Měření vlivu ovzduší na ostění tunelu a ocelové vnitřní vybavení

Měření vlivu ovzduší na ostění tunelu a ocelové vnitřní vybavení J. Svoboda, M. Hnilička

PRAGOPROJEKT, a.s., Praha, Česká republika

SOUHRN: Článek vznikl na základě dokumentace zpracovávající výsledky měření kvality ovzduší v již provozovaném dálničním tunelu Horelica. Tato měření si vyžádala nutnost stanovení vlivu ovzduší při předpokládaných intenzitách provozu na jednotlivé stavební a technologické prvky v tunelech na Silničním okruhu kolem Prahy (stavby 513 a 514). Slovenský tunel Horelica na slovenské dálnici D3 byl vybrán z důvodu podobné skladby a intenzity dopravního proudu a bylo zde provedeno týdenní kontinuální měření bez přerušení provozu v tunelu. Měření zajistil Zdravotní ústav se sídlem v Ostravě a provedl také předběžné vyhodnocení výsledků. Největším problémem se ukazuje vliv agresivního prostředí na ocelové konstrukce, které mj. slouží k uchycení veškeré technologie uvnitř tunelu. Z výsledků byla podle norem určena korozní agresivita. Výsledek ukazuje na vysokou agresivitu, před kterou je nutné ocelové prvky chránit vhodným protikorozním opatřením. Dle oslovených specialistů je třeba se vyvarovat nátěrů na bázi zinku či zinkových sloučenin, protože mohou způsobovat tenzi vodní páry a tím delší expozici vlhkosti. V článku je proto návrh dvou u nás dosud nevyužívaných opatření protikorozní ochrany. Jedná se o plastové potažení konstrukcí dveří, které je již v současnosti v tunelech v zahraničí používáno a o speciální nátěry plněné skleněnými vločkami (dosud používané pouze pro lodní výrobu). V prvním případě je nutné vyřešit problémy s požární odolností takto upravených konstrukcí, v druhém by bylo nutné začít s podrobným dlouhodobějším výzkumem těchto pro stavebnictví nových materiálů. Další část článku se zabývá vlivem agresivního prostředí na betonové a především železobetonové konstrukce, u kterých se objevuje nejen koroze výztuže ale i samotného betonu. Závěrem je vysvětlena lepší odolnost vůči korozi betonu, kterou se vyznačují vyšší pevnostní třídy betonu. Výsledky provedeného měření ukázaly na problematické působení zplodin z automobilů a chemických rozmrazovacích látek zavlečených do tunelu a především upozornily na nutnost podrobněji se tomuto tématu věnovat.

1 ÚVOD Na základě požadavku objednatele Ředitelství silnic a dálnic ČR byl PRAGOPROJEKT, a.s. pověřen zajistit kontrolní měření kvality ovzduší v dálničním tunelu a následně, dle výsledků měření, posoudit zda navržené materiály pro sanační opravy def. ostění tunelů na stavbách 513 a 514 Silničního okruhu kolem Prahy (SOKP), materiál vlastního definitivního betonového ostění tunelu včetně nátěrů (ochranná vrstva a sjednocující nátěr ve vrcholu tunelu) a kovové prvky v tunelových troubách mají dostatečnou odolnost vůči účinkům vlastního prostředí v tunelu. Cílem měření byla realizace kontrolního měření kvality ovzduší se zaměřením na korozní agresivitu kyselých výfukových plynů vůči betonu, nátěrům a také kovům v provozovaném dálničním tunelu, který má obdobnou skladbu dopravního proudu vozidel jako tomu bude u dálničních tunelů na SOKP. Zde se předpokládá skladba dopravního proudu ve složení 50 % nákladní vozidla a 50 % osobní vozidla. Jedná se o průměrnou hodnotu během celého dne. Ve dne jezdí více osobních vozidel, v noci jezdí více nákladních vozidel. Takový dopravní proud není v městských tunelech v Praze ani v Brně a na provozovaných dálničních tunelech Valík, Libouchec, Panenská a Klimkovice v současné době dosahuje dopravní proud maximálně cca 8-10 tis. vozidel za 24 hod.

Proto měření proběhlo v dálničním tunelu Horelica. Jedná se o obousměrný dálniční tunel na dálnici D3 na západním Slovensku u města Čadca. Stavebně tunel tvoří jedna obousměrná tunelová trouba kategorie T9,5 převážně ve sklonu 4 %. Tunel je v provozu více než 4 roky a je velmi zatížen intenzivní dopravou (cca 20-25 tis. vozidel za 24 hod) se skladbou dopravního proudu cca 50 % osobní vozidla a 50 % nákladní vozidla. Tato skladba dopravního proudu odpovídá předpokladům dopravního zatížení na stavbách SOKP 513 (tunel Komořany) a 514 (tunel Lochkov). 2 REALIZACE MĚŘENÍ Vlastní měření proběhlo ve výklenku tunelu u propojky č. 2 na chodníku. Měření bylo průběžné po dobu 1 týdne od 12.5. do 19.5.2009. V průběhu vlastního měření nedošlo k zastavení dopravy v tunelu, pouze při instalaci a demontáži sond, které byly prováděny přes únikovou chodbu a propojku č. 2, byla vždy po dobu cca 2 hodin snížena rychlost na 40 km/hod. Měření bylo provedeno speciální přenosnou technikou, která umožňuje 24 hodinovým odběrem kontinuální sledování koncentrací SO2, NOx, CO, CO2, přízemního O3 a prašnosti TSP/PM10/PM2,5. Souběžně byla sledována teplota, vlhkost a rychlost proudění vzduchu. Vzhledem k dopravní zátěži bylo nutné monitorovat také koncentraci kyselých složek 1

tj. chloridy HCl, Cl2, SO3/ H2SO4, CO2, H2S a HNO3 (tab. 1). Měření kvality ovzduší zajistil Zdravotní ústav se sídlem v Ostravě, odborným garantem je Mgr. Jiří Bílek. Zdravotní ústav v rámci zpracování výsledků provedl také základní vyhodnocení odebraných vzorků. Tabulka 1. Rozsah měření ______________________ Činnost počet 24 hod. měření ___________________________________________ 7 SO2, NO/NO2/NOx, CO, O3 H 2S 7 CO2 7 Prach TSP/PM10/PM2,5 7 teplota, vlhkost a rychlost proudění vzduchu 7 SO3/ H2SO4 7 Cl2 7 Chloridy (v TSP i v roztoku)/HCl 14 HNO3 7 odběrová činnost 7 technický dozor, pracovníci 7 interpretace/porovnání s limity volného ovzduší 1 ___________________________________________

3 KOROZNÍ AGRESIVITA PROSTŘEDÍ Korozní agresivita atmosféry je schopnost atmosféry vyvolávat korozi v daném korozním systému (např. atmosférickou korozi příslušného kovu či slitiny). Stupeň korozní agresivity je technickým údajem, který je základní informací pro výběr materiálů a systémů ochran pro atmosférická prostředí s přihlédnutím ke způsobům použití a zejména k požadované životnosti systému ochrany či výrobku. Kovy, slitiny a kovové povlaky mohou podléhat atmosférické korozi, jsou-li jejich povrchy ovlhčeny. Povaha a stupeň napadení budou záviset na vlastnostech povrchových elektrolytů, a to zejména ve vztahu k úrovni a druhu plynných a pevných znečištění atmosféry a k době, po kterou tyto elektrolyty působí na kovovém povrchu. Údaj o korozní agresivitě atmosféry má základní význam pro odvození a specifikaci optimální korozní ochrany výrobků.

Dle výsledků měření v tunelu Horelica bylo provedeno předběžné zatřídění stupně korozní agresivity dle platné ČSN ISO 9223. Tato norma neuvažuje vlivy konstrukčního uspořádání a provozu výrobku, které mohou ovlivnit jeho korozní odolnost. Tyto vlivy jsou vysoce specifické a nemohou být zobecněny. Norma udává dva způsoby odvození stupně korozní agresivity dané lokality (Obr. 1). Jedním je klasifikace založená na stanovení korozních rychlostí standardních kovových vzorků, která vyžaduje dlouhodobá měření in-situ. Výsledky těchto měření jsou vypovídající po minimálně půlročním působení prostředí na vzorky. Vzhledem k postupu výstavby nelze tuto metodu uplatnit. Druhá klasifikace je odvozená z vlastností prostředí podle údajů o době ovlhčení a úrovni znečištění. Pro tuto klasifikaci jsou rozhodujícími korozními činiteli atmosféry pro kovy a slitiny doba ovlhčení a úrovně znečištění oxidem siřičitým (SO2) a vzdušnou salinitou. Jiné druhy znečištění (oxidy dusíku (NOx) a průmyslový prach v osídlených a průmyslových oblastech) nebo specifická a technologická znečištění mikroklimat (chlor (Cl2), sirovodík (H2S), organické kyseliny, rozmrazovací prostředky) mohou též vyvolávat korozní jevy. Tyto druhy znečištění nebyly použity jako klasifikační kritéria. Ve smyslu této normy se ostatní druhy znečištění považují za doprovodná (např. oxidy dusíku (NOx) v městských atmosférách) nebo specifická provozní (např. páry kyselin v provozních mikroklimatech). Výsledky měření udávají hodnoty SO2, ale salinita prostředí, kterou norma hodnotí podle přítomnosti chloridů, nebyla v tunelu Horelica měřena. Ovlhčení povrchů je vyvoláno mnoha činiteli (relativní vlhkostí a větráním v tunelu), takže z výsledků měření lze zhruba vypočítat dobu ovlhčení jako dobu, kdy je relativní vlhkost vyšší než 80 při teplotě vyšší než 0°C. Tedy dle ČSN ISO 9223: jednotlivé denní průměry SO2 jsou dle výsledků měření vysoké (zdroj těchto koncentrací se nepodařilo jednoznačně určit). Hodnoty ale nepřesahují hranici 90 μg/m3, což odpovídá stupni P2 (střední stupeň) klasifikovanému intervalu úrovně znečištění sirnými sloučeninami reprezentovanými SO2. Vzdušnou salinitu reprezentovanou chloridy z výsledků měření určit nelze a vypočítaná doba ovlhčení z relativní vlhkosti odpovídá cca 14,5 %, což lze klasifikovat jako interval τ3. Tabulka 2. Stupně korozní agresivity atmosféry* ____________________________________ Stupeň Korozní agresivita ____________________________________ C1 velmi nízká C2 nízká C3 střední C4 vysoká C5 velmi vysoká ____________________________________ * Dle ČSN ISO 9223

Obrázek 1. Způsoby odvození stupně korozní agresivity dle ČSN ISO 9223

2

Stupeň korozní agresivity (Tab. 2) je na základě zjištěných měření a zkušeností (Tab. 3) určen jako

stupeň C4 (vysoká korozní agresivita), a to i přes nedostatek údajů o salinitě prostředí.

Tabulka 3. Popis typických prostředí pro odhad stupňů korozní agresivity (dle ČSN EN 12500)

Podle Technicko-kvalitativních podmínek (TKP 19 B) je tento stupeň podmíněn pravidelným čištěním, kontrolou a údržbou kovových segmentů vystavených působení vnitřní atmosféry v tunelu, případnou obnovou PKO. Proto je nutné provádět pravidelné mytí tunelových trub tak, aby na povrchu kovových výrobků nezůstávaly agresivní soli (např. ze zimní údržby silnic) či prachové částice, které pomáhají kondenzaci vlhkosti. Tabulka 4. Doporučené intervaly údržby pro údržbu stavebních konstrukcí (TP 154) ____________________________________________ Konstrukce Interval čištění ________________________________________ Čištění tunelu půlročně Čištění městského tunelu 1x za 4 měsíce Čištění VZT chodeb ročně Kabelové chráničky každé 2 roky Šachty každé 2 roky Čištění mimo tunelové zařízení ročně ___________________________________________

Dle Technických podmínek TP 154 (Provoz, správa a údržba tunelů pozemních komunikací) se provádí pravidelná údržba tj. čištění a mytí tunelu minimálně 3x za rok (Tab. 4). Důraz na čištění je kladen především po zimním provozu. Veškeré požadavky na údržbu jsou soustředěny v dokumentaci nazývané Provozní dokumentace, která je zpracová-

vána k uvedení tunelu do provozu. Dokumentace je pravidelně doplňována a upřesňována zejména na základě výsledků „hlavních prohlídek.“ Podle TKP 19 B se pro silniční objekty běžně stanovuje korozní agresivita prostředí ve stupni C4 a současně se ukládají pro údržbu objektu takové podmínky, aby nedošlo k jejímu překročení. Podle TKP 19 B, tabulky III. v příloze 19B.P4 musí být současně pro předpokládané zvláště exponované povrchy určeny stupně speciálního korozního namáhání. Volba PKO je rovněž předepsána TKP 19 B. Pokud není pravidelným měřením a údržbou v objektu vyloučena přítomnost rozpustných solí (např. chloridů, zvenčí zavlečených chemických rozmrazovacích látek (CHRL) a podobně), je nutná opatrnost při volbě protikorozních ochran na bázi kovového zinku a některých zinkových sloučenin (např. zinková běloba), za určitých okolností může korozními procesy vznikat chlorid zinečnatý, který vytváří na opatřených površích roztok, vysoce snižující tenzi vodních par (až k 10 %), což velmi prodlužuje dobu ovlhčení povrchů (až na 100 %) a zvyšuje korozní agresivitu prostředí. Podobné účinky na dobu ovlhčení mají např. chlorid sodný, který snižuje tenzi (vodní) páry k 75 % nebo chlorid vápenatý který tenzi snižuje pod 30 %. Povrchy opatřené zinkovými povlaky (žárové pozinkování v tavenině, žáro3

vý nástřik zinku) by měly být překryty účinným odolným (duplexním) nátěrem, zinkové základní barvy raději nevolit, jsou možná jiná vysoce účinná řešení. Platný dokument TKP 19 B taková řešení předpokládá a umožňuje. Další znečištění, která se v tunelu objevují ČSN ISO 9223 nepoužívá jako klasifikační kritérium ale jejich vliv může být významný. Vysokých koncentrací dosahují oxidy dusíku, jejichž zdrojem jsou spalovací procesy. Vzhledem ke složitému chemismu je možné, že jejich přítomnost v atmosféře tunelu může způsobovat další reakce (tvorba kyselin atd.). Z toho plyne návrh projektanta, že vzhledem k pravděpodobné přítomnosti solí chloru (chloridů) se nedoporučuje zinková úprava kovových výrobků ani nátěry s obsahem zinku. Zinek s chloridy reaguje a způsobuje trvalou přítomnost vody (tenký film) na povrchu materiálu, který zvyšuje ovlhčení materiálu a tím jeho rychlejší korozi. Pro předpokládané agresivní prostředí tunelu se doporučuje duplexní systém ochrany kovových částí, nejlépe s použitím nátěrů bez zinku, které jsou navíc šetrnější k ovzduší. Konstrukce by měly být provedeny z nerezových materiálů se zvýšeným obsahem molybdenu, který má velmi příznivý účinek na zlepšení ochranných vlastností pasivující vrstvy. Konstrukce by měly být navíc ochráněny plastovým nátěrem. Toto PKO se využívá na některých tunelech v zahraničí. Konzultací s Ing. Sigmundem specialistou z firmy Mott MacDonald byl navržen nový způsob řešení, kterým je povrchová úprava klasických ocelových konstrukcí pomocí nátěrů EP a EPGF. Jde o vysokosušinové epoxymastixové či epoxidové barvy, případně plněné skleněnými vločkami (Glass Flakes). Mají vysokou přilnavost i na hladké povrchy, jsou vysoce odolné mechanicky, proti povětrnostním vlivům i proti vlhkosti. Nátěry mají dlouhodobou životnost - předpokládaná životnost nátěrů je přes 15 let. Tyto systémy zatím u nás nebyly při výstavbě silničních a dálničních komunikací používány, ale na obdobných stavbách v zahraničí se osvědčily. Běžně se používají na vodních stavbách, v chemickém průmyslu, při konstrukci letadlových lodí a dalších náročných ocelových konstrukcí v přístavech, při těžbě surovin v mořském šelfu apod. Proto doporučujeme podrobnější zjištění jejich vlastností a využití při výstavbě dopravních staveb (např. formou grantu nebo přímo zadání výzkumu a zkoušek na ČVUT). 4 POVRCHOVÁ ÚPRAVA NEREZOVÝCH KONSTRUKCÍ (DVEŘÍ) Plastová ochrana nerezových dveří je z požárních důvodů možná na ploše do tl. 1,5 mm avšak nikoliv na okrajích (hranách). Musí být v celém rozsahu stejného druhu a stejné tloušťky. K takto provedené povrchové úpravě se nepřihlíží při řešení Požární odolnosti, pokud daná povrchová úprava má normovou výhřevnost menší než 15 kN/m2 – článek 8.14.1.

ČSN 73 0802. Plastová ochrana větší jak 1,5 mm, se musí zkoušet jako součást zkušebního vzorku. Další možností zlepšení životnosti a zjednodušení následné údržby konstrukcí v tunelu je provedení betonových (cementobetonových) zárubní. Zárubně není potřeba opatřovat PKO a jejich životnost je vzhledem ke korozní agresivitě prostředí delší než životnost klasických kovových zárubní. Tyto zárubně nejsou v současné době běžně vyráběny, ale pravděpodobně by bylo možné dohodnout při větším objemu jejich produkci. 5 POSOUZENÍ DEFINITIVNÍHO ŽELEZOBETONOVÉHO OSTĚNÍ TUNELŮ Na ostění tunelů tak jako na ostatní stavební konstrukce působí řada vnějších činitelů, které snižují jejich trvanlivost. V prostředí tunelů na pozemních komunikacích kromě mechanických vlivů reprezentovaných změnami teplot a vlhkosti, případně působením mrazu též významně působí vlivy chemické představované plynnými exhalacemi z provozu silničních vozidel. Dle TKP kapitola 24 Tunely se definitivní konstrukce (trvalé ostění) tunelů, galerií a podzemních staveb v RDS navrhují a při stavbě provádějí na předpokládanou minimální životnost 100 let. Trvanlivost je přitom pojem poměrně neurčitý, obyčejně se jí míní časové období, ve kterém projevy vnitřních a vnějších činitelů nezpůsobí takové zhoršení vlastností materiálu, které by ohrozilo jeho funkci ve stavební konstrukci. Beton ostění patří mezi látky složené - kompozitní, u kterých vzniká snížení užitných vlastností už napadením jednotlivých složek. To znamená, že degradační procesy je nutné sledovat jak v samotné matrici, tak i v plnivu zrnitém, vláknitém či v jejich vzájemné kombinaci. Degradační procesy, při kterých dochází k vzájemným reakcím mezi stavební hmotou – betonem a obklopujícím prostředím jsou obecně charakterizovány pojmem koroze betonu. Výsledkem korozivního působení vnějšího prostředí je postupné znehodnocení materiálu. V případě prostředí tunelů, při spalování ropných látek – nafty a benzínu vnikají exhalace zastoupené oxidy uhlíku (CO a CO2), oxidy dusíku (NO a NO2) oxid siřičitý a prachové částice – viz výsledky měření ovzduší v tunelu Horelica. Koncentrace primárního NO měřená v tunelu je velmi vysoká a v čase se příliš nemění. NO je velmi reaktivní a je odpovědný za řadu procesů např. tvorbu kyselin (např. HNO3) nebo organických sloučenin. Ve venkovním prostředí, zejména díky ozónu rychle přechází na méně aktivní NO2. Ozón v tunelu však nemůže být, proto nedochází k razantní konverzi. Nebezpečnost oxidů jednotlivých prvků pro beton tkví v tom, že po reakci se vzdušnou vlhkostí tvoří kyseliny, které pak mají vliv na korozi betonu. Beton je napadán řadou látek, které působí na jeho strukturu a vlastnosti. Pronikání do struktury betonu 4

probíhá kapilární pórovitostí difuzí vodních par a přítomných plynů. Nejslabším místem v betonovém kompozitu je cementový kámen. Beton rozrušují kyseliny, které tvoří s vápníkem lehce rozpustné sloučeniny. Důsledkem hydrolýzy působí soli silných kyselin a slabých zásad jako kyselé roztoky. Ke korozivním reakcím patří výměny iontů, kdy Ca2+ je v cementovém kameni nahrazováno ionty Mg2+, NH+4. Touto výměnou se snižují pevnostní charakteristiky betonu, neboť vzniklé sloučeniny vytvářejí pórovitou strukturu. Výměna iontů je spojena s rozpadem a novou tvorbou sloučenin. Koroze betonu vyvolaná objemovými změnami novotvarů vede k tvorbě trhlinek v důsledku vysokého napětí, které vytváří nově krystalizující sloučeniny. Problematice ochrany před korozí u železobetonových ostění tunelů je tedy nutné věnovat mimořádnou pozornost při návrhu i vlastní realizaci těchto konstrukcí. Intenzita působení těchto vlivů v daném prostředí přímo závisí na vlastnostech betonu ostění. Z principu difuzního pronikání vodních par a plynů do struktury betonového kompozita tedy platí, že odolnost proti korozi je daná zejména pórovitostí cementového tmele a velikostí napadeného povrchu betonu ostění. Splnění požadavků na mechanické vlastnosti ostění z titulu únosnosti je v těchto případech považováno méně významné a rozhodujícím kritériem je hledisko zajištění požadované odolnosti tj. trvanlivosti. Pro dopravní a jiné významné stavby ČSN EN 206-1 uvažuje s životností 100 let. Tomuto parametru pro předpokládané stupně prostředí XD3 a XF4 norma předepisuje zajištění min. pevnostní třídy betonu C 30/37 – viz tab. F.2. ČSN EN 2061/Z3. V podobném duchu jsou stanoveny požadavky na vlastnosti betonu pro stavby pozemních komunikací v TKP 18, tab. 18-3. Hledisko pevnosti též reprezentuje požadavek na hutnost, resp. omezení pórovitosti struktury betonu. Ve standardních podmínkách je obecně zvyšování pevnosti betonu dosahováno snižováním jeho pórovitosti. Opodstat-

něnost min. třídy betonu C 30/37 (tedy nárokovaná hutnost), která byla v rámci RD SOKP 513 a zhotovení díla použita pro zajištění požadované odolnosti vyplývá i z praktických technologických zkušeností prezentovaných na řadě tématických konferencí i v knižních publikacích. 6 ZÁVĚR V provozovaných dálničních tunelech bohužel rychle dochází ke korozi materiálů a náklady na údržbu nadále stoupají. V tunelu je třeba navrhovat takové konstrukce, které splní základní požadavek na životnost tunelové stavby - tj. 100 let na samotnou stavbu a 30 let na vyměnitelné části. LITERATURA: PRAGOPROJEKT, a.s., 04/2009, Měření kvality ovzduší – technická zpráva Zdravotní ústav se sídlem v Ostravě, 06/2009, Měření kvality ovzduší – výsledky měření PRAGOPROJEKT, a.s., 07/2009, Měření kvality ovzduší Braun, Václav, 2009, dodatky k TZ Sigmund, Jaroslav, 2009, dodatky k TZ ČSN ISO 9223 Koroze kovů a slitin - Korozní agresivita atmosfér – Klasifikace ČSN EN 12500 Ochrana kovových materiálů proti korozi Pravděpodobnost koroze v atmosférickém prostředí - Klasifikace, stanovení a odhad korozní agresivity atmosférického prostředí ČSN EN 206-1 Beton - Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda Technické kvalitativní podmínky staveb PK – kapitola 18, Beton pro konstrukce Technické kvalitativní podmínky staveb PK – kapitola 19, část B – Protikorozní ochrana ocelových mostů a konstrukcí Technické kvalitativní podmínky staveb PK - kapitola 24 Tunely

5