Thema: Kathodischer Korrosionsschutz mit Textilbeton: Anspruch, Entwicklung, Performance und Langzeiterfahrung

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1 1 Parkbauten Kolloquium TAE Januar Ostfildern Thema: Kathodischer Korrosionsschutz mit Textilbeton: Anspruch, Entwicklung, Performance und Langzeiterfahrung (D. Koch, M. Mahjoori) Dipl.- Chem. Detlef Koch, MSc. Chem. Majid Mahjoori Koch GmbH Hagener Str. 87 D Kreuztal koch@betonbeschichtung.net mahjoori@betonbeschichtung.net In Kooperation mit:

2 Historischer Hintergrund Textilbeton 2 Jahr Beschreibung 1994 Dresden 1999 Dresden - Aachen SFB528 SFB Dresden TUDAG 2008 Dresden TUDALIT 2015 Kreuztal Textilbeton Anoden Koch GmbH Textilbeton weltweit erste Brücke aus Textilbeton im Gelände der Landesgartenschau Oschatz (Sachsen) (Wikipedia)

3 Anspruch Textilbeton 3 Textilbeton als künstlicher Verbundwerkstoff: geeignet für neue Bauteile und zur Verstärkung leicht und dabei hoch tragfähig Begrenzung der Verformung Gewebe / Gelege beständig gegen hohe Alkalität guter Verbund zwischen textiler Bewehrung und der Betonmatrix gute mechanische Eigenschaften rissüberbrückend bzw. vielfach rissverteilend einsetzbar sein leichter und dünner als Stahlbeton

4 Historischer Hintergrund der Anodentypen 4 Jahr Anodentyp Beschreibung 1824 Eisen Opferanode HMS Samarang Royal Navy 1840 Zink Opferanode Edmund Davy 1902 KKS mit Fremdstrom Edison und k. Cohen 1924 Aluminium Fremdstrom H. Guldager 1926 Künstliche Graphitanoden Nippon Carbon Co 1956 platinierte Titananoden Fremdstrom England und Holland Mitte 1970 KKS für Beton/ MMO-Ti Fremdstrom 1990 Aluminium Opferanode 1998 Leitfähige Beschichtung Fremdstrom Protector 2001 Cassette Fremdstrom Protector 2003 Carbon-Netz Fremdstrom Maxit-Carbocath 2014 Klebbare Anodensysteme Koch GmbH 2015 Textilbeton - Anoden Koch GmbH 2015 Multifilament - Anoden Koch GmbH Einsturz der Silver-Brücke Ohio (1967) durch Korrosion und Materialermüdung Korrodierte Stahlbewehrung in einem Parkhaus in Siegen

5 Rolle und Eigenschaften des Anodensystems beim kathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton (KKSB) 5 Ø Ø Ø Ø Ø Das Anodensystem im KKSB muss: die benötigte Schutzstromdichte dauerhaft liefern können, den kathodischen Schutzstrom zu den zu schützenden Bauteilen transportieren, die Umwandlung von elektronischem Strom zu ionischem Strom an der Betonkontaktfläche ermöglichen die Stromverteilung zur Oberfläche des eingebetteten Stahls gewährleisten zusammengefasst: Strom verlustarm transportieren und in Leiter anderer Ordnung einleiten

6 Textilbeton als Anodensystem für KKSB Anspruch bzw. Zielsetzung 6 dauerhaft als KKS einsetzbar monolithisch schnell verarbeitbar vielfach rissverteilend statisch verstärkend direkt befahrbar hoch abrasionsfest rutschhemmend dünnschichtig anwendbar bei Neubauten und im Sanierungsfall ökologischer als herkömmliche Systeme kurz: die eierlegende Wollmilchsau

7 Verwirklichung des Vorhabens Entwicklung Mörtel 7 Entwicklung eines neuartigen Mörtels für den Einsatz im KKSB- Textilbeton: Nach Auswahl einer geeigneten Standartmörtelmischung wurde diese zur Verbesserung der elektrischen und mechanischen Kenngrößen sowie der Frischmörteleigenschaften durch Variation folgender Komponenten und Methoden modifiziert und weiterentwickelt: w/z Wert Gesteinskörnungen unterschiedliche Zusatzmittel wie Fließmittel, Erstarrungsbeschleuniger, Schwindreduzierer, Verzögerer, Quellmittel klimatische Bedingungen und Nachbehandlungsarten Mischenergie

8 Verwirklichung des Vorhabens Entwicklung Mörtel 8 Hauptkriterien bei der Mörtel-Auswahl für die KKS-Textilbeton-Entwicklung Verschleißwiderstand Verarbeitbarkeit Elektrische Leitfähigkeit Biegezug- und Druckfestigkeit Schwind- und Rissverhalten

9 Verwirklichung des Vorhabens - Mörtelentwicklung 9 Verschleißwiderstandtest Anspruche: a) ausreichende Abrasionsfestigkeit für eine mögliche Befahrung b) rutschhemmend 10% Hartstoffe an einem ausgewählten System eingemischt, 1,5 kg/m² Hartstoff in den frischen Mörtel eingestreut, optimierte Menge angepasst an das Einsinkverhalten der Körnung auf dem frischen Mörtel Verschleißwiderstand in [g/cm²] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Mit 1,5 kg/m² Streugut Verschleißwiderstand in [g/cm²] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Mit 1,5 kg/m² Streugut Verschleißwiderstand in [g/cm²] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Mit Streugut in optimierter Oberflächenbedeckung 0,1 0,1 0,

10 Verwirklichung des Vorhabens - Mörtelentwicklung 10 Verarbeitbarkeit Anspruch: a) gleichmäßige und selbständige Verteilung des Mörtels zwischen mehreren Gewebelagen b) Erschaffung eines möglichst dünnen Systems c) guter Verbund zwischen textiler Bewehrung und der Betonmatrix Einsatz von Feinmörtel mit maximalem Größtkorn von 2 mm Herabsetzen der Viskosität der Mörtelmischung durch Fließmittel-Einsatz

11 Verwirklichung des Vorhabens Entwicklung Mörtel 11 Elektrische Leitfähigkeit Anspruch: a)ausreichende elektrische Leitfähigkeit der neu zu entwickelnden Einbettmörtel für deren Eignung im kathodischen Korrosionsschutz b)möglichst stabiles Leitfähigkeit-Verhalten bei verschiedenen klimatischen Bedingungen Herstellung von Mörtelproben für elektrische Widerstandstests Bestimmung der elektrische Widerstände der Mörtelproben durch Konzipierung von funktionstüchtigen Anoden- / Elektrodenanschlüssen Modifizierungsverfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit Erhöhung der elektrische Leitfähigkeit der Mörtelmischung durch den Einsatz von nitrathaltigem Zusatzmittel

12 Verwirklichung des Vorhabens, elektrische Mörtel- und Messtechnikentwicklung 12 spezifische Widerstand (kω.cm) V2: Vergussmörtel 2 V2HS1: Vergussmörtel 2+ Hartstoff1 ZM5: nitrathaltige Erstarrungsbeschleuni ger ZM6: Quellmittel ZM7: Verzögerer ZM8: Fließmittel spezifische Widerstand (kω.cm) V2HS1: Vergussmörtel 2+ Hartstoff1 ZM5: nitrathaltige Erstarrungsbeschleuni ger ZM1: Fließmittel 0 0

13 Verwirklichung des Vorhabens - Mörtelentwicklung 13 Biegezug- und Druckfestigkeit Anspruch: a) Ausreichende mechanische Festigkeiten des Mörtels für den Einsatz in Textilbeton b) Verhinderung einer Schwindrissproblematik infolge einer zu hohe Festigkeit und zu schnellen Festigkeitsentwicklung c) Verhinderung eines negativen Einflusses der zu hohen Festigkeit auf die Kraftübertragung des Gewebes im Textilbeton Leistungssteigerung von >80% der Druckfestigkeit durch Optimierung des Mörtels (Änderung des w/z- Wertes von 0,46 auf zunächst 0,35) Durchführung mehrerer Modifizierungsverfahren über Zusatzmittel final Absenkung der Festigkeiten des Mörtels durch die Erhöhung des w/z- Wertes von 0,35 auf 0,38 und durch die Verwendung weiterer Zusatzmittel , ,00 67,00 72,00 60,40 Biegezugfestigkeit [N/mm²] (28 Tage) Druckfestigkeit [N/mm²] (28 Tage) ,9 9,3 10,3 8,22 0

14 Verwirklichung des Vorhabens - Mörtelentwicklung 14 Schwind- und Rissverhalten Anspruch a) Reduzierung Frühschwinden b) Verhinderung der Rissbildung Anwendung von diversen Modifizierungsverfahren zur Reduzierung Frühschwinden und Rissbildung Deutliche Reduzierung des Schwindens durch Einsatz von Quellmitteln Positiver Einfluss der Nachbehandlung mit Wasser plus Folienabdeckung auf die Reduzierung des Schwindverhaltens Positiver Einfluss der Einsatz von Verzögerern auf das Rissverhalten Schwinden (µm/m) Zeit (Tage) D + 0,4% Al2O3 D + 0,6% Al2O3 D + 0,8% Al2O3 Schwinden (µm/m) D + Folie Wasser besprühren jede 10 minute direkt nachdem Messstart Wasserbesprühren jede 10 Minute nachdem Erstarrungsbeginn Temp. r.f Zeit (Tage)

15 Rissmessung- Rissverteilung 15 0,70 Fl. der verschiedenen Rissbreite auf 15 cm 15 cm Fläche (cm²) 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 - Rissnummer Breite (µm) Länge (cm) 1 37,82 1, ,85 3, ,51 4,7 4 44,28 4,2 5 54,42 1, ,97 1, ,39 2, ,41 2,2 9 30,34 3, ,2 3, ,62 3, ,8 3, ,5 3, ,68 3, ,51 3, ,18 6, ,87 D+CF+Gew+2 4, ,14 3 C 3, ,42 2, D D+23 C D+NB D+QM D+1mal Feucht D+Gew D+CF D+CF+Gew >100 µm , µm - 0,07-0,07-0, , µm 0,09 0,46 0,13-0,05 0,37 0,10 0,11 0,17 0,15 - bis 30 µm 0,18 0,07 0,14-0,03 0,09 0,10 0,07 0,08 0,14 0,17 D+QM+Gew. *es wurde mittels ImageJ und Axiovision ausgewertet.

16 Verwirklichung des Vorhabens Gewebeauswahl 16 Carbongewebe-Auswahl Benetzungstest zwischen Mörtel und Gewebe

17 Untersuchung der möglichen Systeme für den Einsatz als Einspeisepunkt 17 Nr Probe Widerstand am Anfang (Ω) Widerstand am Ende (Ω) Widerstand am Anfang (Ω) (W1) Widerstand am Ende (Ω) (W1) Widerstand am Anfang (Ω) (W2) Widerstand am Ende (Ω) (W2) 1 Titanband geschraubt 2,83 2,53 2,73 2,51 2,63 2,44 2 Titangitter geschraubt 5,00 3,10 5,35 3,10 5,75 3,10 3 Titangitter- angeschweißt 2,44 2,64 2,92 2,64 2,95 2, Titangitter- angeschweißt + Leitf. Kleber Kupferkabel VarD- KF. 1cm Kupferkabel VarB- KF. 1cm 2,49 2,41 2,51 2,40 2,51 2,39 2,68 2,49 2,80 2,53 3,08 2,55 3,92 3,02 4,22 3,09 4,65 3,09 7 Kupferkabel Var B- KF. 5cm 2,40 2,36 2,45 2,35 2,47 2, Titanstab Var D- KF. 5cm 3,13 2,61 3,04 2,63 3,04 2,63 Titanstab Var B- KF. 5cm 2,73 2,85 3,40 2,85 3,45 2,85

18 Verwirklichung des Vorhabens Gewebeauswahl 18 Untersuchung möglicher Anodenanschlüsse, Einspeisepunkte 7,0 6,5 6,0 Kupferkabel Var B 5 cm 1 cm Widerstand (Ω) 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2, Zeit (Sek.) 5,0 4,5 Kupferkabel - leitfähiger Kleber Kupferkabel - Epoxidharz Titangitter geschraubt Titangitter geschweisst Widerstand (Ω) 4,0 3,5 3,0 zwei MMO beschichtete Titanbänder, die oberhalb und unterhalb der Gewebe positioniert und zusammengeschweißt sind 2,5 2, Zeit (Sek.)

19 Verwirklichung des Vorhabens Gewebeauswahl 19 Untersuchung der Stromverteilung innerhalb des Gewebes Abhängigkeit der Stromverteilung auf der Gewebefläche hinsichtlich der Einspeiseart und - richtung für unterschiedliche Gewebestrukturen Simulation der Stromverteilung Messung der Stromverteilung

20 Simulation der Stromverteilung für den KKS-Textilbeton auf Beton 20 Spezifischer Widerstand des Betons Kontaktwiderstand Gewebe/Mörtel Kontaktwiderstand Beton/Mörtel Kontaktwiderstand Beton/Mörtel Spezifischer Widerstand der Mörtel Spannung 1000 kohm.cm 100 ohm.m² 100 ohm.m² 100 ohm.m² 600 kohm.cm 2 V

21 Verwirklichung des Vorhabens Gewebeauswahl 21 Untersuchung der möglichen Systeme für die mechanische und elektrische Kontaktierung mehrerer Gewebelagen miteinander und auf dem Untergrund Die vollständige Benetzung der Gewebelagen sowie die mechanische und elektrische Kontaktierung mehrerer Gewebelagen miteinander und auf dem Untergrund sind essentiell für den KKS- Textilbeton.

22 Untersuchung des KKS-Textilbetons als Verbundkörper bei verschiedenen Chloridgehalten und klimatischen Bedingungen hinsichtlich des Polarisationsverhaltens 22 Die Funktionstüchtigkeit des entwickelten Anodensystems im Labormaßstab wurde getestet. Es wurde gezeigt, dass das System bei verschiedenen Klimabedingungen und unterschiedlichen Chloridgehalten eine ausreichende Stromdichte (min. 4 ma/m² nach 200 Tagen) für den KKS liefern kann. Die Ausschaltpotentiale der Proben (Polarisationskurve) können das Ergebnis bestätigen. Bei allen Proben ergibt sich ein Potentialabfall über maximal 24 h von mindestens 100 mv ausgehend vom Wert des Ausschaltpotentials % Chlorid- 20 C, 50% r.f. Spannung (mv) Strom (ma) Referenzelektrode 1,0 0, % Chlorid- 20 C, 50% r.f. Spannung (mv) Strom (ma) Referenzelektrode 1,0 0, ,8 0, ,8 0, , , , , , ,4 0, ,2 0 0, , Zeit (Tage) , ,2 0 0, , Zeit (Tage) 200 0

23 Lageplan der Versuchsfläche 23

24 Langzeituntersuchung 24 Aufbringen des entwickelten Textilbeton als Anodensystem in einem Parkhaus mit chloridinduzierter Korrosion Die Kombination aus entwickeltem Mörtel und Gewebe kann als Anodensystem für den KKSB eingesetzt werden, weil Mörtel, Gewebe und Kontaktierungen ausreichend Strom liefern können die Summe der mechanischen Eigenschaften des Mörtels, Schwindverhalten und Verarbeitbarkeit in ausreichenden bis guten Bereichen liegen das Rissverhalten des Textilbetons bei sorgfältiger Nachbehandlung akzeptabel ist die Langzeitmessergebnisse (Labor und Baustelle) für den KKS-Textilbetons als Anodensystem bis jetzt sehr gute Werte liefern

25 Monitoring und Depolarisation der Textilbeton-Vorversuche im Parkhaus 25

26 Monitoring und Depolarisation der KKS-Textilbeton-Versuchsflächen im Parkhaus: einlagiger Aufbau und Sockel 26

27 Monitoring und Depolarisation der KKS-Textilbeton-Versuchsflächen im Parkhaus: zweilagiger Gewebeaufbau 27

28 KKS-Textilbeton als Anodensystem- zweilagiger Gewebeaufbau 28

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