TOP LIRE - Kathodischer Korrosionsschutz Als Alternative Zur Bautechnischen Betonsanierung

7/23/2019 TOP LIRE - Kathodischer Korrosionsschutz Als Alternative Zur Bautechnischen Betonsanierung

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Kathodischer Korrosionsschutz

Kathodischer Korrosionsschutz als Alternativezur bautechnischen Betonsanierung

Thorsten Eichler

1. Einleitung .......................................................................................................81

2. Grundlagen ...................................................................................................82

3. Beispiele zur praktischen Umsetzungkathodischer Korrosionsschutzmanahmen.............................................84

4. Fazit .................................................................................................................87

5. Literatur ..........................................................................................................88

Der kathodische Korrosionsschutz (KKS) von Stahl in Beton wird seit mehr als dreiigJahren erolgreich zur Vermeidung korrosionsbedingter Schden an Stahlbetonbau-teilen und -werken eingesetzt. Die Anwendbarkeit des Verahrens unterliegt technisch

gesehen so gut wie keinen Restriktionen, wenn sowohl galvanische als auch remd-strombasierte Systeme eingesetzt werden knnen. Die Wirtschalichkeit des Verahrenshngt jedoch im Wesentlichen vom Schdigungsgrad des instand zu setzenden Bau-werks ab, so dass dieser, bei rein monetrer Bewertung von Instandsetzungsvarianten,hufig einen limitierenden Faktor bezglich der Einsetzbarkeit von KKS darstellt.Die Mglichkeiten und die Grenzen des kathodischen Korrosionsschutzes werden imFolgenden, nach kurzer Darlegung der wesentlichen Grundlagen vorgestellt.

1. Einleitung

Bereits Ende der nziger Jahre wurde der kathodische Korrosionsschutz von Stahl inBeton versuchsweise angewendet [6]. In Ermangelung geeigneter Anodenmaterialienwurde das Verahren jedoch zunchst wieder verworen. R. F. Stratull [12] verhal demKKS, im Jahr 1974, durch die Verffentlichung eines Forschungsberichtes, ber eineKKS-Installation, mit leithigem Asphalt als Fremdstromanode, zu neuer Beachtung.

Zwl Jahre spter, 1986, wurde die erste KKSB-Anlage in Deutschland im Rahmen

eines 1985 initiierten, internationalen Forschungsvorhabens, des BRIE-Projektes[1], in Betrieb genommen [8] und schtzte nzehn Jahre lang die durch Korrosiongeschdigte Bewehrung einer Sttzwand des Berliner Autobahnrings vor weiterenQuerschnittsverlusten, bevor die Anlage wegen erorderlicher Umbaumanahmenim Jahr 2001 rckgebaut wurde.


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Die Entwicklung neuer und dauerhaer Anodenmaterialien hrte in den letzten zehnbis nzehn Jahren dazu, dass der KKSB zusehends in den Fokus des Interesses vonBauherren und sachkundigen Planern bei der Instandsetzung, vorwiegend chloridge-schdigter Bauwerke, rckt.

Die Korrosionsschutzwirkung durch kathodische Polarisation r das System Stahl/Beton wurde mittlerweile hinreichend nachgewiesen und vielach publiziert. Seit 1999existiert die DIN EN 12696, welche die Leistungsanorderungen an KKSB-Systemeregelt und in Ihrer aktuellen Fassung in die DIN EN ISO 12696:2012 [3] berhrtwurde. Der mittlerweile lange Erahrungszeitraum mit dieser Form des elektro-chemischen Korrosionsschutzes sowie die vorhandenen und gltigen europischen undinternationalen Normen und Regelwerke, machen den kathodischen Korrosionsschutzvon Stahl in Beton zu einem hufig wirtschalichen, effektiven und vor allem in seiner

Anwendung sicheren Instandhaltungsverahren, welches durch die Kombination mitkonventionellen Instandsetzungsarbeiten zur deutlichen Wertsteigerung korrosions-gehrdeter Bauwerke hren kann.

2. Grundlagen

Das Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes beruht au der Potentialabhn-gigkeit der Elektrodenkinetik. Durch kathodische Polarisation wird die verblei-

bende Korrosionsrate des Schutzobjektes so weit verringert, dass diese technischgesehen vernachlssigbar wird. Prinzipiell kann dieses Schutzziel au zwei Artenerreicht werden. Durch Fremdstrompolarisation oder mit Hile von galvanischenAnoden. Die beiden Polarisationsarten sind in den Bildern 1 und 2 veranschau-lichend dargestellt.

log i

A/m2

icorr,Zn (Fe|Zn)

icorr,Zn

icorr,Fe

icorr,Fe (Fe|Zn)

Ecorr,Zn Ecorr,Fe|Zn Ecorr,Fe E V

kathodischer Astder i-E-Kurve anodischer Ast

der i-E-Kurve

Metall 2 (Eisen)

Metall 1 (Zink)

Bild 1:

Schematische Darstellung desFunktionsprinzips des galva-nischen kathodischen Korro-sionsschutzes


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Bild 2:

Idealisierte und veranschauli-chende Darstellung des Prin-

zips des Fremdstrom-KKS mitinerten, bzw. dimensionsstabilenAnoden

log iA/m2

iSchutz

icorr,Fe

icorr,Fe,Rest

ESchutz E0,AnodeEcorr,Fe E V

SchutzobjektKathode

Treibspannung Ueinan den Einspeisepunkten

dimensionsstabileAnode

i0,Anode

4OH

-2H

2O+O 2

+4e

-

FeFe

2++

2e-

2H2O

+O2+4e-

4O

H-

Im Stahlbetonbau wir der KKS hufig bei chloridinduzierter Korrosion, bzw. De-passivierung der Bewehrung eingesetzt. In diesem Fall findet die Polarisation vonMakroelementen statt, deren Korrosionsrate ber die Faradayschen Gesetze mit demMakrozellstrom wie olgt zusammenhngt:

(1)

mit dem gesamten Korrosionsstrom Icorr

in A, der Potentialdifferenz zwischen AnodeE

k,aund Kathode in V, dem Polarisationswiderstand der Anode R

p,ain , dem Po-

larisationswiderstand der Kathode Rp,k

in, dem Elektrolytwiderstand R

elin

und

dem Eigenkorrosionsstrom Ieigenen

in A. Bercksichtig man zeitabhngige nderungendes Korrosionsstroms I

corrund drckt diesen als Funktion der Zeit aus, lsst sich die

Korrosionsrate als Masseverlust wie olgt darstellen:

(2)

mit der elektrochemisch umgesetzten Masse m in g, der molaren Masse des korrodie-renden Metalls in g/mol, der Valenz der Elektrodenreaktion und der Faraday-Konstantenin As/mol.

Wie anhand von (1) leicht zu erkennen ist, kann die Korrosionsrate des Makro-elementes allein durch die Polarisation der wirksamen Kathodenflchen au den An-teil an Eigenkorrosion abgesenkt werden. Polarisiert man das Makroelement darberhinaus, wird auch der Korrosionsstrom aus Eigenkorrosion und die damit verbundeneKorrosionsrate, Bild 1 und 2 verringert.

Zustzlich zu diesen, den Gesetzen der elektrochemischen Kinetik olgenden, Effekten,treten weitere elektrochemische Reaktionen und Prozesse au, die sich au das Korro-sionssystem im Sinne der Dauerhaigkeit gnstig auswirken. Durch die kathodischeeilreaktion au der Stahloberflche (3) kommt es zur Erhhung des pH-Wertes in derKontaktzone zwischen Stahl und Beton.

Icorr + Ieigen = + Ieigen=Ek,a Ek EaRi Rp,a +Rp,k +Rel

Icorr (t) dtm =M

z F


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(3)

Im Falle des Fremdstromschutzes, bewirkt das elektrische Feld zwischen Anode und Ka-thode die Migration von Chloridionen zur Anode. Diese sog. sekundren Schutzeffekte

knnen nach ausreichend langer Anwendungsdauer die Wiederherstellung der passi-vierenden Umgebung bewirken. Der KKS nutzt olglich nicht nur die elektrochemischeKinetik zur Verringerung der Korrosionsrate, sondern ru zustzlich Vernderungenhinsichtlich der chemischen Zusammensetzung des Korrosionsmediums hervor, diesich positiv au das Korrosionsverhalten der Bewehrung auswirken.

3. Beispiele zur praktischen Umsetzungkathodischer Korrosionsschutzmanahmen

Der kathodische Korrosionsschutz allein ist wie bereits weiter oben erwhnt kein Instand-setzungsverahren im eigentlichen Sinne, sondern ein Instandhaltungsverahren, welcheserst durch die Kombination mit konventionellen Manahmen zu einem anwendbarenInstandsetzungsverahren wird. Besonders deutlich wird dieser Umstand, wenn man sichdie zwei grundstzlich verschiedenen Operationsmodi vor Augen hlt, die beim KKSangewendet werden knnen. Baut man beispielsweise ein kathodisches Schutzsystemdirekt beim Neubau eines Stahlbetonbauwerkes ein, kann der Bauherr, je nach Zielstel-lung, zwischen prventivem kathodischen Schutz und kathodischem Korrosionsschutz

whlen. Durch den prventiven Schutz lsst sich der Zeitpunkt der Korrosionsinitiierung,beispielsweise durch das Einwirken von Chloriden, beliebig weit in die Zukun verschie-ben. Der Ist-Zustand wird olglich, zumindest bezglich korrosionstechnischer Fragen,au dem Niveau des Zustandes direkt nach Fertigstellung gehalten. Entscheidet sich derBauherr dazu das System so auszulegen, dass es bei Korrosionsinitiierung in Betriebgenommen wird, wird der Korrosionsgrad der Bewehrung bei Inbetriebnahme praktischgesehen eingefroren. D.h. durch den kathodischen Korrosionsschutz kann der aktuelleZustand des Bauwerks nicht verbessert, sondern lediglich gehalten werden. Aus diesemUmstand ergibt sich die wesentliche Anwendungsgrenze des Verahrens. Bild 3 zeigt eine

stark durch chloridinduzierte Korrosion geschdigte Stahlbetonsttze einer iegarage.

Der Schdigungsgrad der Sttze ist im vorliegenden Fall so gro, dass ihre rag-higkeit in Frage gestellt werden muss und olglich eine klassische Instandsetzung derSttze mit Betonersatz und gg. Bewehrungsergnzung unvermeidbar ist. Bei derartumnglichen Instandsetzungsarbeiten wrde ein zustzlich eingebautes kathodischesKorrosionsschutzsystem die Kosten r die Instandsetzung deutlich erhhen. Unter derVoraussetzung einer achgerechten Aushrung der Arbeiten sowie des Behebens derSchadensursache, nmlich einer undichten Bauwerksuge, durch die chloridhaltiges

Wasser in den Sttzenbeton eingedrungen ist, macht eine zustzliche Installation eineskathodischen Korrosionsschutzsystems bei monetrer Bewertung wenig Sinn. Die An-wendungsgrenzen des kathodischen Korrosionsschutzes werden anhand dieses Beispielsoffenbar. echnisch ist der kathodische Schutz zwar realisierbar, jedoch wirtschalichnicht sinnvoll, da der KKS in diesem Fall Mehrkosten verursachen wrde, die ohne ihnnicht anfielen.

4 e-+ 2 H2O + O24 OH-


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Die grten Vorteile bietet der KKS in Fllen, in denen der Schdigungsgrad des Bauwerks

gering ist, eine klassische Instandsetzung jedoch mit einem hohen Auwand verbundenwre. Dies tritt r gewhnlich dann au, wenn kritische Chloridgehalte au Hhe der Be-wehrung vorhanden sind, die Schdigung der Bewehrung jedoch noch als verhltnismiggering einzustuen ist. Bei klassischer Betonsanierung wrde der gesamte Beton, in demein kritischer Chloridgehalt vorhanden ist abgetragen werden und durch chloridreien,neuen Beton ersetzt werden.

Es existiert eine Vielzahl an Beispielen r die erolgreiche Umsetzung kathodischer Kor-rosionsschutzmanahmen in der Praxis. In [4] und [10] wird ber die Instandsetzung des

ParkhausesAm Gerichtin Frankurt am Main berichtet, in dem etwa 6.500 m Bodenflchen,Wandsockel und Sttzene durch den kathodischen Korrosionschutz vor dem Fortschrei-ten einer korrosionsbedingten Schdigung geschtzt werden. Bild 4 zeigt schematisch den,im ParkhausAm Gerichtverwendeten, Systemaufau r die tragenden Zwischendecken.

ber die Besonderheiten beim kathodischen Korrosionsschutz der ugenflankierendenBewehrung des Stachusbauwerks in Mnchen berichten Sodeikat et al. [11]. Gieler-Bremer et. al. schreiben [5] ber den kathodischen Korrosionsschutz der Unter-konstruktion von Brckenbauwerken an der A 2 Sdautobahn Wien-Graz und Bruns

und Binder reerieren in [2] ber den kathodischen Korrosionsschutz der vorgespanntenberbauten einer Schleuse in Iffezheim.

Die Anzahl der hier genannten Beispiele zum kathodischen Korrosionsschutz vonStahl in Beton ist zwar nicht reprsentativ r den Anteil, den dieses Verahren mitt-lerweile am Gesamtvolumen der umgesetzten Instandsetzungsmanahmen hat, jedoch

Bild 3: Durch Korrosion geschdigte Stahlbetonsttze mit starker Rissbildung (Korrosion durchausalzeinwirkung)


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verdeutlichen sie, das trotz der in den o.g. Publikationen behandelten, sehr unter-schiedlichen Bauwerke, das Schutzprinzip und der Nachweis der Schutzwirkung beiallen Projekten identisch sind. Im Krawerksbau wurde kathodischer Korrosionsschutzals Instandsetzungsprinzip bereits bei einer Reihe von Projekten, welche jedoch im

Normalall au Wunsch des jeweiligen Bauherrn nicht publiziert wurden eingesetzt.Als Beispiel r den erolgreichen Einsatz von KKS lassen sich durch Schlackebunkermit hoher Chloridbelastung oder Kamine nennen, bei denen eine starke Chloridein-wirkung durch Kondensatbildung auritt.

Thermofalt-Belag

Anodeneinbettmrtel

Titanmischoxid-Bandanoden

Ausgleichschicht

zum Ausgleich von Unebenheiten

Reprofilierung mit Betonersatz

obere Bewehrungslage

Altbeton

Bild 4: Schematische Darstellung des Systemaufaus r den kathodischen Korrosionsschutzder Betonstahlwehrung der tragenden Zwischendecken des ParkhausesAm Gerichtin

Frankurt am MainQuelle: Pruckner, F.; Eichler, .; Schade, A.; Klein, H.-H.: ParkhausAm Gerichtin Frankurt am Main _ Eine Sanierung mitkathodischem Korrosionsschutz. In: Bautechnik, Band 84, Nr. 7, S. 465-476

Das r den KKS-B wichtigste Regelwerk ist die DIN EN ISO 12696 [3], welche dieAnorderungen an kathodische Korrosionsschutzsysteme im Stahlbetonbau regelt. DerNachweis der Schutzwirkung kann nach DIN EN ISO 12696 [3] unter anderem bersog. Schutzkriterien erbracht werden, die r smtliche Stahlbetonbauwerke gleicher-maen gltig sind. Dabei reicht es aus, eines der in abelle 1 genannten Schutzkriterien

nachzuweisen, um sicherzustellen, dass das betreffende Bauteil vollstndig kathodischgeschtzt ist.

abelle 1: Zusammenstellung der in der DIN EN ISO 12696 verankerten Schutzkriterien r denkathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton

Kriterium Erklrung Anwendung

1. 100 mV Der Potentialanstieg ausgehend vom IR-freien Stahl / Beton Potential Atmosphrisch

innerhalb von 24 h nach dem Ausschalten des Schutzstromes muss exponierte

mindestens 100 mV betragen Stahlbetonbauteile

2. 150 mV Der Potentialanstieg ausgehend vom IR-freien Stahl / Beton Potential Atmosphrisch

nach mehr als 24 h nach dem Ausschalten des Schutzstromes muss exponiertemindestens 150 mV betragen Stahlbetonbauteile

3. -720 mV

Das IR-freie Potential der geschtzten, schlaffen Stahlbewehrung liegt Bauteile, die im Erdbodenzwischen (-720) mV und (-1100) mV gegen eine Ag/AgCl/0,5 M bzw. in dauer feuchter Um-KCl-Elektrode, oder bei Spannstahl zwischen (-720) mV und (-900) mV gebung o. unter Wasser liegen


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Der Nachweis der Schutzwirkung muss au Grundlage von Depolarisations- oder Po-tentialmessungen erolgen. Im Normalall werden hierzu sog. Reerenzelektroden mitgroer Langzeitstabilitt in den Stellen mit der hchsten Korrosionswahrscheinlichkeitin das Bauwerk integriert. Moderne Anlagen nutzen Monitoring- und Steuerungs-

systeme, mit Hile derer die betreffende KKS-Anlage ber eine Datenernleitung gesteuertund geregelt werden kann. Die Bilder 5 a) bis 5 d) zeigen die wesentlichen Elementeeines zum Nachweis der kathodischen Schutzwirkung geeigneten Monitoringsystems.

Bild 5: Elemente eines Monitoringsystems r den kathodischen Korrosionsschutz von Stahlin Beton: a) Einbau einer MnO2-Reerenzelektrode, b) Schaltschrank mit Controller-

Einheit und BUS-Adapter, c) Verteilerkasten r A/D-Wandler zur Potentialmessung,d) Messknoten (A/D-Wandler) mit Verdrahtung

4. Fazit

In Deutschland werden seit mittlerweile mehr als 25 Jahren Stahlbetonbauwerke ka-thodisch vor dem Fortschreiten korrosionsbedingter Schdigungsprozesse geschtzt. Inden letzten zehn Jahren hat sich der KKS hierzulande wegen seiner Zuverlssigkeit undSicherheit zu einem Standardverahren bei der Instandsetzung korrosionsgehrdeterStahlbetonbauwerke entwickelt. Die wissenschaliche Auarbeitung und Klrung vonRisiken die mit diesem Verahren verbunden sein knnen, wie z.B. der Verbundverlustzwischen Stahl und Beton bei massivem berschutz oder die Auswirkungen des KKS

a b

c d


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au eine mgliche Alkali-Silika-Reaktion (ASR), hrte sptestens im Jahr 1996, mitder Verffentlichung der Untersuchungen von Pedeerri [9], zur Gewissheit, dass derKKS bei achgerechter Planung und Aushrung eines der sichersten, vergbarenInstandsetzungsverahren ist.

Die Ansprche, welche die Planung von KKS-Manahmen an Ingenieure und Aus-hrende stellt, sind entsprechend hoch. Die Wahl und Auslegung geeigneter Anoden-systeme sowie der achgerechte Einbau erordern nicht nur ein hohes Ma an Erahrung,sondern auch besondere Sorgalt. Mittlerweile ist der kathodische Korrosionsschutzester Bestandteil des Instandsetzungsrepertoires vieler, hervorragender Planungsbrosund Baufirmen. Die derzeit immer weiter steigenden Marktanteile des KKS belegennicht nur die Wirtschalichkeit des Verahrens, sondern verdeutlichen auch dieWertigkeit weiterer Vorteile gegenber der konventionellen Instandsetzung, wie z.B.

die obligatorische Installation eines Bauwerksmonitoring, kurze Bauzeiten, geringeLrmemissionen und keine bis geringgig erorderliche, Eingriffe in die Statik.

5. Literatur[1] BRIE-Project: Electrochemically-based echniques or Assessing and Preventing Corrosion

o Steel in Concrete Final technical report, 1990

[2] Bruns, M.; Binder, G.: Umsetzung des kathodischen Korrosionsschutzes an den Spannbeton-berbauten der Schleusenbrcke Iffezheim. In: Beton und Stahlbetonbau, Band 108, Nr. 2, 2013,

S. 104-115[3] DIN Deutsches Institut r Normung e.V.: DIN EN ISO 12696 Kathodischer Korrosionsschutz

von Stahl in Beton (ISO 12696:2012); Deutsche Fassung EN ISO 12696, Mai 2012

[4] Eichler, .; Isecke, B.; Pruckner, F.; Schade, A; Klein, H.-H.; Michel, S.: Kathodischer Korro-sionsschutz von Stahl in Beton Instandsetzung des ParkhausesAm Gerichtin Franurt am Main,Beton und Stahlbetonbau, Band 102, Nr. 5, 2007, S. 310-320

[5] Gieler-Bremer, S.; Pruckner F.; Schalko, D. Generalerneuerung der A2-Sdautobahn Wien-Graz: Kathodischer Korrosionschutz an den Sttzenreihen der berhrungen 13 bis 22.In: Beton und Stahlbetonbau, Band S2, 2008, S. 44-54

[6] Isecke, B.: Kathodischer Korrosionsschutz von Bewehrungsstahl in Betonbauten. In: W. v. B.u. W. Schwenk (Hrsg.): Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes Teorie und Praxisder elektrochemischen Schutzverahren, 4. Auflage. Weinheim New York Chichester BrisbaneSingapore oronto: Wiley-VCH, 1999, S. 530.

[7] Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton (ISO 12696:2012); deutsche assung EN ISO12696:2012, Berlin: Deutsches Institut r Normung e.V., 2012

[8] Mietz, J.; Fischer J.; Isecke, B.: Materials and Corrosion, Band 52, 2001, S. 920

[9] Pedeerri, P.: Cathodic Protection and cathodic prevention. In: Construction and Building Ma-terials, Band 10, Nr. 5, 1996, S. 391-402

[10] Pruckner, F.; Eichler, .; Schade, A.; Klein, H.-H.: ParkhausAm Gerichtin Frankurt am Main _Eine Sanierung mit kathodischem Korrosionsschutz. In: Bautechnik, Band 84, Nr. 7, S. 465-476

[11] Sodeikat, C.; Mayer . F.; Schning, M.: Kathodischer Korrosionsschutz an Bauwerksugen In:Beton und Stahlbetonbau, Band 106, Nr. 5, 2011, S. 325-331

[12] Stratull, R. F.: Experimental Cathodic Protection o a Bridge Deck. Sacramento: State o Calior-nia Buisiness and ransportation Agency Department o ransportation Division o Highways,1974.

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