Koroze ocelové předpínací výztuže a dopad na mechanické vlastnosti

Předpínací výztuž ze zušlechtěné vysokopevnostní oceli se dlouhou dobu používá pro vyztužení předem i dodatečně předpínaných betonových konstrukcí. Poruchy a havárie některých mostních objektů z nedávné doby, spojené s korozí této předpínací výztuže, nasměrovaly pozornost odborné veřejnosti k této problematice. S tímto problémem se současně otevírá otázka spolehlivosti a životnosti předpjatých konstrukcí.

U starších konstrukcí byla protikorozní ochrana zajišťována primárně zejména alkalitou prostředí, tj. obetonováním a/nebo zainjektování předepnutých prvků v kanálcích. Příspěvek prezentuje poznatky týkající se zejména mechanických vlastností předpínacích prvků zasažených korozí. První předpjatá mostní konstrukce byla na našem území provedena v roce 1948 a jednalo se o most u Koberovic cca 9 km od Humpolce [1].          

Problematika koroze ocelových předpínacích lan přitáhla pozornost nejen odborné veřejnosti v souvislosti s nešťastným zřícením lávky pro pěší v Praze-Troji, která spojovala vltavské břehy Císařského ostrova a Troji. Došlo zde ke zranění 4 osob a hmotné škodě velkého rozsahu. Elegantní lávka, s převážně prefabrikovanou železobetonovou nosnou konstrukcí ve formě předpjatého visutého pásu, stála od roku 1983 v oblasti napojení ulic Povltavská–Vodácká s křížením na lávku navazující ulice Pod Havránkou, až do soboty 2. 12. 2017, kdy došlo podle informací zveřejněných sdělovacími prostředky, k její havárii cca v 13:30 hod. z. č. Zásadním problémem tohoto typu konstrukce bylo, že k náhlému kolapsu došlo v řádu desítek vteřin a bez jakéhokoli zjevného varování.

V souvislosti s touto havárií se rozběhly mimořádné kontroly technického stavu podobných (lávka Hvězdonice), ale často i konstrukčně zcela odlišných mostních konstrukcí (KA nosníky). Jednou z velmi podobných konstrukcí byla i lávka pro pěší přes Labe v Nymburce, jejíž diagnostika ukázala závažné indicie staticky nepredikovatelného stavu, chování a bylo doporučeno její uzavření (včetně lodního provozu pod ní) a bezodkladná oprava nebo snesení. Město Nymburk (vlastník stavby) volilo po úvaze demolici, která proběhla 3.−8. 8. 2018 a výstavbu lávky nové, na jejíž návrh byla obratem vypsána veřejná soutěž, kterou vyhrál projektant předchozího řešení.

Problematiku a nedůvěru v předpjaté mostní konstrukce ještě významně rozvířil a podlomil kolaps Morandiho mostu na frekventované dálnici v Janově na severu Itálie.  Objekty lávek a Mo-
randiho mostu jsou konstrukčně zcela rozdílné, avšak mají něco společného. Vysoce problematický přístup k antikorozní ochraně použité předpínací výztuže a problematický návrh z hlediska množství spár (segmentové lávky) či vysoký potenciál vniku spár a trhlin (obetonované závěsy), kterými se mohla voda, případně i s chloridovými anionty (Cl^–), dostat k výztuži a iniciovat její korozi.

Koroze předpínacích lan

Pracovníci Kloknerova ústavu ČVUT v Praze měli možnost zkoumat stav obou shora uvedených lávek, tj. lávky v Troji po kolapsu a lávky v Nymburce před odstraněním a nyní probíhá ještě šetření i po jejím odstranění. Obě lávky měly téměř shodné konstrukční řešení [6]. Jednalo se o třípolovou lávku tvořenou předpjatým pásem vytvořeným z betonových prefabrikátů délky 3 m, šíře 3,8 m a výšky 0,3 m. V obou případech byla jako předpínací výztuž použita sedmidrátová lana 15,5 mm. Lana byla navržena ve dvou systémech značených A a B − systému A nosných lan pro montáž prefabrikátů (umístěn do bočních rýh vytvořených v prefabrikátech) a systému předpínacích lan B umístěných do kanálků ve středové desce prefabrikátu, určených k předpětí a konečnému vyrovnání napětí v lanech. Ze získaných informací jsme dospěli k některým zjištěním o mechanismu korozního napadení nosných předpínacích lan a charakteru jejich koroze. U obou konstrukcí o třech polích byla zaznamenána velmi rozvinutá lokální koroze předpínacích lan, a to místy včetně úplného překorodování mnoha jejich drátů (obrázky 2 a 5).

Obě lávky nesly zřetelné stopy nedostatečného vyplnění kanálků s dodatečně vloženými předpínanými sedmidrátovými lany 15,5 mm systému B, tj. lan v desce prefabrikované mostovky. Současně byly zjištěny i kaverny v systému nosných lan A, dodatečně zabetonovaných v krajních rýhách prefabrikátů po jejich montáži. Zásadně korozně poškozené oblasti vyskytovaly nejen v místech příčných spár mezi prefabrikáty, ale také dokonce až v polovině délky prefabrikátu, tj. cca 1,5−2 m od netěsné spáry ve směru podélného sklonu mostovky.

V betonu, zbytcích injektážních výplní i v korozních produktech lan byly na mnoha místech zaznamenány vysoké koncentrace chloridových iontů. Vnikající voda dále zjevně v některých případech migrovala jádrem nebo po povrchu drátů předpínacích lan, gravitačně jimi stékala ve směru podélného sklonu mostovky. Vlhkostní stav v kanálcích a žlabech jistě ovlivnilo i působení záplav na lávku v Troji, která byla 2x pod vodou během povodně.  Vlhkostní stav uvnitř konstrukce kolísal v závislosti na vnějších podmínkách, teplotních cyklech, vlhkosti vzduchu i výškových pohybech samotné mostovky např. od denního teplotního cyklu.

Zkoušení korozí zasažených předpínací výztuže

Koroze je fyzikálně-chemická interakce kovu a prostředí, při které kov přechází v oxidovaný stav a ztrácí své primární užitné vlastnosti. V průběhu koroze vznikají korozní produkty, které jasně signalizují, co se děje, a varují. Proto je i základním a věrohodným způsobem hodnocení stavu předpínací výztuže podrobná prohlídka. Vzhledem k tomu, že je předpínací výztuž obvykle zabudována ve větších hloubkách, je pak provedení prohlídky vždy velmi omezené a je spojeno s prováděním lokálního bourání pro jejich odhalení. Jak dokládají fotografie na obrázcích 3 a 4, koroze předpínací výztuže může mít jak plošný (obrázek 3), tak lokalizovaný charakter (obrázek 4). Jak ukazují praktické zkušenosti, nelze vyloučit ani výrazně lokalizované poškození (odkorodování) výztuže (obrázek 4). Pohled z jistého úhlu ani nemusí odhalit, že lano či drát jsou masivně zkorodovány, a na první pohled se mohou jevit jako v pořádku.

Je zřejmé, že zejména u dopravních staveb může být korozní poškození drátů a lan indukováno a stimulováno v řadě případů (nikoli však všude) chloridovými anionty (Cl^–). Přítomnost chloridů v korozních produktech lze celkem jednoznačně prokázat chemickými analýzami, např. prvkovou analýzou XRF nebo fázovou analýzou XRD. Přítomnost fáze akaganeit potvrzuje, že na její tvorbě se podílela přítomnost chloridů.

Zásadní pro posuzování stavu předpínací výztuže je ovlivnění mechanických vlastností výztuže mírou koroze, tj. jak zhodnotit v rámci prohlídky, kdy je stav koroze, a tedy snížení mechanických parametrů, výrazné a kritické. Koroze předpínací výztuže způsobující úbytek plochy větší než 5 % je chápána normou ČSN 736221 jako havarijní stav. Konstrukce by měla být zařazena do stupně VII. Problematika koroze u předpínací výztuže je o to komplikovanější, že u ní může docházet a jednoznačně dochází nejen k plošné formě koroze, ale zejména k lokalizované formě koroze. Problematická je koroze důlková, kterou při nějakém lokálním odhalování a kontrole lze velmi obtížně jednoznačně zachytit. Charakter masivní lokalizované koroze v makroměřítku ilustruje obrázek 3. Lokalizovaný typ koroze je však patrný také v mikroměřítku, jak ilustrují fotografie uvedené na obrázku 5.

Je tedy jasné, že musí docházet jednoznačnému ovlivnění mechanických vlastností vlivem koroze. Při demolici lávky Nymburk byla získána lana různého korozního napadení a na těchto lanech byly provedeny porovnávací zkoušky v tahu na různě korozně zasažených lanech. Pro vyhodnocení zkoušek je velmi důležité zjistit plochu drátu či lana, která vyvozenému namáhání vzdorovala při dosažení maximální zatěžovací síly, tj. pevnosti lana či drátu. U tvarově jednoduchých průřezů či průřezů nezkorodovaných lze provést stanovení průřezové plochy přímým měření rozměrů jednotlivých drátů, nebo jak se dnes běžně provádí stanovit plochu prvku z měření délky a jeho zvážení a výpočtem. Vyjdeme-li z požadavku normy ČSN 736221 na limitní 5% hranici zmenšení průřezové plochy vlivem koroze, pak porovnávací zkoušky provedené v laboratoři Kloknerova ústavu nezkorodovaných i zkorodovaných lan ukazují, že tento obvyklý způsob vážením není zejména pro zkorodovaná lana vhodný a v zásadě je matoucí. Vážení delších vzorků nutných pro provedení testu nedokáže „upozornit“ na lokalizovanou formu koroze. Jak bude ilustrováno dále, výztuže vykazující vizuálně relativně nízké poškození korozí mají výrazně horší mechanické vlastnosti, tj. vyšší korozní úbytek plochy, než by se dalo očekávat. Proto kromě klasického vážení bylo pro stanovení plochy zkorodovaných lan zvolen postup zpětného přepočtu z maximální síly F_m a jmenovitého napětí R_m,jm na mezi pevnosti oceli výztuže. Vycházíme z předpokladu, že pevnost je u oceli stabilní a v čase se nemění, jako je tomu např. u betonu. Pro testovaná lana bylo uvažováno napětí na mezi pevnosti R_m,jm = 1 700 MPa, a to jednak na základě provedených testů nezkorodovaných referenčních lan, které byly konfrontovány s informacemi o vlastnostech předpínacích drátů uvedenými v ČSN 426448. Jmenovitá plocha pro lano 15,5 mm je 141,54 mm² a tomu odpovídá jmenovitá síla F_m,jm = 240,6 kN. Minimální tažnost požadovaná pro předpínací výztuž je 4 %.

Pro účely roztřídění lan dle koroze byla zvolena a navržena šestistupňová hodnotící škála korozního napadení takto:

Stupeň 1  Výztuž bez jakékoli známky koroze.

Stupeň 2  Výztuž se začínající lokalizovanou povrchovou korozí. Lze zaznamenat původní nekorodující povrch. Nemá vliv na změnu průřezu.

Stupeň 3  Plošně rozvinutá povrchová koroze výztuže bez odlupujích se korozních zplodin. Vliv na zmenšení plochy výztuže a mechanické parametry není významný.

Stupeň 4  Plošně rozvinutá povrchová koroze výztuže. Korozní zplodiny se odlupují. Není však patrná zjevná změna tvaru průřezu a zmenšení plochy průřezu. Změna plochy však již    nastává v úrovni %. Tento typ koroze je hraniční z hlediska míry negativního vlivu    na mechanické vlastnosti výztuže.

Stupeň 5  Plošně rozvinutá povrchová koroze výztuže. Masivní odlupování zkorozních zplodin. Na povrchu drátů se tvoří rovnoměrná důlková struktůra typu „pomerančová kůra”. Místy zjevná změna a zmenšní tvaru a průřezu drátu. Úbytek plochy je výrazný a dosahuje již řádu několika desítek % původní plochy.

Stupeň 6  Masivní odlupování zkorozních zplodin. Výrazná a zjevná změna tvaru drátů. Některé mohou být i porušené nebo překorodované. Výrazné zmenšní plochy výztuže, úbytek plochy na úrovni 50 % i více z původní plochy.

Celkový postup měření byl následující:

a)    Vytvořena šestistupňová hodnotící škála pro zařazení lana do skupiny korozního napadení podle vizuálně hodnoceného stavu (viz předchozí popis). Stupněm 1 nebyl vyhodnocen žádný vzorek lana.

b)    Na základě vytvořené škály byly vybrány pro korozní stupně 2, 3, 4, 5, 6 počty vzorků   3 + 6 + 6 + 6 + 9 lana 15,5 mm (celkem 30 vzorků) pocházejících z lávky Nymburk.

c)     Délka každého vzorku byla upravena na cca 2 m, vzorek byl mechanicky očištěn ocelovým kartáčem, zvážen s přesností na gramy, změřena délka s přesností na mm.

d)    Na každém vzorku byla provedena dle ČSN EN 15630-3 zkouška v tahu se záznamem pracovního diagramu.

e)    Vážení bylo opětovně provedeno po zkoušce v tahu, neboť docházelo k odpadávání dalších korozních produktů z povrchu. Lana ale nebyla dále nijak rozplétána a případné korozní produkty mohly zůstat v jádře. Ovlivnění výpočtu plochy výztuže lze však uvažovat jako malý a byl zanedbán.

Na obrázku 6 jsou znázorněny typické pracovní diagramy pro jednotlivé korozní stupně z hodnotící škály.

V tabulce 1 je uveden souhrn výsledků 30 zkoušek různých korozních stupňů.

Z provedených mechanických testů vyplývá:

a)    Metody stanovení plochy vážením a přepočtem z napětí poskytují výrazně rozdílné výsledky, a to zejména u korozně zasažených prvků. Např. u korozního stupně 5 byl vážením zjištěn úbytek plochy na 96,5 % původní jmenovité plochy, avšak přepočtem z napětí až na 76,3 % původní jmenovité plochy. Je přitom zcela jasné, že reálnému chování odpovídá přepočet z napětí.

b)    Korozní oslabení průřezu již v řádu jednotek procent původní plochy výrazně nepříznivě ovlivní mechanické chování předpínací výztuže.

c)     Korozní úbytek plochy v oblasti 5 % způsobí významný pokles tažnosti výztuže při porušení. Požadovaný limit tažnosti 4 % se sníží do oblasti 1−2 % a současně se sníží bezpečnostní rezerva mezi nosností lana a smluvní mezí kluzu vyjádřenou silou v kN.

d)    Hranice korozního úbytku 5 % plochy uváděný jako limitní normou ČSN 736221 pro zařazení konstrukce do stupně VII (havarijní stav) se jeví jako oprávněná.

Závěr

Je zcela zřejmé, že za vhodných korozních podmínek předpínací výztuž rychle, snadno a masivně koroduje. Z poslední doby jsou známé konstrukce, kde v průběhu cca 34 let došlo ke kompletnímu překorodování předpínacích semidrátových lan průměru 15,5 mm. Koroze probíhá v mnoha formách, tj. plošná i lokalizovaná (důlková, štěrbinová…).

Koroze předpínací výztuže s úbytkem průřezové plochy nad 5 % je chápána normou ČSN 736221 jako havarijní stav konstrukce. Úbytek průřezové plochy lana do 5 % je hodnocen jako stupeň stavebního stavu VI, do 1 % jako stupeň stavebního stavu V. Pro lano 15,5 mm již zcela nepatrný rovnoměrný korozní úbytek 0,013 mm, tj. 13 mikrometrů, po obvodu jednotlivých drátů znamená ztrátu plochy lana 1 %, 60 mikrometrů už 5 % plochy.

Zmenšení průřezové plochy lana již v řádu jednotek procent zásadně ovlivňuje celkovou tažnost lana a nosnost lana vyjádřenou v kN. Nosnost je přímo úměrná ploše v nejslabším místě lana. Stanovení průřezové plochy lana neboli jeho korozního poškození, v tomto nejslabším místě, není u korozí napadeného lana jednoduché a triviální. Zmenšení plochy lana vlivem koroze zahrnuje nejen plošnou korozi, ale také lokalizovanou formu koroze s případným lokálním narušením mikrostruktury oceli. Vizuálně lze míru tohoto poškození obtížně jednoznačně popsat a hodnotit.

Výsledky mechanických zkoušek v kombinaci roztříděním jejich stavu na základě vizuálního hodnocení dle zvolené škály, naznačují jistou možnost na tomto základě přesněji odhadnout a popsat vliv koroze na poškození profilu výztuže a následně i výsledné mechanické chování korodující výztuže. Výsledky mechanických zkoušek a zjištěné korozní ztráty průřezu u navrženého korozního stupně 4 ze škály uvedené výše jsou v oblasti kritické hranice 5 % ztráty plochy průřezu limitované normou ČSN 736221. Nastíněný postup vizuálního hodnocení dle nastaveného etalonu může být operativní a velmi účinný. Pro možnost pravidelného a hodnověrného využití v rámci diagnostik a hodnocení konstrukcí by bylo potřeba jej ještě podrobněji rozpracovat. V případě nalezení koroze s odlupujícími se korozními produkty lze doporučit uvažovat přítomnost lokalizované formy koroze s významným negativním vlivem na mechanické vlastnosti výztuže.

V současnosti není známá spolehlivá NDT metoda pro věrohodnou a průkaznou detekci korozního stavu předpínací výztuže přímo v konstrukci. Bohužel se stále jako nejúčinnější a průkazné ukazují klasické lokální semidestruktivní bourané sondy. V případě semidestruktivních sond do kanálků a posuzování stavu výztuže lze analýzou korozních produktů zjistit, zda je koroze indukována chloridovými anionty (Cl^–), či nikoli.

Je evidentní, že v oblasti detekce, popisu charakteru, příčin a hodnocení koroze předpínacích lan je potřeba aktualizovat stávající postupy a na základě vyhodnocení nových poznatků vytvořit nové podklady pro využití v praxi.

Poděkování:
Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumných projektů MD ČR číslo CK01000108 a grantové soutěže ČVUT v Praze SGS19/138/OHK1/2T/31.

Doc. Ing. Jiří Kolísko, Ph.D., Kloknerův ústav, ČVUT v Praze
Ing. Petr Pokorný, Ph.D., Kloknerův ústav, ČVUT v Praze
Ing. Vítězslav Vacek, CSc., Kloknerův ústav, ČVUT v Praze
Ing. Michaela Kostelecká, Ph.D., Kloknerův ústav, ČVUT v Praze

Literatura
[1]  Vítek J. Historie předpjatého betonu. Informační centrum ČKAIT 2016, ISBN 978-80-87438-84-8.
[2]  Voves B. Trvanlivost konstrukcí zpředpjatého betonu. SNTL Nakladatelství technické literatury 1988, 04-706-88
[3]  Voves B. Technologie předpjatého betonu. SNTL Nakladatelství technické literatury 1976,
04-710-86.
[4]  https://www.metro.cz/trojska-lavka-slavi-narozeniny-stoji-uz-30-let-fom-/praha.aspx?c=A140706_095752_co-se-deje_jbs
[5]  https://www.idnes.cz/zpravy/zahranicni/italie-most-zriceni janov.A180814_124236_zahranicni_dtt/foto/JB755335_rr1.jpg
[6]  Stráský J. The stress-ribbon footbridge across the river Vltava in Prague, In: L´Industria Italiana  del Cemento 10/1987.
[7]  Zpráva Kloknerova ústavu ČVUT v Praze (KÚ) − 1800 J 150: Diagnostický průzkum předpjaté lávky pro pěší přes řeku Labe v Nymburce z 29. května 2018.
[8]  Zpráva KÚ − 1800 J 296: Vyhodnocení stavu snesené konstrukce předpjaté lávky pro pěší
přes řeku Labe v Nymburce v kontextu zjištění a zkoušek v rámci provedené demolice, 14. února 2019 .
[9]  ČSN 736221/2018 Prohlídky mostů pozemních komunikací
[10]  ČSN 426448/1988 Kruhové ocelové dráty pro předpínací výztuž do betonu
[11]  Kolísko J., Vacek V., Pokorný P., Kostelecká, M. Vlastnosti předpínací výztuže ovlivněné korozí, In: BETON TKS, 6/2019, pp. 3-9, ISSN 1213-3116.