Post on 30-Mar-2018
transcript
KKS mit Textilbeton
Dipl.-Ing. Amir Asgharzadeh
Institut für Bauforschung RWTH Aachen / Deutschland
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Raupach
Institut für Bauforschung RWTH Aachen
Deutschland
Dipl. Chem. Detlef Koch
Koch GmbH / Kreuztal / Deutschland
Zusammenfassung
Parkhäuser sind ein integraler Bestandteil unserer Infrastruktur, dessen Nutzungsdauer in der Regel 50 - 100 Jahre
beträgt. Chloridinduzierte Korrosion der Stahlbewehrung durch den Eintrag von Tausalzen erfordert allerdings häufig
bereits nach 20-25 Jahren substantielle Instandsetzungsarbeiten. Der instandgesetzte Bereich unterliegt durch den
Verkehr besonderen Beanspruchungen.
Eine Möglichkeit der Instandsetzung besteht in der Installation eines KKs-Systems. Der derzeitige Stand der Technik ist
die Verwendung von Fremdstromanoden zum Schutz der Stahlbewehrung. Die KKS Anoden können entweder als
Einbett- oder Oberflächenanoden mit Stromanschluss ausgeführt werden.
Heutzutage wird aufgrund seiner Beständigkeit hauptsächlich beschichtetes Titanmischoxid als Anodenmaterial
verwendet. Neue Materialien, wie z.B. Carbon, werden derzeit noch erforscht. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens
wurden verschiedene Kohlefaseranodenmaterialien und Einbettmörtel hinsichtlich ihrer Eignung für den KKS
untersucht. Die Verwendung von Kohlefasern als Anodenmaterial ist aufgrund der mechanischen Eigenschaften und der
Leitfähigkeit von besonderem Interesse, jedoch existieren bisher keine systematischen Untersuchungen hinsichtlich
Karbontextilien als Anodenmaterial. Im Bezug auf den Textilbeton besteht die Möglichkeit diesen rutschhemmend,
druck- und abrasionsfest zu gestalten, sodass auf eine zusätzliche Schutzschicht verzichtet werden kann.
1. Kathodischer Korrosionsschutz mit
Fremdstromanoden
Um korrodierende Bauteile zu schützen und die
Querschnittsverringerung des Bewehrungsstahls zu
beschränken, sind geeignete Schutzmaßnahmen
erforderlich [1]. Um die Korrosionsprozesse zum
Erliegen zu bringen, ist es notwendig eine der beiden
Korrosionsteilreaktionen zu hemmen. Der KKS wird
den Verfahren zugeordnet, welche die anodische
Teilreaktion unterbinden. Im Verlaufe des letzten
halben Jahrhunderts hat sich der KKS mittels
Fremdstrom als ein bewährtes System zum Schutz von
Bauteilen vor Korrosion etabliert [2]. Ein wesentlicher
Vorteil dieses Verfahrens ist, dass eine nahezu
zerstörungsfreie Instandsetzung möglich ist [3]. So
muss beispielsweise Beton mit erhöhtem Chloridgehalt
nicht ausgetauscht werden und es kommt nur zu
geringen Eingriffen in die Bausubstanz [4]. Insofern
die alte Bausubstanz noch tragfähig ist, zeichnet sich
das System auch durch seine Wirtschaftlichkeit und
kurze Bauzeiten aus.
In Bild 1 wird das Prinzip des KKS mittels
Fremdstromanode verdeutlicht: Die Bewehrung wird
mittels einer eingebetteten Inertanode über eine
Gleichstromquelle gezielt mit Fremdstrom
beaufschlagt [5]. Dieser Strom sorgt dafür, dass ein
Elektronenüberschuss in der Bewehrung generiert wird
und die gesamte Bewehrung aufgrund der
Verschiebung des elektrochemischen Potentials des
Stahls in negative Richtung nun kathodisch wirkt. Die
Korrosionsprozesse kommen somit durch den
eingebrachten Schutzstrom zum Erliegen oder werden
auf ein tolerierbares Maß reduziert.
Für diesen Vorgang werden in bestehenden
korrodierenden Bauwerken KKS-Systeme
typischerweise mit Stromdichten von 2 mA/m² bis
20 mA/m² betrieben [6].
Bild 1: Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes
mit inerter Fremdstromanode [5]
Die für den Einsatz eines KKS-Systems erforderlichen
Randbedingungen werden durch verschiedene
Regelwerke festgelegt. So müssen gemäß DIN 1045,
DIN EN ISO 12696, sowie der DAfStb-Richtlinie
folgende Voraussetzungen eingehalten werden [4]:
Die Standsicherheit der Bausubstanz muss
vorhanden sein.
Eine durchgängige leitende Verbindungen
zwischen der zu schützenden Bewehrung muss
sichergestellt werden.
Kurzschlüsse sind durch einen Mindestabstand von
eingebrachter Anode und der Bewehrung von
15 mm auszuschließen.
Der Verbund zwischen der verbleibenden alten
Bausubstanz und der neu aufgebrachten
Deckschicht muss im Mittel 1,5 N/mm² betragen,
bei Einhaltung eines Minimalwertes von
1,0 N/mm².
Der Mörtel oder Beton muss eine definierte
Leitfähigkeit zwischen Anode und Bewehrung
aufweisen.
Erste, von Bruns [8] durchgeführte Praxistest eines
KKS-Systems mit Kohlefasernetzanoden in Verbund
mit einem OS-System zeigen positive Tendenzen der
Funktionalität auf. Messungen eines installierten
Systems in einem Aachner Parkhaus zeigten Füber die
Dauer eines Jahres, dass es keine Hinweise auf
veränderte Polarisationseigenschaften der Bewehrung
oder der Anode gab. Ebenfalls waren lediglich
Treibspannungen im Bereich von 1200 mV notwendig,
um einen nach DIN EN ISO 12696 ausreichenden
kathodischen Schutz zu gewährleisten.
Eine Instandsetzung eines Parkhauses mit
konventionellen Anoden wurde beispielsweise in
Frankfurt am Main umgesetzt [4]. Hier wurde im
Vergleich zum Parkhaus in Aachen auf ein OS-System
verzichtet. Als Anodenmaterial wurde Titan-MMO-
Streckmetall verwendet. Hier zeigte sich vor allem,
dass auch über die dreimonatige Einregelungsphase
hinaus, die von außen durchführbare
Regelungsmöglichkeit eines KKS-System sehr
vorteilhaft ist. Das installierte Monitoring liefert Daten,
aus denen die positive Langzeitwirkung der
Polarisation der Bewehrung abgeleitet werden kann.
Insgesamt zeigt dieses Projekt auf, dass durch die
sorgfältige Zustandserfassung und Planung, sowie die
sachgemäße Ausführung und Überwachung von KKS-
Systemen in Parkhäusern eine wirtschaftliche und
problemlose Alternative zu herkömmlichen
Instandsetzungsverfahren vorhanden ist.
2. Textilbeton
Textilbeton besteht aus einem Verbundsystem aus
Beton bzw. Mörtel mit Glas-, Carbonfasern oder
anderen technischen Textilien als Bewehrungsmaterial.
Durch die Verwendung dieser Baumaterialien ist es
möglich im Vergleich zu Stahlbeton höhere
Zugfestigkeiten zu realisieren. Außerdem fällt die
Notwendigkeit der dickeren Betondeckung zum Schutz
der Bewehrung weg und somit können dünnere
Bauteildicken erreicht werden.
Derzeit auf dem Markt befindliche konventionelle
KKS-Systeme nutzen Titanmischoxid als
Anodenmaterial und funktionieren technisch
einwandfrei. Die Verwendung von technischen
Textilien als Anodenmaterial bietet gegenüber diesen
Verfahren jedoch auch ökonomische und ökologische
Vorteile.
3. Galvanostatische Versuche an
Probekörpern
Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden
werden. gibt einen schematischen Überblick über den
Aufbau der hergestellten Prüfkörper. Der
dreichschichtige Aufbau wurde gewählt, um eine
Instandsetzung einer Bauteiloberfläche nachzubilden.
So stellt die untere Betonschicht die alte Bausubstanz
nach. Diese unterste Schicht wird statt mit Betonstahl
mit einem Netz aus Titanmischoxid bewehrt, da durch
die Netzstruktur und die chemisch-interten
Eigenschaften ein homogenes elektrisches Feld erzeugt
werden kann. Darauf aufbauend folgt eine weitere
Betonschicht, welche die Betondeckung simuliert und
als Grundlage für die Einbettung der
Karbonfasernetzanode durch den Mörtel dient. Da für
die späteren Messungen Referenzelektroden benötigt
werden, wurden Elektrolytbrücken (EB) in die
Prüfkörpermatrix eingearbeitet. Über eine Lösung
innerhalb einer aufgesteckten Hülse und der EB selbst,
konnte eine spätere Ankopplung der Silber-
Silberchlorid-Referenzelektroden sichergestellt werden
(Bild 3).
Bild 2: Prüfkörperaufbau - Einheit [mm] [9]
Bild 3: Installierte Elektrolytbrücke [9]
Bei der Auswahl der Carbon-Gewebe für die
Herstellung des Textilbetons wurde ein besonderes
Augenmerk auf die Fähigkeit zur Stromverteilung und
das Benetzungsverhalten mit dem Mörtel gelegt. Diese
Eigenschaften stehen in unmittelbarer Wechselwirkung
zur Funktionalität des KKS Systems, da die
Stromdichten auf der Oberfläche der Bewehrung eine
entscheidende Rolle spielen. Eine Übersicht über die
ausgewählten Typen liefert Tabelle 1. Die
darauffolgenden Abbildungen zeigen Detailansichten
der eingespannten Netzanoden in den
Prüfkörperaufbau.
Tabelle 1: Eigenschaften der Textilgewebe
Textil Material /
Struktur
Tränkungs-
material
Maschen
-weite
0° / 90°
1 Karbon /
Einlagig SBR
14 mm /
8 mm
2 Karbon /
Einlagig Epoxidharz
20 mm /
20 mm
3 Karbon /
Zweilagig SBR
15 mm /
15 mm
4 Karbon /
Einlagig SBR
14 mm /
13 mm
Bild 4: Textil 1 [9]
Bild 5: Textil 2 [9]
Bild 6: Textil 3 [9]
Bild 7: Textil 4 [9]
Der Verbund zwischen den Karbonfasernetzanoden
(Bild 4 – Bild 7) und dem Untergrund wurde
anschließend noch mithilfe eines Einbettmörtels
realisiert. Dieser wurde in Zusammenarbeit mit der
Koch GmbH entwickelt. Nach zahlreichen
Voruntersuchungen im Hinblick auf den späteren
Einsatzzweck wurden drei Mörtel für die Herstellung
der Probekörper ausgewählt. Diese zeichneten sich
unter anderem durch einen hohen
Verschleißwiderstand, gute
Rissüberbrückungseigenschaften, sowie ihre gute
Verarbeitbarkeit aus. Eine Übersicht über die
entwickelten Mörtel gibt Tabelle 2:
Tabelle 2: Übersicht über die ausgewählten
Mörtelrezepturen
Mischung B C D
Mörtelmischung
Wasser
Fließmittel 1 X - -
Fließmittel 2 - - X
Zusatzmittel X - X
Druckfestigkeit
[N/mm²] 110.3 77.6 118.2
Rohdichte
[kg/dm³] 2.37 2.26 2.40
In Bild 8 ist der für die Messung vorbereitete
Prüfkörperaufbau zu sehen. Die Anschlüsse wurden
dann mit dem Potentiostaten und Messcomputer
verbunden. Die Karbonnetzanode (Arbeitselektrode)
wurde an insgesamt 4 Messpunkten angeschlossen,
welche untereinander kurzgeschlossen wurden (rotes
Messkabel). Dadurch wurde sichergestellt, dass eine
gute Ankopplung vorgenommen wurde. Das
Titanmischoxid fungierte als Gegenelektrode (linkes
schwarzes Messkabel), während die Silber-
Silberchlorid-Elektrode als Referenzelektrode diente
(rechtes schwarzes Messkabel).
Bild 8: Fertiger Prüfkörper [9]
Im Anschluss wurden sogenannte galvanostatische
Stufenversuche durchgeführt. Dabei wurden die
Spannungen der Arbeitselektrode gegen die
Referenzelektrode gemessen. In einem vorgegebenen
Intervall (12 h) wurden die Stromdichten konstant
gehalten, bevor diese stufenweise erhöht und der
Vorgang wiederholt wurde. Die Stromdichten waren
im Einzelnen 0
(Ruhepotential); 1
; 3,2
;
10
und 20
. Im Anschluss an jeder Stufe wurden
Ausschaltmessungen durchgeführt, indem der Strom
für zehn Sekunden abgeschaltet wurde. Diese
Vorgehensweise stellte sicher, dass IR-freie Potentiale
gemessen wurden. Es konnte dadurch gewährleistet
werden, dass die tatsächliche Polarisation des
Anodenmaterials nicht überschätzt wird.
Im Anschluss an die letzte Ausschaltmessung wurde
noch eine Depolarisationsmessung durchgeführt.
Hierfür wurde der Strom, nicht wie zuvor konstant
gehalten, sondern gänzlich abgeschaltet. Die Dauer der
Intervalle wurde dabei hinreichend groß gewählt
(12 h), sodass die erfassten Potentiale sich einem
erkennbaren Grenzwert annäherten.
4. Ergebnisse
Für die Auswertung der Messungen wurden zunächst
die erfassten Potentiale über die Zeit aufgetragen. Bild
9 zeigt eine solche Kurve exemplarisch für den
Versuchskörper B1. Die Stufen der vier verschiedenen
Stromdichten sind in der Grafik deutlich zu sehen.
Darüber hinaus kann festgehalten werden, dass sich die
Potentiale am Ende des 12-stündigen
Depolarisationsmesszyklus in Richtung eines
erkennbaren Potentialwertes bewegen. Nach 36
Stunden ist die galvanostatische Messung mit 10 mA
beendet. Hier lässt sich anhand der Grafik der IR-
Spannungsabfall deutlich erkennen.
Bild 9: Galvanostatische Stufenversuche mit
steigenden Stromdichten - Probekörper B1 [9]
Um eine Auswertung mit Bezug auf den KKS
vorzunehmen wurden Stromdichte-Potential-Kurven
angefertigt. So konnten die Mörtel für jedes Textil
unmittelbar miteinander verglichen werden. Aufgrund
ihrer unterschiedlichen Ruhepotentiale, und somit zur
Vergleichbarkeit, wurden alle Polarisationskurven
zunächst in den Ursprung verschoben. Somit kann
direkt abgelesen werden, welcher Mörtel in
Kombination mit welchem Textil die geringste
Treibspannung benötigt, um die erforderliche
Stromdichte zu erzielen. Bild 10 bis Bild 13 zeigen die
Auswertungen und verdeutlichen folgende Ergebnisse:
Für Textil 1 wäre auf Grundlage der
durchgeführten Messungen somit Mörtel B als
Einbettung am geeignetsten.
Bei Textil 3 und 4 weisen die Mörtel B und D fast
identische Messwerte auf.
Der signifikant Abweichende Verlauf der
Messkurven von Textil 2 lässt sich aufgrund der
Epoxidharzbeschichtung erklären. Diese stellt
einen vergrößerten Widerstand im Vergleich zur
SBR Tränkung dar, sodass die Leitfähigkeit des
Materials abnimmt.
Bild 10: Stromdichte-Potentialkurven des Textiltyps 1
[9]
Bild 11: Stromdichte-Potentialkurven des Textiltyps 2
[9]
0
100
200
300
400
500
600
700
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60
Po
ten
tial
vs.
Ag/
AgC
l [m
V]
Zeit [h]
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000
i [m
A/m
²]
Elektroden Polarisation [mV]
Mörtel B
Mörtel C
Mörtel D
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
i [m
A/m
²]
Elektroden Polarisation [mV]
Mörtel B
Mörtel C
Mörtel D
Bild 12: Stromdichte-Potentialkurven des Textiltyps 3
[9]
Bild 13: Stromdichte-Potentialkurven des Textiltyps 4
[9]
Die Auswertung bezüglich der drei getesteten
Mörtelmischungen hat ergeben, dass die Mörtel B und
D nahezu identische Eigenschaften aufweisen.
Demnach sind hier die geringsten Spannungen
notwendig um die Schutzstromdichte zu erreichen. Die
absolut gesehen geringsten Werte wiesen die Systeme
B1, sowie B4 und D4 auf. Im Rahmen dieser Arbeit
wurden demnach diese Kombinationen für weitere
Untersuchungen favorisiert. Auch in der Praxis können
sich Vorteile aufgrund der verschiedenen
Eigenschaften der Anodenmaterialien ergeben.
Während Textil 1 sogenannte Rollenware ist, wird das
Textil 4 in Matten geliefert. Beim Einbau könnte somit
je nach örtlichen Besonderheiten entschieden werden.
5. Schlussfolgerung
Bei den Messungen der Anodenmaterialen hat sich
gezeigt, dass die Beschichtung einen signifikanten
Einfluss auf die Polarisierbarkeit hat. So zeigte das EP
getränkte Anodenmaterial ein deutlich schlechteres
Polarisationsverhalten im Vergleich mit dem SBR
getränkten. Darüber hinaus hat sich die 3D Struktur des
Textils 3 nicht als vorteilhafter im Vergleich zu der 2D
Struktur der Materialien 1 und 4 herausgestellt.
Die Auswertung der Mörtel hat ergeben, dass Mörtel B
am geeignetsten für den Einsatz im KKS ist.
Abschließend lässt sich sagen, dass Karbontextilien auf
Grundlage der durchgeführten Messungen als
grundsätzlich geeignetes Anodenmaterial für den KKS
eingestuft werden kann. Als nächstes sollte das
Verhalten unter Praxisbedingungen und die
Dauerhaftigkeit unter relevanten Betriebsbedingungen
geklärt werden. Erste Pilotinstallationen laufen bereits.
6. Literaturverzeichnis
[1] Raupach, Prof. Dr.-Ing. M.:
Korrosionsschutzverfahren für
Stahlbetonbauwerke; Entwicklung und
Tendenzen, 2001.
[2] Baeckmann, W. v.: Historische Entwicklung
des elektrochemischen Korrosionsschutzes. In
(Baeckmann, W. v. Hrsg.): Handbuch des
kathodischen Korrosionsschutzes. Wiley-
VCH, Weinheim, 1999, S.1-14.
[3] Raupach, M.: Kathodischer Korrosionsschutz
im Stahlbetonbau. Instandhaltungsverfahren
für Spezialfälle. In: Beton, 1992, 42, S.674-
676.
[4] Klein, Hans-H., Schade, A., Eichler, T.,
Pruckner, F.: Parkhaus „Am Gericht“ in
Frankfurt am Main – Eine Sanierung mit
kathodischem Korrosionsschutz. Bautechnik,
Vol. 84, No. 7. 465-476, 2007.
[5] Raupach, M. ; Orlowsky, J.: Schutz und
Instandsetzung von Betonbauwerken. 17.
Aufl. Neuwied : Werner, 2006.
[6] Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN EN
ISO 12696 Kathodischer Korrosionsschutz
von Stahl in Beton, Beuth Verlag GmbH,
Berlin, 2012.
[8] Bruns, M.: Kathodischer Korrosionsschutz mit
Kohlefasernetzanode – Praxisversuche an
einem Aachener Parkhaus. International
Journal for Restoration, Vol. 10, No. 5, 2004.
[9] Henkel, P.: Untersuchung zur Bestimmung der
Eignung technischer Textilien für den
kathodischen Korrosionsschutz,
Bachelorarbeit, Institut für Bauforschung der
RWTH Aachen, 2014.
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000 1200
i [m
A/m
²]
Elektroden Polarisation [mV]
Mörtel B
Mörtel C
Mörtel D
0
5
10
15
20
25
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
i [m
A/m
²]
Elektroden Polarisation [mV]
Mörtel B
Mörtel C
Mörtel D