Katodická ochrana pro obloukový most v Bechyni.

Transkript

1 Katodická ochrana pro obloukový most v Bechyni Úvod Možnost aktivní ochrany výztuže v betonu je diskutována již od konce padesátých let. Rešerše z celého sv ta, ale i z našich odborných pracoviš poukazovaly na možné pozitivní výsledky z hlediska rychlosti korozních proces železa v betonu aplikací vnuceného proudu do uzav eného systému anoda beton výztuž (katoda). Práv konec padesátých let je ozna ován jako doba, kdy v USA byl ohlášen objev realkalizace betonu elektrickým proudem. Teprve v r.1970 se poda ilo vyrobit odolnou anodu a po té mohla být zahájena i pr myslová výroba katodické ochrany. V Evrop jsou získávány zkušenosti s tímto systémem od konce sedmdesátých let. V devadesátých letech poznatky dostaly reálnou podobu v podob návrhu standard. Mezi prvními standardy pro tuto problematiku byly americké p edpisy NACE RP a RP , na tyto texty navazoval p edpis britský, který se pozd ji zm nil v návrh normy PREN Tento p edpis získal i v R definitivní podobu v roce 2000, jako standard SN EN (038440). Je nutno poznamenat, že diskutovaný systém nelze slu ovat s aplikacemi aktivních ochran liniových za ízení. Stru si uve me základní princip funkce popisovaného za ízení. Jedná se o systém, jehož cílem je výrazné zpomalení korozních proces výztuže v betonu zjednodušen eno vy išt ním napadených krycích vrstev výztuže od agresivních látek, kterými jsou p evážn chloridy, pomocí vnuceného proudu a ob tované anody p iložené na nebo do krycí vrstvy betonu. Obr.1 Principiální schema katodické ochrany V betonu je ocelová výztuž schopna plnit svoji funkci celá desetiletí; výztuž je chrán na proti korozi pasivní oxida ní vrstvou, pokud se výztuž nachází v alkalickém betonu bez chlorid (ph<=12). Trhlinami a póry mohou pronikat chloridy do betonu nap. deš ovou vodou, obsahující posypovou l. P ekro ením kritického obsahu chlorid v betonu dochází k porušení pasivní oxida ní vrstvy. P i tomto procesu, který se dá ozna it jako ztráta pasivity (depasivace), m že dojít ke vzniku makroelement i galvanických lánk mezi aktivní - korodující ástí a pasivní - dosud nekorodující ástí výztuže. Následkem je koroze a s ní spojené zeslabování pr ezu výztuže v betonu. Pasivní vrstva m že být také narušena poklesem hodnoty ph p i karbonataci betonu, ke které dochází pr nikem kysli níku uhli itého ze vzduchu se stejnými kone nými d sledky. Obrázky 2 a 3 tuto situaci zobrazují. 19

2 Obr.2. P sobení rozdílných podmínek, vody a kyslíku na výztuž v betonu, vznik makro lánku Obr.3. P sobení chlorid na výztuž Pokud jsou již poškozeny krycí vrstvy výztuže a korozní procesy intenzivn probíhají, tj. jsou etelné a mohou být již patrné p i vizuální prohlídce, nezbývá, než provést diagnostiku stavu výztuže a stanovit rozsah poškození výztuže, po té je nutno provést v nezbytném rozsahu opravu odbouráním poškozených krycích vrstev a obnovením poškozených ástí výztuže. Následuje obnovení krycích vrstev výztuže a následn lze aplikovat katodickou ochranu. sobením katodické ochrany se dosáhne zamezení áste né anodické reakce Fe > Fe e - opa orientovaným stejnosm rným proudem v oblastech d íve vystavených korozi. Protikorozního p sobení m že být dosaženo zapojením chrán ného kovu (u železobetonu výztuž) jako katody, která je polarizována malým vnuceným stejnosm rným proudem p es odolnou anodu. Dochází k alkalizaci výztuže a k okyselení anody. P ítomné chloridy budou putovat v elektrickém poli k anod, kationty putují sm rem k výztuži. Škodlivé vedlejší ú inky t chto reakcí se p i prakticky uplatn né proudové hustot cca od 5 do 20 ma/m 2 povrchu výztuže o ekávají. Nevhodné koncentraci ochranného proudu (nap ové úchylky) je nutno p edejít správným ízením ochrany. 20

3 Na obr.4 je znázorn no praktické ešení katodické ochrany železobetonu v p vodní podob na zkoušeném vzorku. Ve vtahu k obr. 1 je z ejmý elektrický obvod tvo ený anodovou sítí, elektrolytem je beton a výztuž je chrán nou katodou. Obr.4. Praktické ešení katodické ochrany V praxi je ochrana realizována tak, že anoda z ušlechtilého kovu (nap. titanu) je iložena na povrch krycí vrstvy betonu a je sama betononem obalena. Beton tvo í elektrolyt i druhé elektrod katod, kterou tvo í výztuž. Podmínkou funkce bylo elektricky definované propojení výztuže, aby mohlo dojít k uzav ení funk ního elektrického obvodu. První praktické aplikace katodické ochrany byly provedeny na poškozených mostních objektech, pozd ji bylo p ikro eno i k aplikacím preventivním. Ty byly realizovány v p ípadech, kdy stavba byla uvažována nap. v alpských podmínkách a bylo z ejmé, že komunikace bude dlouhé zimní období korozn namáhána posypovými solemi. Takové stavby byly realizovány v Rakousku i dalších alpských zemích. O n kterých realizací bylo na této konferenci referováno již v devadesátých letech. Obr. 5. Mostní stavby s aplikací katodové ochrany: Brennerský most a Heinrichhofbrücke 21

4 Obr. 6. ešení ídících jednotek a jejich uložení pro katodickou ochranu v Rakousku. Návrh katodické ochrany v podmínkách R Již v roce 1996 byl p ipravován projekt, jehož cílem bylo poprvé v podmínkách R takovou katodickou ochranu realizovat. P íprava probíhala velmi pe liv ; tém deset let (cca od roku 1985) byly shromaž ovány materiály o ešení takové ochrany. ešení bylo respektováno na všech úrovních zadání, tj. od projektanta až po investora a jeho cílem byl návrh první aplikace této ochrany v praxi v R. Jednalo se o rekonstrukci obloukového mostu v Bechyni. V této dob se ešení opíralo o praktické zkušenosti z cca p tiletého provozu katodické ochrany stejného typu na most v Brenneru v Rakousku. V podmínkách R nebyly v té dob pro podobná díla zavedeny žádné standardy a cílem práce bylo aplikovat zavedený systém a získat dostatek informací práv pro specifikaci podmínek pro návrh podobných za ízení. Jednalo se o dlouhodobou práci, jejíž poznatky byly pozd ji podkladem pro formulaci ásti kapitoly 8 technických podmínek MD R TP 124 Základní ochranná opat ení pro omezení vlivu bludných proud na mostní objekty a ostatní betonové konstrukce pozemních komunikací které nabyly ú innosti do praxe až o ty i roky pozd ji, v roce Volba mostního objektu. Pro volbu obloukového mostu v Bechyni byla vzata v úvahu tato hlediska: edn bylo ujasn no, že nep ipadá v úvahu, aby byla ochrana aplikována na most s p edpjatou výztuží. D vodem byla a dodnes je zna ná obava o nehomogenní rozložení elektrolytu (cementového mléka) kolem p edpjaté výztuže zejména v oblasti zakon ení kanálk a rozpletení pramenc p edpjatých kabel, jejíž d sledkem by bylo lze o ekávat i nehomogenní distribuci ochranného proudu a riziko lokálního p echrán ní výztuže s d sledkem zk ehnutí edpjatého prvku, aniž by bylo možno takový stav monitorovat. Z hlediska ekonomického vyhodnocení bylo již v té dob zcela jasné, že aplikace katodické ochrany je efektivní z hlediska finan ních náklad jen na velkých mostních konstrukcích; z ekonomických rozvah vyplynulo, že u malých mostních objekt je levn jší konstrukci zlikvidovat, než ji vybavovat katodickou ochranou. 22

5 Dalším kritériem, které bylo vzato v úvahu je rozsah katodické ochrany. Kritérium vychází z m rných náklad na metr tvere ní na instalaci katodické ochrany i, a to zde edevším, z pohledu životnosti funkce katodické ochrany. Dle podklad získaných bylo patrné, že instalace pouze na poškozených místech (tj. nap. ásti pilí, apod.) dlouhodob nep ináší efekt a ochranu je nutno cca do deseti až dvaceti let obnovit, nehled k ur itému riziku vzniku korozních lánk mezi novou a starou výztuží a chrán nou výztuží a nechrán nou výztuží. Volba místa je velmi p íznivá i z hlediska výskytu bludných proud, nebo elektrizovaná tra D vede po mostním objektu a zárove se most nenachází v pr myslovém centru s velmi hustým výskytem elektrických polí v zemi. Navržená katodická ochrana by tak nejen splnila sv j úkol, ale byla by i zárove referen ním bodem pro kontrolu, srovnávání, vyhodnocování a další stanovování zásad pro navrhování aktivních ochran na mostních objektech v R. Tedy stávající již osv ený systém katodické ochrany by byl dopln n zkušeností odpovídající b žným provozním podmínkám na území R. Všem t mto kritériím vyhovoval práv most v Bechyni, který je velkých rozm, bez edpjaté výztuže, ale s mohutnou m kkou výztuží. Jedná se o železobetonový obloukový most stá í ádov padesáti let, u n hož nebudou všechny zkorodované výztuže v rámci rekonstrukce m ny. Korozní stav výztuže oblouk byl šet en postupn n kolika diagnostickými m eními a byl stanoven požadavek provést mapování korozního stavu polo lánkovou metodou ve smyslu o mnoho let pozd ji zavedeným standard m, když bylo ejmé že korozní napadení výztuže je zna né. Krom t chto p edností bylo velmi výhodné ešení konstrukce op ry mostní stavby pro uložení zdroje a ídící jednotky tak, aby za ízení nebylo lehce odcizitelné (což je v podmínkách R zásadní otázka). Návrh ešení ochrany. Je nutno poznamenat, že od prvního návrhu ešení po zahájení rekonstrukce mostní stavby ub hlo dev t let. Vlastní návrh katodické ochrany pro obloukový most v Bechyni byl proveden ve spolupráci s firmou provád jící diagnostiku mostu a projektantem rekonstrukce mostu (PONTEX s.r.o.) a dále s firmou CMS GmbH a pozd ji s firmou Protector AS. Rozsah a volba varianty ochrany byly voleny na základ p edb žných finan ních možností investora ( editelství silnic a dálnic eské Bud jovice) a rozpo tov bylo se systémem kalkulováno již od samého po átku projektu. Technické parametry návrhu. i návrhu a dimenzování ochrany byla respektována následující kritéria: - velikost ochranného proudu, který závisí na výztuži a geometrii plochy, jenž má být chrán na (max. polarizace 2 až 20 ma/m 2 i nap tí zdroje 2-5V), - požadavek na zajišt ní elektrické vodivosti výztuže byl od samého po átku definován jednozna kontrolou a prov ováním prova ení výztuže, - anoda musí být navržena odolná v i prost edí v betonu a musí zajistit p echod proudu - v prvním návrhu byly zvoleny titanové sít, - zabudování referen ních elektrod na prov ení ú innosti systému v prvním návrhu byl zvolen zavedený systém s referen ními elektrodami CMS. 23

6 Pro zajišt ní ú innosti ochrany byla p ijata dosud praktikovaná kritéria ú innosti systému dle vybraných ukazatel. Ukazatelem kvalitní funk nosti za ízení bylo zejména: - potenciál t sn po vypnutí musí být < -0,4V, - pokles b hem prvních 4 hodin musí být > 0,1V. První m ení je možné provád t teprve p ibližn po 14 dnech po nanesení st íkaného betonu. P i m ení po kratší dob mohou být zjišt né potenciály vlivem nerovnom rného vytvrdnutí ješt nevyrovnané. Spot eba energie je dle zkušeností zanedbatelná (0,1W/m 2 ). V p ípad, že za ízení je instalováno v místech, kde není zdroj elektrické energie, lze pro napájení systému využít slune ní kolektory. Krom shora uvád ných technických kritérií byla sm rným ukazatelem pro rozsah návrhu finan ní náro nost ešení. Pro dané podmínky byla navržena v roce 1996 flexibilní titanová anoda. Dispozi ní ešení anody odpovídá nejvíce poškozeným míst m oblouk mostu. Oblouky byly rozd leny na n kolik ástí s definovaným zp sobem napájení a regulace. Stav koroze výztuže byl navržen monitorovacím systémem CMS. Rovnom rnost napájení je zajišt na vhodným rastrem napájecích bod, zásadní požadavek je stanoven na kontrolu spojitosti (prova ení) výztuže. Za ízení je p ipraveno jak na sledování ob asné, tj. pravidelnými návšt vami obsluhy mostu, tak s možností dovybavení za ízení modemem pro dálkové sledování dat. Za ízení se provozuje bez obsluhy. Z hlediska stavebních úprav nevznikají žádné zvláštní nároky na pr h rekonstrukce mostu. Flexibilní sí se instaluje na opravenou vyrovnávací betonovou vrstvu a p ed sana ními torkretovými omítkami. V p íloze je uveden zmenšený ez obloukem mostu s návrhem katodické ochrany mostu. Obr.7. ez nosnou obloukem mostu s uložením anody 24

7 Parametry mostu. délka mostu: 203,3 m po et polí: 1 oblouk 90 m + 2x 4 pole po 13m ší ka mostu: 6,6 m komunikace, 3,120 m kolej, celkem 9,72m ložiska: nejsou mostní záv ry: flexibilní, provedení shodné jako BAKOR s p eklenutím izola ní spáry. Cenová náro nost katodické ochrany. Základem pro ur ení ceny byla cena titanové sít ; v té dob cca 2.000,- rakouských šilink za jeden metr tvere ní, což byla cena srovnatelná s nabídkou i jiných firem, nap. firmy ELTECH System Corporation z Velké Británie (z roku 1985). Samoz ejm pro celkovou cenu je dále ur ující velikost chrán ných ploch, které byly dány plochou chrán ných ástí oblouk mostu; jednalo se o cca 600m 2. Nabídková p edb žná cena inila v té dob s p vodním materiálem v rozsahu 600 m 2 celkem cca 2, ,-AS. Cena zahrnovala náklady na flexibilní anodu, kompletní elektroniku a náklady spojené s uvedením do provozu. i revizi projektu v roce 2000 byly vyhodnoceny nové praktické poznatky, zejména s ohledem na postup realizace. Ve druhém návrhu byla provedena úprava ešení, které zna usnadnilo postupy a zárove výrazn zefektivnilo celou sanaci oblouk. Titanová sí byla nahrazena systémem s polymerovou vrstvou CAMUR-ZEBRA. Vrstva se nanáší na obnovovací krycí vrstvu výztuže, na kterou nejsou kladeny žádné speciální požadavky. Nové ešení tedy výrazn zefektivnilo celou realizaci rekonstrukce mostních oblouk a nahradilo z ásti sana ní práce na obloucích. Je tak uspo en zna ný rozsah stavebních prací. Nový systém, který je dodávkou norské spole nosti PROTECTOR, byl podroben p i výb ru edevším hodnocení efektivnosti a životnosti systému z pohledu celé stavby. Cílem bylo samoz ejm pokud možno zachovat p vodní rozpo et z roku 1996 až Obr.8. Polymerová anoda v etn sana ního nát ru firmy PROTECTOR CAMUR-ZEBRA je bezplastový dvoukomponentní reaktivní nát rový systém s dobrou vodivostí a dlouhodobými adhezními vlastnostmi. Anoda je chrán na povrchovou úpravou v podob 5 mm vodonepropustné membrány - vrstvy v požadované barv. Ochranná vrstva na anod nahrazuje d íve nezbytné torkrety nanášené na titanové sít. Dochází tak k výraznému zjednodušení i zlevn ní finálních prací. Tato finální elastomerová vrstva je zárove velmi vhodné dopl ující pasivní ochranné opat ení i pro další aktivn nechrán né ásti mostu. 25

8 ídící systém Camur p edstavuje komplexní vybavení idly a vyhodnocovacím systém se zp tnou vazbou a ízením procesu. Systém obsahuje nap ov ízený usm ova, datalogger Camur pro 24 kanál, zejména pro m ení teploty a vlhkosti, ph, korozní rychlosti, množství chlorid, elektrického odporu betonu, a to pomocí instalace refern ních elektrod ERE 20, 2 ks elektrod HygroTemp a instalace 3ks Corrate elektrod. Systém byl p ipraven pro napájení ze slune ních baterií a napojení na GSM modul. Elektrické parametry katodické ochrany. Pro výpo et se p edpokládá se proudové zatížení cca 5mA/m 2, z praxe je jsou dostupné informace, že proud 1 a 5 ma je posta ující. Základním kritériem poklesu nap tí bylo korigováno na 100mV pokles (depolarizace) na více než 2/3 plochy elektrod. Instalace v praxi. Vypsanou sout ž vyhrála v roce 2004 spole nost FIRESTA s.r.o. za výrazn nižší cenu (cca o t etinu) než cenu p vodn rozpo tovanou, bohužel s jediným cílem katodickou ochranu nerealizovat z finan ních d vod od samého po átku, a to i když v rozpo tu investora bylo s cenou na za ízení po ítáno. V pr hu roku 2004 m la být v rámci diagnostiky mostní stavby provedena zbývající diagnostika stavby; mapování polo lánkovou metodou mostních oblouk - nikdy nebylo provedeno. Objevil se další významný argument dodavatele výztuž nelze obnažovat pro p íliš kvalitní beton, tudíž nelze ov it elektrické definování propojení výztuže. Ve skute nosti však stav oblouk vypadal dle obrázku 9: Obr.9. Obnažená výztuž oblouku mostu v Bechyni po tryskání tlakovou vodu i tomto stavu výztuže oblouku dodavatel mostu p ichází s dalším významným argumentem, s nímž se setkáváme p edevším u n meckých dodavatel staveb. Výztuže nelze prova ovat, protože by mohla být oslabena její statická únosnost. Tento argument je však vy ešen již v osmdesátých letech, kdy byly stanoveny zásady pro ochranu mostních staveb p ed inky bludných proud ; v této dob byl zakotven požadavek na prova ování výztuže z 50%!, nehled na sou asné možnosti techniky p i prova ování výztuže. Je t eba p ipomenout, že prova ení výztuže pro elektricky definované pospojení vodi t ídy I. není prova ení staticky 26

9 únosnými svary, ale pouze bodové svary na výztuži. Prova ování výztuže se provádí pouze v rohovém prvku oblouku. Z obrázku 9 je z ejmé, že se jednalo o silné profily výztuže (cca o pr ru 32mm). Když ani tyto argumenty neobstály, dodavatel obešel celou republiku i okolí, aby našel argumenty pro nerealizaci systému. A byl úsp šný. Našel je v podob stavebních specialist z VÚT Brno ov ených tituly p ed i za jménem, kte í však o katodické ochran li jen pramálo a sv j posudek zpracovali porovnáním autora návrhu ochrany s technickými podmínkami TP 124 téhož autora zpracovanými na základ více než desetileté práce a práv poznatk získaných p i návrhu ochrany mostu v Bechyni. Tém dvacetiletá práce tak p išla vnive lidskou hloupostí, odbornou neznalostí a parciálním zájmem získat v tší efekt z jedné zakázky. V sou asné dob tak máme na území R, p evzatý evropský standard, plno teoretických poznatk, ješt více rádoby odborník na aktivní ochrany a žádné praktické zkušenosti, které by trendy aktivních ochran dokázaly zodpov dn usm rnit, podporovat nebo naopak omezit. V roce 2000 uvedením technických podmínek TP 124 do praxe byly z t chto vod p iv eny dví ka pro jednoduché a bezhlavé aplikace aktivních ochran v praxi práv do doby, než bude možné ov it všechny aspekty na konkrétní a k tomu ú elu vhodné stavb. Nestalo se tak. Nezbývá, než znovu od za átku za ít vybírat vhodnou mostní stavbu, která spl ovat všechna pot ebná kritéria pro praktickou aplikaci tohoto systému ochrany. Záv r. ednáška poukazuje na adu praktických problém, se kterými je nutno se vypo ádat ed návrhem, p i návrhu a následn p i realizaci katodické ochrany na železobetonových konstrukcích. Cílem p ednášky je p edevším upozornit na skute nost, že katodické ochrany na mostních objektech nelze navrhovat systémem typového projektu most od mostu, ale že se jedná o velmi speciální za ízení, které vyžaduje mnoho znalostí a spolupráce s adou dalších odborník v oblasti stavebnictví, koroze, ízení a p enosu dat, atd. Rovn ž je nutno neopomenout, že takový návrh je závažným zásahem do konstrukce stavby a postupu výstavby, vyžaduje velmi úzkou spolupráci s dodavatelem stavby a projektantem stavební ásti, protože v sou asném stupni poznání se návrhy katodických ochran p ímo prolínají se sanací mostních staveb a nelze je od stavebního ešení rekonstrukce nebo nového návrhu stavby odd lit. Praxe ukázala, že ešení je t eba se velmi pe liv v novat již v úvodních stupních projektové dokumentace tak, aby projektant stavby mohl ešení p ímo zakomponovat do stavebního ešení v podob respektování typu sana ních a vrchních vrstev spojených s instalací anodového systému a systému referen ních elektrod i kone instala ních rozvod. 27