Porast štete uzrokovane korozijom doveo je do novih istraživanja i saznanja u postizanju trajnosti i stabilnosti armiranobetonskih konstrukcija, posebno u vrlo agresivnim okruženjima. Postoji nekoliko pojava koje doprinose stvaranju korozije na armaturi u betonu.
U ovom ćemo se članku usredotočiti na najčešće uzroke s posebnim osvrtom na karbonatizaciju i kloridnu koroziju. Beton, zahvaljujući svojoj alkalnoj prirodi, stvara zaštitno okruženje za čelik koje, međutim, ne traje vječno. Studije pokazuju da oštećenja povezana s korozijom nastaju kada kritične količine agresivnih tvari prodru kroz pore u betonu te napadnu i unište pasivacijski zaštitni film čelika izlažući na taj način armaturu procesu korozije.
Dvije su glavne vrste agresivnog djelovanja koje mogu stvoriti ovaj fenomen karbonatizacija i djelovanje klorida. Procesom karbonatizacije ugljični dioksid i vlaga iz zraka prodiru u beton kroz pore te snižavaju pH na vrijednost približno neutralnoj. U takvim uvjetima armatura može korodirati.
Djelovanjem klorida ove agresivne tvari prodirući u beton mogu razbiti zaštitni film te stvoriti jednu vrstu lokalizirane korozije ( pitting) čak i u alkalnom okruženju, što može dovesti do loma armaturnog čelika. Korozija na armaturi nastala uslijed ovih pojava razvija željezni oksid (Fe2O3).
Budući da željezni oksid (hrđa) ima puno veći volumen od punog čelika (5 – 6 puta veći), dovoljan je mali gubitak metala (npr. ~ 0,1 mm) na površini armature da dođe do nastanka korozije koja je dovoljna za stvaranje unutarnjih naprezanja koja uzrokuju pucanje i propadanje betona (SLIKA 1).
Primjer armiranobetonskog elementa čije je armaturno željezo uništeno djelovanjem korozije
Svojim je lokalnim i destruktivnim djelovanjem kloridna korozija najagresivnija i najopasnija za očuvanje konstrukcijske stabilnosti svakog pojedinog armiranobetonskog elementa. Prema izvješću Federal Highway Administration (Federalne uprave za autoceste u SAD-u), pokazalo se da je katodna zaštita (CP – cathodic protection) najučinkovitija tehnika sprečavanja nastanka korozije u armiranobetonskim konstrukcijama koje su kontaminirane kloridima bez obzira na njihov sastav [1].
Primjenom katodne zaštite (CP) potencijal korozije premješta se u zonu otpornosti, a proces korozije biva zaustavljen. U tom je slučaju potrebno samo ukloniti raspadnuti beton, dok onaj koji je kontaminiran, ali čvrst ne treba nužno uklanjati. Primjenom katodne zaštite (CP) dolazi do promjene u armiranobetonskoj konstrukciji, i to na području oko armature gdje se stvaraju neki pozitivni učinci.
Unutar katodno zaštićenog betona struju prenose ioni proporcionalno svojoj koncentraciji i pokretljivosti. Pozitivni ioni kreću se u istom smjeru kao i struja, tj. od anode do katode, a negativni se kreću u suprotnom smjeru. Stoga, u betonu kontaminiranom kloridima cirkulirajuća struja proizvodi kretanje klorida (Cl-) od katode (-) do anode (+).
U tim slučajevima cirkulacija struje rezultira smanjenjem sadržaja klorida na površini armature, što je poznato kao „dekloriranje“ (SHEMA 1a). Nadalje, na površini armature (katodna zona) troše se kisik i voda koj stvaraju hidroksidne ione (2OH-) prema jednadžbi:
H2 + ½ O2 + e- -> 2OH-
Hidroksidni ioni obnavljaju lužnatost na metalnoj površini do vrijednosti pH cca 12, što se naziva „efektom realkalizacije“ (SHEMA 1b) kojim se ostvaruje ponovna pasivizacija armature. Novi objekti u agresivnim okruženjima mogu biti opremljeni CP sustavima koji se mogu primijeniti već pri izgradnji.
Pojava deklorizacije (2a) i realkalinizacije (2b)
Ova vrsta zaštite poznata je kao „katodna zaštita“ te se može koristiti za nove ili postojeće građevine u kojima proces korozije još nije započeo, već će najvjerojatnije tek uslijediti zbog progresivnog prodora agresivnih tvari u određenom vremenskom periodu.
U tim slučajevima jednostavno se može primijeniti katodna zaštita malom količinom istosmjerne struje koja je potrebna da se zaštiti struktura uz jamstvo dugotrajne zaštite po prihvatljivoj cijeni s obzirom na male vrijednosti potrebne za armaturu koja je već pasivizirana [2].
Dvije su vrste katodne zaštite – utisnuta struja (ICCP) i galvanska zaštita sa žrtvujućim anodama (SACP). Pokazalo se da oba sustava kontroliraju ili ublažavaju koroziju pružajući potrebnu zaštitu kada su pravilno projektirana, ugrađena i stavljena u pogon. Glavna razlika između ovih dvaju sustava počiva u činjenici da je za utisnutu struju potrebno napajanje i izvor električne energije.
S druge strane, galvanski sustav temelji se na upotrebi različitih metala spojenih u zajedničkom okruženju koji stvaraju električnu energiju sličnu onoj baterije. Jedna od glavnih prednosti SACP-a je u tome što, kad se jednom ugradi, zahtijeva minimalno održavanje. S obzirom na to da ne koristi izvore električne energije, sustav je otporan na nestanke električne energije ili nagle prekide u napajanju.
Prikaz mjerenja tipičnog potencijala kako bi se utvrdila obilježja sustav
Osim toga, galvanski sustavi korist relativno male prirodne napone (razlika u prirodnom potencijalu između žrtvujuće anode i čelika koji treba zaštititi), čime se izbjegavaju moguće poteškoće povezane sa slabljenjem zbog djelovanja vodika i korozije uslijed naprezanja prednapetih čeličnih konstrukcija što se, s druge strane, može dogoditi u slučajevima prekomjerne zaštite u ICCP sustavima.
Jednostavnost ugradnje i održavanja stoga se smatra jednom od glavnih prednosti SACP sustava. U SACP sustavu struja se samoregulira na temelju brzine nastanka korozije čelika tako da sustav radi po potrebi, a ne prisilno i bez preopterećenja [3]. SACP, međutim, ima i svoja ograničenja. Glavno operativno ograničenje je to što galvanski sustavi imaju fiksni prirodni potencijal, pa u jače armiranim elementima generirana struja ne mora biti dovoljna da osigura polarizaciju čelika.
U tim slučajevima povećanje broja žrtvujućih anoda i primjena mortova niske čvrstoće predstavlja učinkovito rješenje. Vijek trajanja anoda u SACP sustavima određuje nekoliko čimbenika koji se s vremenom mogu mijenjati. Odnos anodne struje koja troši anodu i stupanj korozije izražen kao gubitak mase tijekom vremena može se dobiti pomoću prvog Faradayeva zakona.
Potrebna masa anodnog materijala, koja uključuje i čimbenike učinkovitosti i korištenja, izračunava se primjenom ovog zakona prema jednadžbi:
W = (ARC * CR * L) / (E * U)
pri čemu je:
- ARC prosječna potrebna struja (obično 2 – 20 mA/m2 za stare konstrukcije te 0,2 – 2 mA/m2 za nove konstrukcije prema ISO 12696: 2012, „Katodna zaštita čelika u betonu“)
- CR je stopa potrošnje anode
- L je očekivani vijek trajanja
- E je učinkovitost korištenog metala
- U je faktor iskorištenja upotrijebljene anode.
Kao primjer, ako promotrimo anodu cinka koja daje konstantnu struju od 1 mA tijekom godine dana, imat ćemo potrošnju oko 12 – 14 g anodnog materijala. Uzme li se u obzir standard „katodne zaštite čelika u betonu“ [4, 5], najčešći je kriterij za ocjenu obilježja CP sustava primijenjenog na građevini mjerenje depolarizacije počevši od potencijala Instant OFF.
U praktičnom smislu, potrebno je izmjeriti potencijal armature s povezanim anodama (polarizacija), zatim odvojiti anode od armature i ponoviti mjerenje. Nastat će pojava depolarizacije koja se sastoji u porastu potencijala čelične armature prema pozitivnijim vrijednostima (npr. polarizacija -450 mV; depolarizacija -285 mV). Ovaj pomak potencijala, prema ISO 12696, mora iznositi najmanje 100 mV u maksimalnom vremenu od 24 sata ili najmanje 150 mV tijekom dužeg razdoblja.
Tipični graf depolarizacije prikazan je na SHEMI 2 Instrumentacija za nadzor potencijala uključuje ručne uređaje koji mogu biti prijenosni ili trajno ugrađeni na građevinu. Poželjno je korištenje trajnog mrežnog sustava praćenja jer takav sustav omogućuje kontinuirani pristup podacima, ali isto tako i trenutno prepoznavanje poteškoća.
Za većinu važnih objekata nadzor se uglavnom ostvaruje prema unaprijed uspostavljenom rasporedu koji se provodi svakih nekoliko mjeseci do nekoliko godina, osim ako se ne utvrde posebni uvjeti koji zahtijevaju češću provjeru.
Poželjno je da u bliskoj budućnosti veliki infrastrukturni objekti budu opremljeni sustavima ove vrste kako bi se rješavali problemi vezani za sigurnost, ali i za praćenje i bolje razumijevanje mehanizama povezanih s propadanjem pojedine građevine.
Literatura
- Scheffy, C. F. (1981). Bridge deck deterioration - A 1981 perspective. FHWA Memorandum, Federal Highway Administration Office of Research.
- Pedeferri, P. (1996). Cathodic protection and cathodic prevention. Construction and building materials, 10(5), pp. 391-402.
- Item No. 24224, (2005). Sacrificial cathodic protection of reinforced concrete elements. Houston, TX: NACE International.
- ISO, B. (2016). 12696 -2016. Cathodic protection of steel in concrete.
- SP0216 (2016). Sacrificial cathodic protection of reinforcing steel in atmospherically exposed concrete structures. Houston, TX: NACE International
Za više informacija posjetite www.mapei.hr i www.mapei.com
Pratite nas na društvenim mrežama Facebooku i Instagramu.
Pratite Mapei Croatia TV na YouTubeu.
