Korrosionsüberwachungssysteme für Parkhäuser

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1 Prof. Dr.-Ing. M. Raupach Institut für Bauforschung, RWTH Aachen (ibac) Zusammenfassung Parkhäuser und Tiefgaragen sind durch die Einwirkung von Chloriden aus Streusalzen hinsichtlich des Korrosionsschutzes der Bewehrung besonders aggressiven Expositionsbedingungen ausgesetzt. Um den Korrosionsschutz für die Bewehrung dauerhaft sicherzustellen, bestehen hohe Anforderungen an die Qualität der Betondeckung, d. h. an die Dicke und die Qualität des Betons. Weiterhin werden i. d. R. Oberflächenschutzsysteme auf die Betonoberflächen appliziert, um ein Eindringen der Chloride insbesondere im Bereich von Rissen zu verhindern. Speziell für Parkbauten mit keinen bzw. nur einem begrenztem Ausmaß von Rissbildungen besteht die Möglichkeit, auf Oberflächenschutzsysteme zu verzichten, die Risse durch entsprechende fachgerechte Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen dauerhaft zu verschließen und zur Überwachung des Korrosionsrisikos für die Bewehrung entsprechende Überwachungssysteme zu installieren. Solche Korrosionsüberwachungssysteme wurden in Deutschland bereits in mehreren Parkbauten erfolgreich eingesetzt. In diesem Beitrag wird auf die Funktionsweise und die bisherigen Erfahrungen mit diesen Systemen eingegangen. 1. Einleitung Mit Hinblick auf zahlreiche aufgetretene Schäden an Stahlbetonbauwerken wurden die Anforderungen hinsichtlich der Dauerhaftigkeit in den neuen europäischen Regelwerken für Stahlbeton (s. z.b. /1-4/) gegenüber der DIN 1045 in der Fassung von 1988 nochmals verschärft. Die Maßnahmen zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit bestehen dabei aus folgenden Komponenten: Betontechnologische Maßnahmen nach DIN EN und DIN , Einhaltung konstruktiver Regeln (z. B. Betondeckung, Mindestbewehrung) nach DIN , Abschnitt 6.3 und 11.2, Nachweis zur Beschränkung der Rissbreiten (ggf. auch Nachweis des Grenzzustandes der Dekompression) nach DIN , Abschn. 11.2, und Nachbehandlung und Schutz nach DIN , Abschn. 7. Genauere Angaben hinsichtlich der Konsequenzen für Parkhäuser enthalten die Erläuterungen zu den neuen Regelwerken, die inzwischen als Hefte 525 und 526 des DAfStb erschienen sind /5, 6/. Des weiteren wurde ein DBV-Merkblatt für Parkhäuser und Tiefgaragen erarbeitet, das ebenfalls diese Thematik behandelt [8]. 2. Zur Problematik der Dauerhaftigkeit bei Parkhäusern Hintergrund für die verschärften Anforderungen an Betondeckung und Betonqualität von Parkhäusern sind Schäden, die überwiegend auf chloridinduzierte Bewehrungskorrosion zurückzuführen sind. Die Chloride stammen dabei nicht nur aus im Winterdienst direkt aufgestreuten Tausalzen, sondern ebenso aus Tausalzen, die von Fahrzeugen in die Parkhäuser und Tiefgaragen eingeschleppt werden und dort beim Fahren und insbesondere auch beim Parken abtropfen und sich auf dem Beton ansammeln bzw. in die Fußbereiche von Stützen und Wänden eingesogen werden. Wenn ein gewisser Chloridgehalt aus den Tausalzen bis zur Bewehrung vorgedrungen ist, löst er dort Korrosion aus, die zu Rissen, Abplatzungen und statischen Problemen führen kann. Die folgenden Bilder 1-3 zeigen typische Schäden, die häufig unter anderem durch unzureichende Entwässerungssysteme unterstützt werden (s. Bild 1).

2 Bild 1: Pfützenbildung auf einem Parkdeck durch nicht funktionsfähiges Entwässerungssystem Bild 2: Zerstörte Betonoberfläche mit herausstehender Bewehrung in einem befahrenen Bereich eines ca. 30 a alten Parkhauses Bild 3: Erhebliche Korrosionsschäden an Unterzügen eines Parkhauses, die an eine undichte Fuge angrenzen Die in Bild 2 dargestellte Zerstörung der Betonoberfläche ist vermutlich aus einer Überlagerung von Frost-Tausalz-, Chlorid- und mechanischer Beanspruchung entstanden. Die in Bild 3 gezeigten Korrosionsschäden an der Bewehrung in Bereichen undichter Fugen treten bei Parkhäusern und Tiefgaragen ebenfalls häufig auf. Aus diesen Schadensbildern ergibt sich, dass es nicht ausreicht, nur die im folgenden diskutierten Anforderungen an Betondeckung und Betonqualität einzuhalten, sondern sowohl bei Neubauten als auch im Rahmen der Bauwerkserhaltung folgendes zu beachten: Wasser sollte durch ein wirksames Entwässerungssystem mit entsprechender Gefälleausbildung zügig abgeleitet werden. Dabei ist zu beachten, dass die Einläufe auch nach den planmäßigen Bauwerksbewegungen in den Tiefpunkten bleiben. Fugen müssen so ausgebildet werden, dass sie dauerhaft dicht bleiben. Dabei sind Lösungen zu empfehlen, die einen möglichst geringen Wartungsaufwand erfordern.

3 3. EXPOSITIONSKLASSEN IN DIN 1045 Um die Anforderungen an Betondeckung und Betonzusammensetzung nach der neuen DIN 1045 festzulegen, müssen alle Betonoberflächenbereiche den Expositionsklassen nach DIN 1045 zugeordnet werden. Tabelle 1 zeigt dabei die generelle Einteilung, wobei es für sämtliche Klassen verschiedene Stufen gibt. Für Parkhäuser sind dabei die horizontalen Flächen besonders kritisch, wobei zwischen den freibewitterten und überdachten Decks unterschieden wird, da die freibewitterten Decks erheblich stärker beansprucht sind. Für die o.g. Flächen sind i.d.r. zur Festlegung von Betondeckung und Betonzusammensetzung die beiden Expositionsklassen XD und XF maßgebend. Dabei sind jeweils die höheren sich ergebenden Anforderungen zugrunde zu legen. Tabelle 1: Expositionsklassen nach DIN 1045 Expositionsklasse Angriffsart Begriffserläuterung Betonkorrosion Bewehrungskorrosion Kein Angriffsrisiko XF Frost, Frost-Tausalz (Frost) XA Chemischer Angriff (Chemical Attack) XM Verschleiß (Mechanical Abrasion) XC Karbonatisierung Carbonation XD Chlorid Deicing Salt XS Meerwasser Seawater X0 4. Anforderungen an den Beton Die Anforderungen an die Betonzusammensetzung sind von der Intensität der Wartung und der Art von besonderen Schutzmaßnahmen abhängig. Wegen der in Abschnitt 2 beschriebenen Problematik der chloridinduzierten Bewehrungskorrosion sind alle horizontalen Parkhausoberflächen (nicht die Untersichten!) in die Expositionsklasse XD3 einzustufen. Alleine daraus, d.h. ohne Berücksichtigung weiterer Expositionen wie Frost etc., ergeben sich verschiedene Konsequenzen. Nach [2] sind besondere Zusatzmaßnahmen wie die Anordnung eines Oberflächenschutzsystems der Klasse OS 11 nach [7] (OS F) erforderlich. Alternativ sind auch andere Sondermaßnahmen möglich, auf die in Abschnitt 7 eingegangen wird, d.h. es müssen nicht zwangsläufig Oberflächenschutzbeschichtungen gefordert werden. Als Alternativen können folgende Beispiele genannt werden: Rissvermeidung durch Vorspannung und Verwendung von Beton mit ausreichenden Chlorideindringwiderstand. Vermeidung von obenliegender Bewehrung durch Ausführung von Einfeldsystemen, sofern keine Trennrisse zu erwarten sind. Verwendung von Bewehrung aus nichtrostendem Stahl an den exponierten Flächen. Wird eine Rissbildung auf der exponierten Bauteiloberseite vermieden, kann ein Beton mit ausreichendem Chlorideindringwiderstand verwendet werden. Die Überwachung einer solchen Maßnahme vor Ort kann durch regelmäßige Bestimmung von Chloridprofilen oder durch Installation eines Korrosionsüberwachungssystems erfolgen, so dass die Gefährdung für die Bewehrung kontinuierlich verfolgt werden kann. Dadurch ist es möglich, im unplanmäßigen Fall eines nicht ausreichenden Chlorideindringwiderstandes des Betons rechtzeitig Schutzmaßnahmen wie die Applikation einer Beschichtung zu ergreifen. 5. Korrosionsüberwachungssysteme 5.1 Allgemeines Mit Hilfe moderner Sensorsysteme ist es heute möglich, die Korrosionsgefährdung für die Bewehrung kontinuierlich zu überwachen und erforderliche Schutzmaßnahmen einzuleiten, bevor nennenswerte Bauwerksschädigungen eingetreten sind. Die grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen Nutzungsdauer und Schädigungsgrad eines Bauwerkes sind schematisch in Bild 4 dargestellt. Hinsichtlich der Korrosion der Bewehrung muss grundsätzlich zwischen zwei Phasen entschieden werden: Zunächst laufen im Beton Reaktionen ab, die im Laufe der Zeit die Korrosion der Bewehrung überhaupt ermöglichen, d.h. Karbonatisierung des Betons bzw. Eindringen von Chloriden (Einleitungsphase). Üblicherweise erst nach vielen Jahren setzt die sogenannte Schädigungsphase ein, bei der die Bewehrung korrodiert, was im Laufe der Zeit zur Bildung von Rissen, Abplatzungen und kritischen Quer-

4 schnittsschwächungen der Bewehrung führt. Auf die theoretischen Grundlagen wird im nächsten Abschnitt dieses Beitrags genauer eingegangen. Bild 4: Zusammenhang zwischen Schädigungsgrad und Nutzungsdauer (schematisch) Die Kosten für Schutz- bzw. Instandsetzungsmaßnahmen sind grundsätzlich noch vergleichsweise niedrig, bevor die eigentliche Schädigungsphase beginnt. Sind erst einmal Risse und Abplatzungen aufgetreten, so sind extrem aufwendige und entsprechend teure Instandsetzungsmaßnahmen erforderlich. Während mit visuellen Inspektionen oder z.b. Potentialmessungen Korrosionsprobleme erst dann erkannt werden, wenn die Schädigungsphase bereits eingesetzt hat, ist es mit Hilfe der in diesem Beitrag beschriebenen Sensoren möglich, den Fortschritt der Einleitungsphase kontinuierlich zu überwachen Theoretische Grundlagen Stahl im Beton ist zunächst durch die Passivierung der Stahloberfläche im hochalkalischen Beton (ph-werte etwa zwischen 12,5 und 13,5) grundsätzlich vor Korrosion geschützt. Dieser Schutz kann unter baupraktischen Bedingungen jedoch durch zwei unterschiedliche Mechanismen verlorengehen: Karbonatisierung des Betons, d.h. chemische Reaktion der alkalischen Bestandteile mit dem CO 2 der Luft, was mit einer ph-wert-absenkung auf Werte < 9 verbunden ist. Überschreiten eines kritischen, korrosionsauslösenden Chloridgehaltes an der Stahloberfläche, z. B. aus Tausalzen, Meerwasser oder PVC-Bränden. Beide depassivierenden Substanzen (CO 2 und Cl - ) dringen normalerweise von der Betonoberfläche her durch die Betonüberdeckung zur Bewehrung vor (Einleitungsphase). Wenn in Höhe der Bewehrung schädliche Konzentrationen erreicht sind, kann Korrosion an der Bewehrung einsetzen, sofern ausreichend Sauerstoff und Feuchtigkeit vorhanden ist, was bei Außenbauteilen in der Regel der Fall ist (Schädigungsphase). Die Übergangszone vom nicht karbonatisierten zum karbonatisierten Beton bzw. vom Beton, in dem der kritische Chloridgehalt unterhalb bzw. oberhalb der korrosionsauslösenden Konzentration liegt, kann auch als Depassivierungsfront bezeichnet werden. Unmittelbar nach dem Betonieren befindet sich die Depassivierungsfront an der Betonoberfläche. Im Laufe der Nutzungszeit eines Bauteils dringt diese Front in Abhängigkeit von betontechnologischen und umgebungsbedingten Parametern immer weiter in den Beton ein. Während bei älteren Bauwerken die Betondeckung häufig erheblich zu klein ist, wird bei der Bemessung von Neubauten die Betondeckung heute in der Regel so dimensioniert, dass die Depassivierungsfront die Bewehrung nicht innerhalb der planmäßigen Nutzungsdauer erreicht, so dass Korrosionsprobleme ausgeschlossen werden können. Bei Bauwerken in extrem aggressiver Umgebung ist dies jedoch häufig schwierig, so dass zusätzliche Korrosionsschutzmaßnahmen erforderlich sein können, die wiederum eine entsprechende Dauerhaftigkeit aufweisen müssen Funktionsprinzip der Korrosionsüberwachungssysteme Die Entwicklung der Korrosionssensoren basiert auf umfangreichen Forschungsarbeiten zu den Mechanismen und Einflussgrößen bei der chloridinduzierten Korrosion von Stahl in Beton (siehe z. B. [9-11]). Die Korrosionssensoren bestehen jeweils aus mehreren Einzelsensoren, die innerhalb der Betonüberdeckung zwischen Betonoberfläche und Bewehrung in die zu überwachenden Bauteile eingebaut werden (s. Bild 5). Auf diese Weise kann kontinuierlich verfolgt werden, bis zu welcher Tiefe die Depassivierungsfront vorgedrungen ist. Dies geschieht durch Messung elektrischer Größen. Die Einzelsensoren werden üblicherweise in gleichmäßig zunehmenden Abständen, etwa in 10 mm Stufen bezogen auf die Betonoberfläche eingebaut. Hat die Depassivierungsfront zwei oder mehrere Einzelsensoren erreicht, so kann der weitere Verlauf des Eindringens der Depassivierungsfront unter bestimmten Annahmen rechnerisch extrapoliert werden. Somit ist es möglich, den Zeitpunkt abzuschätzen, zu dem die Depassivierungsfront die Bewehrungslage erreichen wird (s. Bild 5). Zeigen die Sensoren an, dass mit einer Depassivierung der Bewehrung noch vor Beendigung der geplanten Nutzungsdauer eines Bauwerkes zu rechnen ist, so

5 können Korrosionsschutzmaßnahmen rechtzeitig geplant und ergriffen werden, noch bevor Schäden aufgetreten sind. Bild 5: Schematische Darstellung des Messprinzips zur Beurteilung der verbleibenden Zeit bis zum Korrosionsbeginn (Depassivierungsfront) 5.4 Anoden-Leiter-System Das Prinzip des Sensorsystems nutzt die elektrochemische Natur des Korrosionsvorganges von Stahl in Beton. Er besteht aus Betonstahlstücken, die über eine nach außen geführte Kabelverbindung mit einem ebenfalls einbetonierten Edelmetall verbunden sind, das auch in chloridhaltigem oder karbonatisierten Beton nicht korrodiert. Nach Depassivierung eines Betonstahlstückes entsteht ein galvanisches Element zwischen Betonstahl und Edelmetall, dessen Stromfluss als Signal über nach außen geführte Kabelverbindungen gemessen werden kann. In einem leiterförmigen Sensorelement werden mehrere Einzelsensoren über seitlich angebrachte Edelmetallholme verbunden, die von den Sensoren elektrisch isoliert sind. Die Kabel sind in den Holmen mit Kunstharz eingebettet und werden über die Holme nach außen geführt (s. Bild 6). Die Leiterelemente werden gegen die Betonoberfläche geneigt auf die Bewehrung aufgesetzt, so dass die Einzelsensoren unterschiedliche, durch die Leiterneigung vorgegebene Betondeckungen aufweisen. Bild 7 zeigt die Anoden-Leitern während des Betonierens. Als Gegenelektroden (Kathoden) für die Strommessung gegen die Betonstahlstücke (Anoden) werden platinbeschichtete Titanstäbe verwendet, die ein sehr positives Potential aufweisen, d.h. elektrochemisch edler sind und daher im Falle der Depassivierung der Anoden große galvanische Ströme auslösen. Bilder 6 und 7: Aufnahmen des Anoden-Leiter-Systems Seit 1990 wurde dieses sogenannte Anoden-Leiter- System weltweit in verschiedenen Bauwerken eingesetzt, um die Korrosionsgefahr für die Bewehrung von Neubauten in aggressiven Umgebungen zu überwachen. Die bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, dass das System hinsichtlich des Einbaus ausreichend robust ist, was durch Kurzschlussmessungen über die jeweils doppelten Kabelverbindungen nachgewiesen werden konnte (Redundanz). 5.5 Messungen und Interpretation der Messdaten Um die Tiefe der Depassivierungsfront messen zu können, werden elektrische Ströme, Spannungen (Potentiale), elektrische Widerstände sowie Temperaturen mit Hilfe der in den Sensoren integrierten Temperatursensoren gemessen. Diese Messungen werden üblicherweise etwa 1 bis 2 mal pro Jahr mit einem Handgerät durchgeführt. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Messungen computergesteuert kontinuierlich durchzuführen; dies ist jedoch i.d.r. nicht erforderlich, da es sich um Langzeitüberwachungen handelt, für die kurzzeitige Schwankungen der Messdaten nur von untergeordneter Bedeutung sind. Für die Bestimmung der Tiefe der Depassivierungsfront reichen i.d.r. etwa jährliche Messungen aus. Durch die Bestimmung der Temperatur können temperaturbedingte Einflüsse auf Ströme und Spannungen eliminiert werden. Ferner wird der Wechselstromwiderstand zwischen den Sensoren mitgemessen, wodurch der Wassergehalt des Betons in der Randzone abgeschätzt werden kann. Hierdurch ist eine weitere Kontrolle der Ströme und Spannungen möglich; des weiteren kann die mögliche Korrosionsgeschwindigkeit im Falle der Depassivierung genauer abgeschätzt werden. Die Zusammenhänge zwischen Feuchtigkeit, Temperatur, Strömen und Spannungen werden beispielsweise in [9] anhand umfangreicher Laboruntersuchungen erläutert. Für die Messungen der Korrosionsüberwachungssysteme wurde das Handmessgerät CANIN-LTM entwickelt. Dieses batteriebetriebene Instrument erlaubt es, jeweils die elektrischen Ströme, Potentiale, Widerstände und

6 Temperaturen auf Knopfdruck zu messen und zu speichern. Insgesamt können die Daten von Sensoren gespeichert werden. Diese Daten können später über eine serielle Schnittstelle auf einen PC übertragen werden. Für weitere Auswertungen wie das Erstellen von Datenbanken für die Einzelsensoren sowie Auswertungen in Form von Zeitkurven steht eine spezielle Software zur Verfügung. Die bisherigen Messungen zeigen, dass die Ergebnisse der Messungen an den Bauwerken gut mit den aus den Laboruntersuchungen zu erwartenden Messergebnissen übereinstimmen. Da es sich um ein Langzeitüberwachungssystem handelt, können die mit Hilfe der Korrosionssensoren bestimmten Eindringprofile der Depassivierungsfronten erst in den nächsten Jahren veröffentlicht werden. 6. Schlussfolgerungen Speziell für Parkhaustypen, bei denen nur in begrenztem Ausmaß mit Rissbildungen zu rechnen ist, kommt anstelle der üblichen Parkhausbeschichtung für den Schutz des Betons auch eine Langzeitüberwachung des Korrosionszustandes der Bewehrung in Frage. Dies kann beispielsweise durch regelmäßige Bestimmung von Chloridprofilen erfolgen, andererseits jedoch auch durch den Einbau sogenannter Korrosionssensoren, mit deren Hilfe kontinuierlich die Tiefe des kritischen Chloridgehaltes bezogen auf die Betonoberfläche verfolgt werden kann. Mit Hilfe dieser Korrosionsüberwachungssysteme ist es möglich, abzuschätzen, wie lange es noch dauert, bis es zur Bewehrungskorrosion kommen wird. Dies ermöglicht es, rechtzeitig entsprechende Schutzmaßnahmen wie Beschichtungen zu ergreifen, bevor Abplatzungen des Betons infolge Korrosion der Bewehrung aufgetreten sind. Ohne die Überwachungssysteme besteht die Gefahr, dass die Korrosion der Bewehrung erst dann erkannt wird, wenn Risse und Abplatzungen aufgetreten sind, was i. d. R. zu sehr aufwendigen Instandsetzungsmaßnahmen führt. Selbstverständlich können die Korrosionsüberwachungssysteme auch zur Überwachung der Schutzwirkung von alternativen Schutzmaßnahmen verwendet werden. Die bisherigen Messergebnisse an den Korrosionsüberwachungssystemen in verschiedenen Parkhäusern in Deutschland zeigen, dass die Sensorsysteme derzeit funktionstüchtig sind. Da es sich um Langzeitüberwachungssysteme handelt, werden kritische Zustände vermutlich erst in einigen Jahren auftreten. [3] DIN Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton - Teil 2: Beton; Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität [4] DIN Berichtigung Berichtigungen zu DIN : [5] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: Erläuterungen zu den Normen DIN EN 206-1, DIN , DIN , DIN und DIN Berlin : Beuth.- In: Schriftenreihe des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (2003), Nr. 526 [6] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: Erläuterungen zu DIN Berlin : Beuth. - In: Schriftenreihe des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (2003), Nr. 525 [7] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton ; DAfStb- Instandsetzungsrichtlinie: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Teil 1: Allgemeine Regelungen und Planungsgrundsätze. Teil 2: Bauprodukte und Anwendung. Teil 3: Anforderungen an die Betriebe und Überwachung der Ausführung. Teil 4: Prüfverfahren. Ausgabe Oktober Berlin : Deutscher Ausschuss für Stahlbeton [8] Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein ; DBV; DBV-Merkblattsammlung: Merkblatt Parkhäuser und Tiefgaragen (Fassung Januar 2005). Berlin: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein, e.v., 2005 [9] Raupach, M.: Zur chloridinduzierten Makroelementkorrosion von Stahl in Beton. Berlin: Beuth. - In: Schriftenreihe des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (1992), Nr. 433 [10] Schießl, P., Raupach, M.: Chloridinduzierte Korrosion von Stahl in Beton. In: Betoninformationen (1988), Nr. 3/4, S [11] Schießl, P., Raupach, M.: Einfluss der Betonzusammensetzung und der Umgebungsbedingungen auf die chloridinduzierte Korrosion von Stahl in Beton: Ergebnisse von Untersuchungen mit Betonkorrosionszellen. In: Betoninformationen 30 (1990), Nr. 4, S Literatur [1] DIN Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton - Teil 1: Bemessung und Konstruktion [2] DIN Berichtigung Berichtigungen zu DIN :

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