy pasywującej na powierzchni stali powstają ob­szary o różnych potencjałach między metalem a elektrolitem, który stano­wi ciecz porowa w betonie. Tworzą się lokalne ogniwa korozyjne, składa­jące się z punktowych anod i katod (rys. 1). Procesy korozyjne są bar­dziej widoczne na anodzie. Następuje wówczas korozja stali [2, 3]. Europejska zharmonizowana nor­ma dotycząca wyrobów i syste­mów ochrony i naprawy konstrukcji betonowych [4] za najistotniejsze przyczyny korozji zbrojenia uznaje karbonatyzację betonu, korozyjne oddziaływanie chlorków, innych ha­logenków niż chlorki, a także innych chemikaliów rozpuszczalnych w wo­dzie. Norma ta przewiduje kilka zasad i metod zabezpieczenia konstrukcji żelbetowej i jej ewentualnej naprawy:

• zwiększenie grubości otuliny przez dodanie zaprawy lub betonu (w nor­mie zasada 7, metoda 7.1);
• wymiana skażonego lub skarbonatyzowanego betonu (zasada 7, meto­da 7.2);
• elektrochemiczna realkalizacja skarbonatyzowanego betonu (zasada 7, metoda 7.3);
• realkalizacja skarbonatyzowanego betonu przez dyfuzję (zasada 7, metoda 7.4);
• elektrochemiczne usunięcie chlor­ków (zasada 7, metoda 7.5);
• podwyższenie oporności elektrycz­nej otuliny (zasada 8);
• kontrola obszarów katodowych (za­sada 9);
• ochrona katodowa (zasada 10);
• kontrola obszarów anodowych (za­sada 11).

Rys. 1 Schemat przebiegu reakcji korozyjnych stali zbrojeniowej w betonie [2], [3]

W Polsce są wykorzystywane meto­dy 7.1 i 7.2 oraz zasady 8, 9 i 11, a rzadziej zasada 10. Zasada 11 po­lega na pokrywaniu stali zbrojeniowej, odsłoniętej i oczyszczonej z produk­tów korozji, powłokami antykorozyj­nymi na bazie cementowej lub żywic epoksydowych. Zasada 8 sprowadza się do osuszenia betonu, a zasada 9 – do ograniczenia dostępu tlenu do wszystkich potencjalnych obszarów katodowych.

Stosowana powszechnie w krajowej praktyce metoda wymiany skażone­go lub skarbonatyzowanego betonu, stosunkowo tania i prosta technolo­gicznie, jest jednak zawodna. Pozo­stawione w konstrukcji nieoczyszczone i niezabezpieczone ognisko korozji na pręcie zbrojeniowym pod skażonym betonem bardzo szybko staje się za­rzewiem ponownego rozwoju proce­sów destrukcyjnych.

Wszelkie metody i zasady wykorzy­stujące zjawiska elektrochemiczne do ochrony prętów w konstrukcjach przez wiele lat nie znalazły uznania na polskim rynku, ale obecnie bardzo powoli zaczynają wchodzić do praktyki budowlanej.

Metody 7.3-7.5 oraz zasadę 10 moż­na potraktować wspólnie jako wyko­rzystujące zjawiska elektrochemicz­ne. Metody polegające na realkalizacji betonu i usuwaniu chlorków z betonu należy zaliczyć do zabiegów prewen­cyjnych, umożliwiających utrzymanie w dłuższym czasie stanu pasywacji stali zbrojeniowej dzięki regeneracji otuliny, nim strefa skażenia dotrze do stali zbrojeniowej. Realkalizację otuliny betonowej, czyli przywracanie odpowiedniej (większej) wartości pH w betonie („odkwaszenie” betonu), można wykonać metodą elektroche­miczną, polegającą na krótkotrwa­łym przepływie prądu między zbroje­niem (katodą) a anodą umieszczoną w „okładzie”, nasączonym alkalicznym roztworem elektrolitu, ułożonym na powierzchni betonu. Można też wyko­rzystać zjawisko dyfuzji jonów między „okładem” wysyconym roztworem jo­nów węglanowych i hydroksylowych, umieszczonym na powierzchni beto­nu, a otuliną betonową zbrojenia.

W ostatnich latach wymienione metody stały się kolejną dostępną techniką naprawy betonu [5, 6]. Na rynku są dostępne systemowe roz­wiązania materiałowo-technologiczne takich zabiegów [5]. Skutecz­ność elektrochemicznych zabiegów realkalizacji betonu była wielokrotnie potwierdzana w badaniach laborato­ryjnych [6].

Fot. 1 Sposoby łączenia zbrojenia pręta zbrojeniowego z protektorem: a) bezpośredni, b) pośredni za pomocą kostki połączeniowej

Ochrona katodowa konstrukcji pod­ziemnych i podwodnych polega na umieszczeniu w odpowiednim oddale­niu anod dostarczających prąd ochron­ny w środowisku elektrolitycznym. W konstrukcjach żelbetowych styka­jących się z atmosferą dostarczające prąd anody muszą być na powierzchni betonu lub w głębi, gdyż środowiskiem elektrolitycznym jest ciecz porowa betonu. Umożliwia ona przepływ prą­du, wprawdzie słabego, ale wystar­czającego do wywołania polaryzacji elektrochemicznej [1]. Jako kryterium ochrony katodowej w żelbecie wyko­rzystuje się pomiar potencjału wyłą­czeniowego, tj. określonego w czasie od 0,1 do 1,0 s po odłączeniu prądu ochrony katodowej, który powinien być mniejszy niż -720 mV względem chlorosrebrowej elektrody odniesienia i jednocześnie nie bardziej ujemny niż -1100 mV, ze względu na występowa­nie kruchości wodorowej oraz wielkość depolaryzacji zbrojenia [1].

Ochrona katodowa konstrukcji żelbe­towych, będąca aktywną formą kreu­jącą korzystne warunki środowiska wokół prętów i na ich powierzchni, jest stosowana w obiektach pracu­jących w bardzo trudnych warunkach środowiskowych, przede wszystkim narażonych na korozję chlorkową. Do obiektów tych zalicza się infrastruk­turę na nabrzeżach morskich, mo­sty i wiadukty drogowe, specyficzne obiekty produkcyjne, infrastrukturę podziemną oraz stykającą się z wodą morską i słodką, w tym wszelkiego rodzaju zbiorniki na wodę.

Norma PN-EN 12696:2012 [8] obej­muje zagadnienia wykonania ochrony katodowej z pominięciem problema­tyki projektowania. Przewiduje ona zastosowanie systemów anodowych z powłok organicznych przewodzą­cych i metalowych, układanych na powierzchni betonu albo ze stabilizo­wanego tytanu w formie powierzch­niowych siatek, pasków ciągłych lub siatkowych umieszczanych w bruz­dach wyciętych na powierzchni beto­nu oraz w formie dyskretnych elek­trod umieszczanych w bruzdach lub otworach w betonie.

Rys. 2 Schemat układu ochrony protektoro­wej w żelbecie: 1 – beton, 2 – anoda: protektor np. cynkowy, 3 – przewod­nik metaliczny, 4 – katoda: stal

Obecnie na rynku europejskim są do­stępne gotowe rozwiązania systemowe materiałowo-technologiczne w zakresie ochrony katodowej kon­strukcji żelbetowych, obejmujące na przykład [9]:

1) ochronę galwaniczną w postaci:

• powłoki cynkowej natryskiwanej na gorąco na powierzchnię betonu i punktowo łączonej ze zbrojeniem;
• anod traconych umieszczanych w powierzchniowych bruzdach, w pobliżu zbrojenia (rozwiązania te są stosowane w przypadku małej intensywności oddziaływania czyn­ników korozyjnych);

2) ochronę katodową w postaci:

• powierzchniowych siatek metalo­wych stanowiących katodę, pokry­tych 2-3 warstwami tokretu; siat­kami pokrywa się całą powierzchnię chronionego elementu konstrukcyj­nego, rozwiązanie to stosuje się w przypadku konstrukcji już istnie­jących, silnie skarbonatyzowanych i z dużą zawartością chlorków, w których strefa skażenia nie do­tarła jeszcze do stali zbrojeniowej;
• pasów z siatek tytanowych umiesz­czanych w bruzdach na powierzch­ni betonu, w sąsiedztwie prętów zbrojeniowych; system ten może być stosowany również w nowych konstrukcjach przez umieszczenie przed betonowaniem katod ochron­nych na zbrojeniu;
• wewnętrznych, dyskretnych anod tytanowych umieszczanych w otwo­rach lub bruzdach powierzchniowych, w sąsiedztwie zbrojenia; rozwią­zanie jest stosowane w przypadku silnie zbrojonych konstrukcji, umoż­liwia ono również ochronę zbrojenia ułożonego głębiej;
• anod malowanych, do których wyko­nania wykorzystuje się organiczne farby przewodzące; rozwiązanie to stosuje się przy małej intensywno­ści oddziaływania czynników koro­zyjnych, a ponadto sama powłoka ma ograniczoną trwałość, nieprzekraczającą 10 lat.

Zastosowanie dyskretnych elektrod zatapianych w betonie to rozwią­zanie z zakresu katodowej ochro­ny stali zbrojeniowej, które zostało opracowane w Polsce i od 2012 r. (re­komendacje techniczne ITB i IBDiM) jest stosowane w praktyce, za­równo w robotach remontowych, jak i obiektach nowo wznoszonych. Stosowane są specjalnie skonstru­owane protektory (anody) cynkowe, łączone bezpośrednio lub pośrednio z prętami zbrojeniowymi. Wykorzy­stuje się tu schemat, w którym me­tal chroniony jest połączony z meta­lem o niższym potencjale w stosunku do potencjału metalu chronionego. Wówczas metal o niższym poten­cjale staje się anodą, na której za­chodzą reakcje utleniania (korozji), a metal chroniony jest katodą i jest trwale chroniony.

Fot. 2 Protektory zamontowane w konstrukcji metodą bezpośrednią

Główne cechy ochrony katodowej z wykorzystaniem protektorów pol­skiej konstrukcji:

• antykorozyjna ochrona stali zbroje­niowej z możliwością zaplanowania czasu jej trwania;
• antykorozyjna ochrona stali zbroje­niowej uwzględniająca występowa­nie różnych klas środowisk od X0 do XA3;
• antykorozyjna ochrona stali zbroje­niowej natychmiast po podłączeniu protektora cynkowego;
• zwiększenie alkaliczności w strefie podłączenia protektora;
• możliwość stosowania zarówno w nowych, jak i remontowanych konstrukcjach;
• możliwość wyeliminowania podłą­czania źródła zasilania oraz syste­mów pomiarowych (rys. 2 i fot. 1).

W przypadku krajowych wyrobów protektor stanowi cynk (Zn 99,995%) o najwyższej dostępnej czystości, otoczony zaprawą mineralną o bardzo dużej alkaliczności. Przewody łączące protektor z metalem chronionym są wykonane z drutu stalowego ocynko­wanego ogniowo. Sposoby łączenia protektorów ze zbrojeniem przedsta­wiono na fot. 1 i 2.

Ochrona katodowa z wykorzystaniem polskich protektorów cynkowych wykazuje bardzo sprawne działanie, przy powolnym utlenianiu rdzenia cynkowego, w obiektach stale lub cyklicznie zanu­rzonych w wodzie. Ma na to wpływ dobre wypełnie­nie porów betonu cieczą; taki beton stanowi elek­trolit w układzie pręt zbrojeniowy i protektor.

W przypadku nowej konstrukcji dobór liczby protek­torów zależy od średnicy i długości ochranianych prętów, klasy ekspozycji konstrukcji, prognozowa­nego czasu trwania ochrony katodowej. Ustalenie liczby protektorów najłatwiej dokonać przy użyciu kalkulatora dostępnego na stronie ich producenta.

W ciągu niespełna pięciu lat krajowymi protektorami cynkowymi zabezpieczono m.in. remontowane mosty w Sochaczewie, Pruszkowie, Tułowicach (woj. mazo­wieckie), wiadukt w Lublinie, dwa wiadukty w War­szawie. Takie protektory zostały też zainstalowane w obiekcie gospodarki wodnej na terenie Elektrow­ni Kozienice (fot. 2) oraz w zbiornikach wody pitnej w Zakładzie Wodociągów w Pabianicach.

dr inż. Lesław Hebda

Firma „Doradca Techniczny Dorota Hebda”

mgr inż. Marcin Majewski

TOP Building Sp. z o.o.

Uwaga: Artykuł ukazał się w nr. 5/2017 czasopisma „Inżynieria i Budownictwo”.

Piśmiennictwo

1.  W. Sokolski, Ochrona katodowa stali zbrojeniowej w betonie – aktualny stan technologii, zakres stoso­wania i wymagania normowe, „Ochrona przed korozją” nr 1/2011.
2. L. Czarnecki, RH. Emmons, Naprawa i ochrona konstruk­cji betonowych, Wydawnictwo Polski Cement, Kraków 2002.
3. M. Gruener, Korozja i ochrona betonu, Arkady, Warsza­wa 1983.
4. RN-EN 1504-9 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych – Definicje, wymagania, ste­rowanie jakością i ocena zgodności – Część 9: Ogólne zasady dotyczące stosowania wyrobów i systemów.
5. Controling corrosion of concrete reinforcements. System Foreva. Broszura R III 2.
6. M. Jaśniok, A. Zybura, Zabezpieczenie i regeneracja za­grożonych korozją konstrukcji z betonu. Elektrochemicz­ne odtworzenie ochronnych właściwości otuliny betono­wej, cz. IV „Przegląd Budowlany” nr 7-8/2007.
7. M. Jaśniok, A. Zybura, Badania skuteczności zabiegu elektrochemicznej realkallzacjl betonu, XLVIII Konfe­rencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Opole-Krynica 2002.
8. PN-EN 12696. Ochrona katodowa stali w betonie.
9. Controling corrosion of concrete reinforcements. System Foreva.

Reklama

Komentarz ekspercki

Paweł Świętochowski, Kierownik Działu Konstrukcji Żelbetowych w Soletanche Polska

Częstym dylematem inwestorów jest utrzymanie odpowiedniego balansu pomiędzy jakością, bezpieczeństwem konstrukcji a kosztami, które nierzadko determinują decyzje dotyczące zasto­sowania technologii w procesie budow­lanym czy wyboru wykonawcy tychże prac. Jakie firmy zaprosić do przetar­gu? Wybrać jednego generalnego wyko­nawcę, czy zlecić prace specjalistyczne różnym firmom?

Oba warianty są dobre, wszystko zależy od tego, jakie wyzwania mamy na przy­szłym placu budowy. Idealnym rozwią­zaniem jest podejście kompleksowe, uwzględniające współpracę między ro­botami geotechnicznymi a żelbetowy­mi. Pozwoli nam to znacznie zreduko­wać koszty. Drugim aspektem, który gwarantuje optymalizację wydatków, jest odpowiedni dobór technologii wy­konywania robót geotechnicznych we współpracy z pracami żelbetowymi. Przykładem takiej realizacji są prace wy­konywane dla Grupy Arche w kontekście budowy obiektu mieszkalnego wielorodzin­nego Zięby III w Warszawie. Zastosowa­liśmy tutaj technologię TRENCHMIX^® do tymczasowego zabezpieczenia wy­kopu, który jednocześnie spełnia funk­cję przesłony przeciwfiltracyjnej. To pozwoliło na wykonanie konstrukcji żelbetowej przy minimalizacji wykopu i odwodnienia. Stosując to rozwiązanie, zaoszczędziliśmy dla klienta 1/3 budżetu przeznaczonego na przesłonę.

Soletanche Sp. z o.o.

ul. Powązkowska 44c
01-797 Warszawa
warszawa@soletanche.pl
Odziały w Gdańsku, Krakowie i Wrocławiu
Więcej informacji na: www.soletanche.pl