Izgradnja trajnije infrastrukture

Izgradnja trajnije infrastrukture

Građenje u tlima s velikim sadržajem sulfata i drugim korozivnim uvjetima

Prilikom izgradnje infrastrukture često su male, ako i postoje, mogućnosti kontrole okoliša u kojem se grade ceste, mostovi, odvodni propusti ili druge javne strukture. Infrastruktura se mora izgraditi tako da odgovara okolišu koji već postoji kako bi ju podržala zajednica na tom prostoru. To zahtijeva od izvođača i inženjera izgradnju građevina koje će trajati mnoga desetljeća, usprkos izlaganju klimatskim uvjetima, uvjetima tla i prisutnosti vode.
Konzultantske tvrtke u Izraelu pronalaze brojne prednosti slijedeći 'projektiranje temeljeno na performansama' koje uključuje tehnologiju (MCI) migracije inhibitora korozije. Ovaj članak opisuje tri projekta javnih radova na kojima je primijenjen pristup projektiranju temeljenom na performansama. Svaki je projekt predstavljao posebno velik izazov kod lijevanja debelih komada betona u vrlo nepovoljnim okolišnim uvjetima, a pritom se nastojalo postići 100-godišnji vijek trajanja. Iako je infrastruktura dizajnirana u skladu sa specifikacijama specifičnim za Europu i Izrael, ovi projekti pružaju uvid u strategije za izgradnju infrastrukture veće trajnosti u otežanim uvjetima bilo gdje na svijetu.

Izvedba u odnosu na propisane specifikacije

Na prijelazu tisućljeća građevinska industrija započela je shvaćati da zgrade ne ispunjavaju njihov projektirani vijek trajanja, stoga je u industrijske standarde postavljen koncept trajnosti u uvjetima okoliša. Do tada, inženjeri građevine i infrastrukture uglavnom su se referirali na mehanička svojstva (vlačna i tlačna čvrstoća itd.). U Europi se ta svojstva odražavaju u normi EN 206-1, Beton - Specifikacija, izvedba, proizvodnja i sukladnost, Dio 1.1 Izraelski ekvivalent je IS 118, Beton: Specifikacija, izvedba i proizvodnja. Ove norme obuhvaćaju i 'propisani pristup' i 'izvedbeni pristup'. Američki institut za beton (ACI) 318-08, Zahtjevi građevinskog koda za građevinski beton i komentare i ACI 301-05, Specifikacije za građevinski beton, primjeri su specifikacija koje uključuju propisane i izvedbene zahtjeve koji se temelje na izvedbi u Sjedinjenim Državama. Iako obje vrste specifikacija postoje u Sjedinjenim Američkim Državama od prve polovice 20. stoljeća, u posljednjih nekoliko desetljeća također postoji sve veća spoznaja o važnosti izgradnje za dugotrajnost korištenja pristupa povezanih sa performansama.
Inženjeri imaju profesionalnu i zakonsku obvezu ispunjavati ove norme kako bi se zajamčila kvaliteta, sigurnost i dugovječnost građevinskog projekta. Odgovornost inženjera je da bude ažuriran kod primjene trenutnih normi i projektiranja u skladu s tim. Na primjer, u Europi i Izraelu, norme EN 206-1 i IS 118 definiraju nekoliko kategorija okolišnih uvjeta kako bi se inženjerima pomoglo u projektiranju trajnosti poput:

- kemijska agresivnost sastava tla
- zrak s visokom koncentracijom klorida
- zrak s visokom koncentracijom ugljičnog dioksida (CO2).
- česti ciklusi smrzavanja i odmrzavanja (smrzavanje - odmrzavanje uključeno je u EN 206-1, ali proizlazi iz IS 118 jer smrzavanja u Izraelu gotovo nikada nema).

Norme daju svakoj kategoriji kod s nizom brojeva koji opisuju ozbiljnost stanja. Nakon što se utvrde ovi uvjeti, i europski i izraelski standardi daju inženjeru građevine dvije mogućnosti da u tim okolnostima osiguraju trajnost (odjeljak 5.3.1 u obje norme).

Opcija 1: Granične vrijednosti / propisani pristup

Ovaj pristup ima za cilj poboljšati pokrivenost betonom armaturne konstrukcije, čime se odgađa prodiranje oštrih elemenata kroz beton i produžuje razdoblje inkubacije korozije. Nakon korozije armature, započinju posljedice izazvane korozijom armature - čelik mijenja obujam, uzrokujući pucanje betona, ljuštenje i daljnje izlaganje uzročnicima korozije, te smanjenje vijeka trajanja građevine.

Opcija 2: Pristup projektiranju u vezi s izvođenjem

Ovaj je pristup namijenjen poboljšanju trajnosti armature i otpornosti na koroziju, čime se podiže prag koncentracije kemikalija kojima se odgađa korozija (produžava razdoblje inkubacije korozije) i usporava brzina korozije (produžava razdoblje širenja korozije do početka pucanja betona).

Ova opcija ima nekoliko prednosti, kao što su:

- omogućuje inženjerima da smanje količinu cementa u mješavini u odnosu na količinu cementa potrebnu u propisanom pristupu, što umanjuje termičko i plastično pucanje jer manje cementa stvara nižu toplinu i rezultira smanjenim vremena sušenja betona nakon lijevanja
- omogućuje manju betonsku pokrivenost armature
- omogućuje inženjerima da koriste manje količine armature
- nastavlja pružati zaštitu od korozije ako se pojave pogreške u aplikaciji (nesavršeno lijevanje), ako je opcija 1. neuspješna.

Bliži pogled na tri projekta u specifičnom okruženju

Zbog svojih prednosti, pristup utemeljen na performansama imao je važnu ulogu u projektiranju tri različita infrastrukturna projekta u Izraelu: vanjskog amfiteatra, odvodnjavanja oborinske vode i tunela za hvatanje poplavne vode. Svaki od ovih projekata trebao je biti izrađen u umjereno teškim i teškim uvjetima, planirajući 100-godišnji vijek trajanja. Svaki je projekt slijedio konkretne strategije projektiranja temeljenog na performansama koje su specificirale migracijski inhibitor korozije (MCI) ili njegov ekvivalent.
U takvim okruženjima postoje nerazdvojive prednosti pristupa koje se odnose na performanse u pogledu vremena izgradnje, izravnih troškova i trajnosti. Prednost u vremenu izgradnje izražena je u obliku ugrađenih rješenja za pogreške u primjeni kao što su odvajanje, površinsko pucanje i nedovoljna pokrivenost armature, na koje izvođač radova ne treba trošiti vrijeme zbog eventualnih korekcija. Prednost u troškovima iskazuje se i u smanjenju troškova materijala (niži troškovi miješanja betona, manje dimenzije armature) i izbjegavanju troškova korekcija. Prednosti dugovječnosti ogledaju se u softveru za predviđanje životnog vijeka koji će detaljno biti objašnjen u ovome tekstu. Amfiteatar 'Park mira' izgrađen je u Mevaseret-Zionu, nedaleko od autoceste (slika 1) koja vodi od Tel-Aviva do Jeruzalema. Samo otprilike 200 m udaljenosti od ove glavne prometnice postojala je veća vjerojatnost rane karbonizacije, što bi moglo smanjiti prirodno visoko alkalno okruženje novog betona koji u početku štiti armaturu od korozije. Procjena je bila da mjesto ima umjereno agresivno kemijsko okruženje od izravnog izlaganja tlu. Ti su čimbenici klasificirali beton prema EN-206-1: Stupanj izloženosti XC-4 i XA-2, visoki nivo izloženosti betona atmosferiliju i utjecaju tla. Projekt je uključivao veliku količinu betona za izradu stuba i izradu platformi za sjedenje. U dolini Kulron projektiran je odvodni kanal za sabiranje sezonskih poplavnih voda ispod autoceste 90 u blizini Mrtvog mora. Tlo bogato sulfatom klasificiralo je stupanj izloženosti projekta na XA-3 (veliku agresivnost tla) prema tablici prve EN-206-1 (ekvivalentno IS 118, razina izloženosti 11). Okoliš je također bio izložen visokim temperaturama, a lijevanje vrlo debelih elemenata predstavljalo je veći rizik termičkog pucanja betona.
Projekt Kinnet odvodnog tunela također je klasificiran na nivo izloženosti XA-3 (velike agresivnosti tla), u skladu s EN-206-1 i IS-118. Tunel je projektiran za preusmjeravanje poplavnih voda iz regije Arava i Eilat. Predviđeni okoliš za izgradnju tunela je tlo vrlo bogato sulfatom izloženo visokim temperaturama. Uz to, meka voda u regiji je vrlo agresivna prema betonu i s vrlo jakim vodenim strujanjem uz prisutnost naplavina koje mehanički oštećuju beton.
Odvodni tunel skuplja vodu punu krhotina u otvorenom kanalu, a ambijent tunela je korozivan i iznutra i izvana.

Strategije za 100-godišnji vijek trajanja

Primjena i/ili specifikacija migrirajućih inhibitora korozije (MCI) ili njegovog ekvivalenta bili su sastavni dio izgradnje trajnosti svakog projekta i stvaranja isplative alternative nedostacima pristupa u ograničavajućim propisima. Dok su ograničavajuće vrijednosti konkretne projektne strategije nastojale povećati trajnost i smanjiti koroziju odgađajući izloženost armature korozivnim elementima, migrirajući inhibitori korozije (MCI) imaju važnu ulogu u odgađanju vremena nastanka korozije i smanjenju korozije. Ova će se tehnologija dodatno poboljšati upotrebom materijala i procesa kako bi se prije svega smanjilo pucanje betona i odolijevalo utjecaju sulfata.
Dodatak druge generacije migrirajućih inhibitora korozije (MCI) navedenih u ovim projektima temelji se na soli amin-karboksilata. Taj se elektrokemijski proces odvija na površini armature gdje ima afinitet prema metalu i tvori zaštitni molekularni sloj. Kada se prirodno zaštitno alkalno okruženje betona smanjuje ili kada vode, soli ili drugi korozivi prodiru kroz betonske pore ili pukotine, ovaj sloj migrirajućih inhibitora korozije ne dopušta normalan elektrokemijski proces koji bi inače omogućio korozivne reakcije na armaturi betona u prisustvu elektrolita.
Za drugu generaciju migrirajućih inhibitora korozije (MCI) kažu da potencijalno odgađaju pokretanje korozije dva do tri puta i smanjuju stupanj korozije nakon pokretanja 5 do 15 puta. Migrirajući inhibitor korozije naveden u ovim projektima udovoljava ASTM C1582, Standardnoj specifikaciji za inhibicije dodataka-Korozija armiranog čelika u betonu izazvana kloridom, rezultati fizičkih svojstava u zadanom vremenu, čvrstoća na tlak, čvrstoća na savijanje, skupljanje i trajnost smrzavanja/odmrzavanja. Također zadovoljava svojstva korozije prema ASTM G180, Standardnoj metodi ispitivanja korozije inhibicija dodataka čelika u betonu polarizacijskom otpornošću u cementnim suspenzijama (smanjena korozijska struja za faktor 10, dovođenje unutar zahtjeva da bude za 1/8 vrijednosti za kontrolne uzorke) – mikseri za rad.
Softver za predviđanje životnog vijeka može pomoći inženjerima da procijene vijek trajanja i troškove armiranobetonske konstrukcije na temelju parametara poput klime, dizajna smjese, vrste čelika za armiranje i dodataka koji inhibiraju koroziju. Migracijski inhibitori korozije (MCI) povećavaju životni vijek povećanjem praga utjecaja klorida, te usporavanjem korozije nakon što se ista pokrene. Korišteni migrirajući inhibitor korozije (MCI) povećao je prag klorida u softveru za predviđanje životnog vijeka s 0,05 posto na 0,18 posto. Također je povećao razdoblje širenja korozije pet puta u usporedbi s bazičnim slučajem, kao konzervativnu procjenu smanjenja brzine korozije u standardu ASTM-G109 Metoda ispitivanja za utvrđivanje učinaka kemijskih dodataka na koroziju armiranog čelika u betonu izloženom okruženju kloridima, ispitivanje proizvoda.
Prilikom izvođenja različitih receptura mješavina betona za izraelske infrastrukture projektirane softverom za predviđanje životnog vijeka, faktor betonske mješavine ima i očekivane karakteristike performansi migrirajućeg inhibitora korozije koji predviđa duži životni vijek u usporedbi s gušćom betonskom mješavinom, ali bez dodatnih troškova. Alternativna betonska mješavina zahtijevala bi čvrstoću C50/60 prema specifikacijama ograničavajućih vrijednosti, što bi zahtijevalo poseban cement i dovelo do loše obradivosti uz visoki rizik od hidratacijskog zagrijavanja, toplinskih pukotina i plastičnog pucanja - čimbenika koji su kontraproduktivni za trajnost. Također bi dodatna obrada bila kompliciranija s ograničenjima vrijednosti, a dodatna armatura bila bi potrebna za kontrolu širine pukotina prema EUROCODE-2, Projektiranje betonskih konstrukcija - dio 1-1: opća pravila i pravila za građevine i IS 466-1 , Konkretni kod: Opća načela.
Umjesto toga, dizajn temeljen na performansama omogućio je primjenu betona C 35/45, zahtijevajući manje cementa i manje armaturne vrijednosti nego za beton C 50/60. Cement rezistentan na sulfat također je određen za dodatnu trajnost dvaju projekata u okruženju s velikim sadržajem sulfata. Također, ovaj cement ima sporiji razvoj čvrstoće, što omogućava inženjerima da još više smanje hidratacijsko zagrijavanje. Konačno, čak i u slučaju naizgled neizbježnih grešaka u konstrukciji - poput površinskog pucanja, nekonstruktivne segregacije i nedovoljnog betonskog pokrivača - primjena migrirajućeg inhibitora korozije nudi automatski rješenje za ublažavanje rizika od korozije kako bi se konstruktoru značajno smanjili troškovi popravaka i održavanja u budućnosti.

Primjena spomenutih metoda u Sjedinjenim Američkim Državama

Ovi projekti pružaju uvid u postizanje trajnosti u USA. Slični uvjeti vjerojatno postoje u južnom obalnom okruženju u zemlji zbog visokih temperatura i veće vjerojatnosti visokog sulfatnog tla. Također je veća mogućnost izlaganja utjecaju mora s visokim sadržajem klorida. Faktori poput ovih moraju se uzeti u obzir prilikom izgradnje u takvim okruženjima. Na primjer, građevinska firma koja je projektirala novi hotel duž obale zaljeva Alabama razmotrila je razne mogućnosti izdržljivosti prije nego što se odlučila za migrirajući inhibitor korozije koji im je omogućio produljenje predviđenog životnog vijeka (u usporedbi s armaturom zaštićenom epoksi premazom) unutar izrade proračuna troškova. Sudeći prema primjerima izraelskih projekta, buduće građevine koje su suočene s visokim prisustvom sulfata u standardnim morskim sredinama mogu postići bolju izdržljivost kombiniranom primjenom migrirajućih inhibitora korozije (MCI), cementa otpornog na sulfat i betona C 35/45, a sve u cilju smanjenja pucanja betona i zahtjeva za dodatnom armaturom.
Primjenom migrirajućeg inhibitora korozije (MCI) u mješavini betona može se postići veća trajnost u situacijama koje mogu biti korozivne iako nisu izložene utjecaju mora, visokom sadržaju sulfata ili visokim temperaturama. Na primjer, sjeverne regije USA koje doživljavaju oštre zime s puno snijega i leda, opasne uvjete za vožnju saniraju primjenom velike količine soli za odmrzavanje. Ceste, mostovi, prilazi i parkirna mjesta izgrađeni u tim okruženjima podliježu smrzavanju, odmrzavanju, pucanju i prodiranju klorida što dovodi do teške korozije armiranobetonske konstrukcije. Dodavanje MCI u beton može produljiti životni vijek građevine uz minimalnu promjenu u izradi gotove betonske mješavine, osim neznatnog odgađanja planiranog vremena, što je ponekad prednost za građevinske radnike, ali moguće je izbjeći ako je to potrebno.
Druga primjena u kojoj migrirajući inhibitori korozije doprinose dugotrajnosti je rizik od područja lutajućih struja (podzemni armirani beton koji je ponovno učvršćen unutar 3 km kod električnog vlaka, cijevi sa sustavima katodne zaštite ili visokonaponski električni vodovi). Kako migrirajući inhibitori korozije formiraju na armaturi zaštitni molekularni sloj, armirani beton koji sadrži migrirajuće inhibitore korozije smanjuje stopu korozije s faktorom od tri do pet.

Zaključak

Izgradnja s većom trajnošću betonske infrastrukture u ekstremno teškim uvjetima je stalni izazov. Korištenje metode dizajna povezanog s performansama, kao što je učinjeno u tri izraelska infrastrukturna projekta, nudi dobru strategiju za produljenje životnog vijeka dugoročnim pristupom ublažavanja utjecaja korozije. Umjesto da samo odgodite koroziju odabirom strategije koja može zahtijevati dodatni cement i armaturu - uz minimalnu zaštitu nakon pucanja i korozije - ovdje opisani pristup temeljen na performansama minimizira pucanje, smanjuje potrebe materijala i pruža stalnu zaštitu od korozije čak i nakon pucanja. Sličan se pristup može prilagoditi konkretnoj infrastrukturi diljem USA, te na drugim mjestima u svijetu radi veće izdržljivosti u uvjetima utjecaja mora, velikom zasićenošću sulfatima, pa čak i u otežanim zimskim uvjetima.

Dodatne informacije

Cortec® Corporation je globalni lider u inovativnim, ekološki odgovornim VpCI® i MCI® tehnologijama za kontrolu korozije za pakiranje, obradu metala, graditeljstvo, elektroniku, obradu voda, naftu i plin i druge industrije. Sjedište Cortec® Corporation je u St. Paulu u Minnesoti. Cortec® proizvodi više od 400 proizvoda koji se distribuiraju širom svijeta i koji posjeduju certifikate ISO 9001, ISO 14001: 2004 i ISO 17025.

Obratite se tvrtki Cortec® Corporation ili CorteCros d.o.o. s pitanjima o primjeni i mogućnostima nabavke Cortec® MCI® sustava za zaštitu armiranobetonskih konstrukcija.

Saznajte više o MCI® proizvodima:
- Cortec web stranica: http://www.cortecvci.com
- CorteCros d.o.o. web stranica: http://www.cortecros.com