Dlaczego płyty z tlenku magnezu (płyty MgO) nie nadają się do tuneli

Płyty magnezowe, powszechnie nazywane płytami MgO, zyskały popularność w branży budowlanej ze względu na swoje właściwości ognioodporne, lekką konstrukcję i łatwość montażu. Te okładziny, często wzmocnione siatką z włókna szklanego, składają się zazwyczaj z tlenku magnezu (MgO) i chlorku magnezu (MgCl₂), tworząc spoiwo znane jako cement tlenochlorowy magnezu lub spoiwo magnezowe. Chociaż są one używane w ogólnych zastosowaniach budowlanych, takich jak ściany wewnętrzne lub fasady, najnowsze badania i wytyczne wskazują na istotne wady, które sprawiają, że nie nadają się one do stosowania w tunelach. Na podstawie badań dotyczących uszkodzeń budynków spowodowanych wilgocią oraz konkretnych zaleceń dotyczących ochrony przeciwpożarowej tuneli drogowych, w niniejszym artykule omówiono powody, dla których należy unikać stosowania płyt MgO w tunelach.

Niniejszy artykuł został przygotowany jako informacja dla inżynierów i operatorów tuneli, którzy rozważają zastosowanie tego typu produktów w swoich konstrukcjach. Informacje zawarte w niniejszym artykule opierają się na opiniach środowisk zawodowych i dokumentach cytowanych poniżej.

Jeśli nadal chcesz rozważyć zastosowanie płyt MgO w tunelach, po prostu przeprowadź prosty test – weź próbkę niepowlekanej/niepoddanej obróbce wersji produktu i umieść ją w pojemniku z wodą. Zobacz sam, jak długo wytrzyma.

Płyty MgO – ryzyko absorpcji wilgoci i korozji w środowiskach wilgotnych

Jedną z głównych obaw związanych z płytami z tlenku magnezu jest ich skłonność do pochłaniania wilgoci z powietrza, szczególnie w warunkach wysokiej wilgotności. Badanie przeprowadzone przez naukowców z Politechniki Duńskiej, opublikowane w materiałach z międzynarodowej konferencji RILEM poświęconej materiałom, systemom i konstrukcjom w inżynierii lądowej w 2016 r., udokumentowało powszechne uszkodzenia spowodowane wilgocią w nowych i odnowionych budynkach duńskich, w których płyty MgO zostały użyte jako okładzina w wentylowanych fasadach. Zimą 2014/15 płyty te zaczęły wykazywać oznaki uszkodzeń, w tym tworzenie się kropli wody na ich powierzchni — często opisywanych jako „łzy” — zawierających wysokie stężenia rozpuszczalnych jonów chlorkowych.

Mechanizm leżący u podstaw tego problemu wynika ze składu płyt. Płyty MgO pochłaniają wilgoć z otoczenia, gdy wilgotność względna (RH) osiąga poziom 90-100%, co prowadzi do wypłukiwania jonów chlorkowych ze spoiwa z oksychlorku magnezu. Te słone krople nie tylko spływają po płytach, ale także kapie na sąsiednie konstrukcje, powodując korozję metalowych elementów mocujących, kotew i innych komponentów. W przypadku Danii metalowe elementy mocujące uległy silnej korozji w ciągu zaledwie kilku lat, a na pobliskich elementach, takich jak izolacja i konstrukcje drewniane, zaobserwowano rozwój pleśni. Badanie obejmowało również analizę właściwości płyt w zakresie absorpcji i desorpcji wilgoci, potwierdzając, że uwalniają one znaczne ilości wody zawierającej chlorek, co pogłębia uszkodzenia w przestrzeniach zamkniętych lub półzamkniętych.

Tunele z natury rzeczy są narażone na wysoką wilgotność ze względu na ograniczoną wentylację, przesiąkanie wód gruntowych i kondensację. Wytyczne dotyczące projektowania konstrukcji tuneli drogowych i budynków tunelowych, wydane przez Departament Dróg w Hongkongu w marcu 2023 r., podkreślają potrzebę stosowania trwałych materiałów w takich środowiskach, zwracając uwagę, że projekty tuneli muszą uwzględniać długotrwałą ekspozycję na wilgoć. W warunkach tunelu problemy związane z absorpcją wilgoci obserwowane w fasadach budynków ulegają spotęgowaniu. Chlorek wypłukiwany z płyt tlenku magnezu może powodować korozję kluczowych wzmocnień stalowych, wentylatorów strumieniowych, korytek kablowych i kotew, prowadząc do przedwczesnej awarii konstrukcji i zwiększonych kosztów konserwacji. W przeciwieństwie do fasad na świeżym powietrzu, tunele są przestrzeniami zamkniętymi, w których trudniej jest ograniczyć gromadzenie się wilgoci, co może potencjalnie przekształcić niewielkie wycieki w rozległą degradację.

CWCT ( Centre for Window and Cladding Technology – Centrum Technologii Okien i Okładzin) w Wielkiej Brytanii opublikowało również kilka notatek technicznych na temat płyt z tlenku magnezu:

Tłumaczenie fragmentu na język polski:
Problem ten staje się szczególnie poważny, gdy płyta MgO jest zakryta, przez co efekt wyciekania nie jest widoczny, dopóki nie osiągnie poważnego stopnia. W tym momencie może już dojść do uszkodzenia konstrukcji elementów metalowych stykających się z płytą MgO i sąsiadujących z nią. W przypadkach zgłoszonych w Danii, Kanadzie i Australii konieczne było przeprowadzenie szeroko zakrojonych prac naprawczych w celu wymiany płyt MgO i uszkodzonych elementów konstrukcyjnych.

Główni brytyjscy dostawcy gwarancji, tacy jak NHBC (National House Building Council) i LABC (Local Authority Building Control), około kwietnia 2020 r. zaprzestali ubezpieczania nowych domów, w których zastosowano płyty z tlenku magnezu (MgO), ze względu na poważne problemy z wydajnością, w tym uszkodzenia spowodowane wilgocią, korozję, pleśń i pękanie, co stanowi wysokie ryzyko dla długoterminowej integralności strukturalnej i unieważnia gwarancje na nowe budynki dla projektów, których fundamenty rozpoczęto po tej dacie.

Kwestie bezpieczeństwa przeciwpożarowego i uwalnianie toksycznych gazów

Oprócz problemów związanych z wilgocią, płyty MgO stwarzają poważne zagrożenie w przypadku pożaru, co ma kluczowe znaczenie w przypadku tuneli. Grupa robocza 6 ds. konserwacji i napraw Międzynarodowego Stowarzyszenia Tuneli i Przestrzeni Podziemnych (ITA) w swoim raporcie z 2017 r. dotyczącym ochrony przeciwpożarowej tuneli drogowych wyraźnie klasyfikuje materiały na bazie chlorowodorku magnezu jako nieodpowiednie do ochrony przeciwpożarowej w tunelach. Płyty te, często sprzedawane jako „magnez wzmocniony włóknem” lub „tlenek magnezu z krzemianami i dodatkami”, zawierają chlorki, które stwarzają zagrożenie techniczne i zagrożenie dla życia.

Podczas pożaru płyty MgO mogą uwalniać gazowy chlorowodór (HCl), który jest substancją wysoce toksyczną i żrącą. Gaz ten nie tylko pogarsza warunki panujące w tunelu, stwarzając zagrożenie dla ewakuowanych i ratowników, ale także przyspiesza korozję otaczających elementów metalowych. Raport ITA podkreśla, że narażenie na wysokie temperatury powoduje rozkład płyt, uwalniając HCl, który może pogorszyć widoczność, podrażniać układ oddechowy i utrudniać działania ratownicze. Niezależne badania cytowane w raporcie, w tym badania przeprowadzone w Australii, wskazują, że materiały te zagrażają trwałości i bezpieczeństwu tuneli, zwłaszcza w warunkach wysokiej wilgotności, gdzie już teraz występuje problem wymywania chlorków.

Tunele są środowiskami wysokiego ryzyka pożarowego ze względu na ruch pojazdów, ładunki paliwa i ograniczone drogi ewakuacyjne. W wytycznych dla Hongkongu podkreślono znaczenie okresów odporności ogniowej (FRP) i barier termicznych, które mogą wytrzymać ekstremalne warunki bez naruszania integralności strukturalnej. Płyty z tlenku magnezu, choć są ognioodporne w kontrolowanych warunkach budowlanych, nie spełniają tych rygorystycznych wymagań w tunelach. Ich rozkład pod wpływem intensywnego ciepła może przyspieszyć rozprzestrzenianie się ognia, spowodować wydzielanie gęstego dymu i wytworzyć toksyczne opary, naruszając normy bezpieczeństwa życia określone przez organizacje takie jak PIARC (Światowe Stowarzyszenie Dróg) i ITA.

Wyzwania związane z konserwacją i trwałością w zastosowaniach tunelowych

Konstrukcje tuneli wymagają wyjątkowej trwałości, a ich żywotność projektowa często przekracza 100 lat, zgodnie z wytycznymi Hongkongu. Najważniejsze są kwestie związane z konserwacją, w tym zapewnienie dostępu do inspekcji, wodoodporność i odporność na czynniki środowiskowe. Duńskie badania wykazały, że płyty MgO nie tylko powodują bezpośrednie uszkodzenia poprzez wilgoć, ale także pośrednie problemy, takie jak rozwój pleśni, która może rozprzestrzeniać się w wilgotnym, słabo oświetlonym wnętrzu tunelu.

W tunelach, gdzie rutynowe kontrole są trudne i kosztowne, stosowanie płyt z tlenku magnezu wymagałoby częstych interwencji w celu usunięcia korozji lub uszkodzeń spowodowanych wodą. Raport ITA ostrzega, że wypłukiwanie chlorków ma negatywny wpływ na długoterminową trwałość, co może prowadzić do kosztownych napraw, a nawet zamknięcia tunelu. Substancje organiczne, które czasami znajdują się w tych płytach, mogą dodatkowo sprzyjać rozwojowi organizmów biologicznych, pogłębiając problemy higieniczne i konstrukcyjne.

Ograniczona przestrzeń tuneli potęguje te problemy w porównaniu z budynkami. Na przykład w wentylowanych fasadach nadmiar wilgoci może wyparować lub spłynąć, ale w tunelach może się gromadzić, prowadząc do utrzymującej się wilgoci i przyspieszonej degradacji. Wytyczne zarówno ITA, jak i Departamentu Dróg w Hongkongu zalecają stosowanie materiałów takich jak płyty krzemianowo-wapniowe lub natryski wermikulitowo-cementowe, które zapewniają lepszą odporność na wilgoć i ogień bez wad związanych z chlorkami.

Wnioski

Chociaż płyty MgO mogą wydawać się atrakcyjne ze względu na ich opłacalność i odporność ogniową w budownictwie ogólnym, dowody pochodzące z rzeczywistych zastosowań i wytyczne ekspertów wyraźnie wskazują na ich nieodpowiedniość do stosowania w tunelach. Absorpcja wilgoci prowadząca do wymywania chlorków, korozji i pleśni, uwalnianie toksycznego HCl podczas pożarów oraz długoterminowe obciążenia związane z konserwacją sprawiają, że są one ryzykownym wyborem w tych krytycznych projektach infrastrukturalnych. Projektanci i inżynierowie tuneli powinni stosować się do zaleceń organów takich jak ITA i władz lokalnych, wybierając zamiast tego sprawdzone, wolne od chlorków materiały, które zapewniają bezpieczeństwo, trwałość i niezawodność działania. Unikając płyt z tlenku magnezu, możemy lepiej chronić życie i inwestycje w podziemne sieci transportowe.

Źródła:

Carsten Rodea*, Tommy Bunch-Nielsenb, Kurt Kielsgaard Hansena, Bent Grelk – Płyty z tlenku magnezu powodują uszkodzenia spowodowane wilgocią wewnątrz fasad nowych budynków w Danii

ITA – Ochrona przeciwpożarowa konstrukcji w tunelach – Grupa robocza 6 – Konserwacja i naprawy

Wytyczne dotyczące projektowania konstrukcji tuneli drogowych i budynków tunelowych, które mają być konserwowane przez HyD

Stefanie Wøhler Nielsen, Carsten Rode,*, Tommy Bunch-Nielsen, Kurt Kielsgaard Hansen, Wolfgang Kunther i Bent Grelk – Właściwości płyt z tlenku magnezu stosowanych jako okładziny ścian zewnętrznych

CWCT – Nota techniczna – Zastosowanie płyt MgO w przegrodach zewnętrznych budynków