PROTIKOROZNÍ OCHRANA KONSTRUKCE MÝTNÝCH BRAN V ČR CORROSION PROTECTION OF TURNPIKE PORTAL STRUCTURE AT CZECH REPUBLIC KATEŘINA KREISLOVÁ a, HANA GEIPLOVÁ b, LUBOMÍR MINDOŠ b a ALENA KOUKALOVÁ b a Ing., PhD., SVÚOM s.r.o., U měšťanského pivovaru 934, 170 00 Praha, ČR kreislova@svuom.cz; b Ing., SVÚOM s.r.o., U měšťanského pivovaru 934, 170 00 Praha, ČR ABSTRAKT Po 3 letech provozu dochází k reklamacím protikorozní ochrany na konstrukcích mýtných bran na dálnicích v ČR. Mýtné brány kombinují řadu materiálů a povrchových úprav, které vykazují různé stupně degradace a korozního poškození. Významným korozním stimulátorem jsou chloridy z posypových solí. ABSTRACT After 3 years of service the claim of surface treatment on turnpike portal structures of highways at Czech republic had been made. Structures of turnpike portal combine many materials and surface treatments, which show various level of degradation and corrosion failure. The significant corrosion stimulator is chloride came from de-icying salts. ÚVOD Od 1. ledna 2007 byl na 970 km dálnic a rychlostních silnic v ČR zaveden systém zpoplatnění vozidel nad 12 t, který od 1. 1. 2010 platí i pro vozidla v kategorii od 3,5 do 12 t. Proto bylo postaveno 178 mýtných bran mikrovlnného systému mýtného- za 1 km se platí průměrně 4,05 Kč. Mýtné brány mají výšku cca 6 m a šířku, resp. délku, cca 33 m Obrázek 1. Pro provedení mýtných bran bylo vypracováno několik dokumentů: - PPK POR Požadavky na provedení a kvalitu portálů pro svislé dopravní značky, zařízení pro provozní informace a elektronické mýto na dálnicích a silnicích ve správě Ředitelství silnic a dálnic ČR, ŘSD ČR, vydání 01/2006, - Technologický postup povrchové ochrany Systém výkonového zpoplatnění pozemních komunikací portály mýtného systému, Část: Ocelová konstrukce, AŽD Praha a.s., 2006, - předpis Ministerstva dopravy ČR Technické kvalitativní podmínky staveb pozemních komunikací, Kapitola 19, Ocelové mosty a konstrukce, 2008.
Dle těchto předpisů je předepsaná minimální životnost kompletní nosné konstrukce portálů 30 let a minimální životnost protikorozní ochrany je 15 let. Obrázek 1 Příklad mýtné brány na D1 SPECIFIKACE MATERIÁLŮ A POVRCHOVÝCH ÚPRAV Hlavní nosná konstrukce stojiny portálu má povrchovou úpravu provedenou kombinací žárově stříkaného povlaku zinku s nátěrovým systémem v celkových tloušťkách cca 300 µm. Po 3 letech expozice nebylo zjištěno žádné korozní poškození této povrchové úpravy. Upevňovací prvky značek/zařízení se dle předpisu PPK POR konstruují z oceli a protikorozní ochrana těchto prvků se shoduje s protikorozní ochranou hlavní konstrukce, tj. odpovídat TP 84 a TPK kap. 19. V případě použití korozivzdorných ocelí se předpokládá typ A4 (AISI 316). Na řadě prvků držáků mýtné technologie byla ale použita korozivzdorná ocel AISI 304. Na portálech se vyskytuje také celá řada spojovacích materiálů různých rozměrů: šrouby, nýty, matice, podložky, apod. Dle PPK POR je předepsáno, že veškerý použitý spojovací materiál musí být žárově zinkován nebo musí být z korozivzdorné oceli A4. Předpis PPK POR se odkazuje na požadavky TPK 19, kde je požadavek 40 µm žárového zinkového povlaku na spojovacím materiálu. Orientačně měřená průměrná tloušťka povrchové úpravy žárovým zinkováním na nosných částech konstrukce portálů na horní pochozí lávce je 200 µm na L profily zábradlí a 90 µm na výztuhách uprostřed zábradlí. U drobného spojovacího materiálu byly použity i součástky s elektrolytickými zinkovými povlaky o tloušťkách 6 10 µm.
KOROZNÍ NAPADENÍ MATERIÁLŮ A POVRCHOVÝCH ÚPRAV V průběhu 03 a 04/2010 bylo hodnoceno několik mýtných bran a korozní poškození materiálů a povrchových úprav. Vzhledem k rozdílnému materiálu, resp. povrchové úpravě, tvaru, umístění a dalším faktorům se na jednotlivých prvcích vyskytuje odlišné korozní poškození. Držáky technologie na mýtných branách jsou zhotoveny z korozivzdorných ocelí typu AISI 304 (nosné díly) a AISI 316 (spojovací materiál). Kvalita korozivzdorných ocelí (chemické složení obsah legujících prvků) jen výjimečně odpovídá normovaných hodnotám. Na všech plochách exponovaných korozivzdorných materiálů se vyskytují závažné formy lokálního korozního napadení - důlkové a štěrbinové korozní napadení (Obrázek 2). Např. na nosiči vzniklo cca 50000 důlků/m 2 (přepočet z hodnocené plochy). Velmi intenzivní důlkové korozní napadení bylo zjištěno po odmontování podložek, matic a šroubů na hranách profilů. Jednotlivé důlky mají průměr cca 5 10 µm, různou hloubku 5 10 µm a v řadě případů došlo k propojení několika důlků vedle sebe a vzniku defektu o průměru až 30 µm. V místě důlkového a štěrbinového napadení v místech styku dvou dílů a/nebo šroubového spoje byla naměřena nejvyšší hloubka 30 µm. Tloušťka stěny profilu nosiče je 3,5 mm, tj. i v místech s nejintenzivnějším napadením je hloubka korozního napadení méně než 1% z tloušťky stěny. Na všech plochách konstrukce portálů s povrchovou úpravou žárovým zinkovým povlakem včetně spojovacího materiálu s povrchovou úpravou zinkovými povlaky (žárový i elektrolytický povlak) se vyskytují bílé objemné vrstvy korozních produktů (Obrázek 3). Na některých spojovacích prvcích v závislosti na tloušťce zinkového povlaku a umístění spojovacího materiálu se vyskytovalo i korozní napadení podkladové oceli. Povrchová úprava těchto drobných spojovacích dílů (šrouby M10, matice, podložky) byla provedena elektrolyticky vyloučeným zinkem o tloušťkách 5 až 10 µm (metalografické i gravimetrické stanovení). KLASIFIKACE KOROZNÍHO NAMÁHÁNÍ Rychlost korozního napadení konstrukčních materiálů včetně zinkových povlaků lze odhadnout z údajů o korozní agresivitě atmosféry (ČSN ISO 9223 a ČSN ISO 9224). Významným stimulátorem atmosférické koroze jsou chloridy, v prostředí ČR jsou jejich zdrojem posypové sole. Základným problémem pro vyhodnocení vlivu zimního posypu je velká neurčitost vstupných informací. Množství posypového materiálu na jednotku plochy závisí na různých faktorech. Aplikované množství na jednotku komunikace (1 km) závisí na klimatických podmínkách oblasti.
Obrázek 2 Příklady korozního napadení korozivzdorné oceli Obrázek 3 Koroze zinkového povlaku Při místním šetření byly z povrchu různých míst a materiálů konstrukce portálu a v jeho bezprostředním okolí sejmuty povrchové vrstvy úsad metodou tamponování demineralizovanou vodou (vodivost max. 2 µs.cm-1). Stanovené depozice/koncentrace chloridů byly odlišné podle místa a doby odběru vzorků. Celkové množství depozice úsad a tedy i chloridů je závislé na klimatických podmínkách v době odběru a v bezprostředně
předcházejícím období. Depozice chloridů se pohybovala od 100 250 mg.m -2 až do 1030 mg.m -2. Tato hodnota je velmi vysoká, ale obdobné i vyšší hodnoty SVÚOM s.r.o. stanovil i na jiných plochách, např. v blízkosti vozovky v Praze v různých obdobích viz Tabulka 1. Tabulka 1 Množství chloridů v závislosti na vzdálenosti od vozovky vzorek plocha vzdálenost od koncentrace chloridů (mg Cl - /m 2 ) výška (m) vozovky (m) 04/2009 11/2009 1 svodidla 0,3 0,3 39 1790 2 stěna 1,2 0,5 18 870 3 stěna 1,2 1,5 13 1840 Depozice chloridů výrazně ovlivňuje celkovou rychlost koroze korozivzdorných ocelí i lokálních forem koroze. Ve Švédsku byly realizovány 5leté atmosférické zkoušky 10 typů korozivzdorných ocelí s vlivem posypových solí [1, 2]. Vzorky byly zhotoveny tak, aby obsahovaly i svar a šroubové spojení. Výsledky jsou uvedeny v Tabulce 2. Hodnocení lokálních forem korozního napadení korozivzdorných ocelí z mýtné brány D01-55,64-ER-0 je v souladu s těmito výsledky. Tabulka 2 Výsledky 2leté expozice korozivzdorných ocelí v prostředí s vlivem posypových solí důlková koroze štěrbinová koroze rychlost (µm/r) maximální hloubka (µm/r) rychlost (µm/r) 304 25 30 50 50 316 22 40 55 95 typ oceli AISI maximální hloubka (µm/r) Na základě těchto výsledků byla odvozena doporučení pro používání korozivzdorných ocelí jako materiálu dopravní infrastruktury dostatečnou odolnost k lokálním formám korozního napadení prokázaly pouze vysoce legované tzv. duplexní korozivzdorné oceli (1.4462, 1.4410, 1.4547). Korozní agresivita v okolí vozovek byla sledována ve Švédsku, kde bylo zjištěno, že pro zinek se pohybovala ve stupních C4 a C5 v závislosti na klimatických podmínkách a intenzitě dopravy [2]. Předpokládané maximální úbytky zinkového povlaku po 3 letech expozice jsou 12 µm pro prostředí s korozní agresivitou stupně C4 a 30 µm pro prostředí s korozní agresivitou stupně C5. U spojovacích materiálů s tloušťkou zinkového povlaku 10 µm je životnost povrchové úpravy 2,5 roku, resp. 1 rok. I pro spojovací materiál s tloušťkou zinkového povlaku 40 µm lze předpokládat životnost 10 let, resp. 4 roky.
ZÁVĚR V ČR nejsou dosud podobná hodnocení k dispozici, SVÚOM v současné době exponoval vzorky v několika lokalitách a výsledky budou k dispozici v 12/2010. Zkoušky v NSS dle ČSN EN ISO 9227 a ani průkazní zkoušky odolnosti CHRL nejsou dosud dostatečně ověřeny, aby na základě jejich výsledků mohly být hodnoceny materiály a povrchové úpravy pro tato specifická prostředí [3-5]. S tímto vlivem prostředí je nutné počítat i u dalších objektů dopravní infrastruktury. Celkové náklady na zavedení mýtného systému byly 14 mld. Kč, náklady na stavbu 1 mýtné brány se uvádějí cca 160 mil. Kč. Volbu konstrukčních materiálů a povrchových úprav nelze posuzovat pouze podle investičních nákladů, ale podle celkových nákladů včetně obnovy protikorozních opatření po dobu životnosti výrobku/konstrukce. Příspěvek byl zpracován v rámci projektu MŠMT ČR OE229 - EUREKA Σ! 3517 BESTPRODUCT. LITERATURA 1. The Suitability of Stainless Steels for Road Constructions, acom, 1, 2008, www.outokumpu.com 2. J. Gunnarsson, A. Bergquist, B. Sederholm, J. Almqvist, Five years exposure of austenitic and duplex stainless steels in Swedish road environments, sborník konference EUROCORR 2009, Nice, Francie 3. H.Geiplová, K.Kreislová, M.Koudela, J.Benešová, H.Divišová, Vliv koncentrace rozpustných solí na povrchu ocelových konstrukcí na životnost protikorozní ochrany, sborník 21. konference Povrchové úpravy 2007; 7.a 8.listopadu 2007; Havlíčkův Brod 4. J.Benešová, K.Kreislová, A.Lomozová, J.Kvapil, Korozní odolnost povrchových úprav proti působení chemických rozmrazujících látek, Sborník XI. konference AKI, 14.- 16.10.2008, Harrachov