Einsatz des Kathodischen Korrosionsschutzes bei der Spannbeton-Fahrbahnplatte einer Kanalbrücke

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1 Einsatz des Kathodischen Korrosionsschutzes bei der Spannbeton-Fahrbahnplatte einer Kanalbrücke Dipl.-Ing. M. Bruns Ingenieurbüro Raupach Bruns Wolff, Aachen, Deutschland Zusammenfassung Die Straßenbrücke Nr. 23 über den Küstenkanal bei Bockhorst wurde im Jahr 1956 erbaut. Die Spannbetonfahrbahnplatte der Brücke wurde dabei von Beginn ohne jegliche Abdichtung oder Fahrbahnbelag ausgeführt, so dass Chloride aus Streusalzen über Jahrzehnte auf den Konstruktionsbeton der Fahrbahn und der Geh- und Radwege einwirken konnte. Entsprechend dieser Beanspruchung waren Chloride zwar bereits tief in den Beton eingedrungen. Detaillierte Bauwerksuntersuchungen zeigten, dass trotz der vorhandenen Chloridbelastung die bisherige Schädigung der Bewehrung nur gering und örtlich begrenzt ist. Im Zuge der Grundinstandsetzung stellte sich daher die Frage der erforderlichen und möglichen Maßnahmen, um die Dauerhaftigkeit der Fahrbahnplatte weiterhin sicherzustellen. Nach Abwägung der Möglichkeiten der Instandsetzung hinsichtlich Bewehrungskorrosion wurde eine vollflächige Installation eines Kathodischen Korrosionsschutzsystems auf der Oberseite der Brückenplatte gewählt und umgesetzt. In diesem Beitrag wird die Instandsetzung mittels des KKS ausgehend von den Bauzustandsuntersuchungen über die Planung und Ausführung bis hin zu den anfänglichen Funktionsdaten beschrieben. 1. Bauwerkssituation Die Straßenbrücke Nr. 23 über den Küstenkanal bei Bockhorst wurde im Jahr 1956 erbaut. Bei dem Bauwerk handelt es sich um eine Stahlverbundbrücke mit zwei stählernen Hohlkästen, die über eine Stahlfachwerkkonstruktion versteift sind. Auf diese lagert eine in Querrichtung vorgespannte über Verbund planmäßig mittragende Fahrbahnplatte auf. Die als Einfeldträger ausgebildete Brücke besitzt eine Spannweite von 53,16 m. Der Stahlbetonplatte weist eine Gesamtbreite von 12,4 m auf. Die Fahrbahnbreite beträgt 8, m. Der planmäßige Querschnitt der Brücke, rechtwinklig zur Fahrbahnachse, ebenso wie Ansichten der Brücke sind in Bild 1 gegeben. Eine Abdichtung sowie ein Brückenbelag war in der Vergangenheit nicht vorhanden, so dass die Betonoberflächen der Fahrbahn und der Geh- und Radwege direkt befahren bzw. begangen wurden. Für die Quervorspannung der Fahrbahnplatte wurde Spannstahl mit Ø 26 mm der damaligen Festigkeitsklasse St 8/15 im nachträglichen Verbund verwendet. Für die nicht vorgespannte Bewehrung wurde Betonstahl BSt I verwendet. Bei dem vorhandenen Beton handelt es sich angabegemäß um einen Portlandzementbeton der damaligen Festigkeitsklasse B 45 mit einem Zementgehalt von 358 kg/m 3. Die planmäßige Betondeckung auf der Brückenoberseite beträgt angabegemäß 45 mm. Nach Auskunft des Bauherrn zeigten bereits frühere Untersuchungen eine erhebliche Chloridbelastung der Plattenoberseite, welche auch in einer Tiefe von 2 und 3 mm noch fast durchweg bei über 1, M.-% bezogen auf den Zementgehalt lag. Hinweise auf eine Korrosion der Bewehrung wurden bei den früheren Untersuchungen nach Auskunft des Bauherrn jedoch nicht gefunden. Im Vorfeld einer geplanten Grundinstandsetzung der Brücke sollte daher geklärt werden, ob und in welchem Maße eine Korrosionsschädigung der oberen Bewehrungslage der Fahrbahntafel vorliegt und welche Maßnahmen zur Sicherstellung der Standsicherheit und Dauerhaftigkeit ggf. erforderlich sind.

2 Bild 1: Straßenbrücke Nr. 23 bei Bockhorst, Seitenansicht (oben), Oberseite (Mitte) und planmäßiger Querschnitt (unten) 2. Untersuchung der Fahrbahnplatte hinsichtlich Bewehrungskorrosion Um den Korrosionszustand und die Korrosionsgefährdung der oberen Bewehrungslage der Fahrbahnplatte zu bewerten, wurden an der Plattenoberseite eine Potentialfeldmessung (siehe Bild 2) sowie Betondeckungsmessungen durchgeführt. Weiterhin wurden an zehn Stellen tiefengestaffelt Chloridgehalte des Betons ermittelt sowie an acht Stellen Inspektionsöffnungen zur Beurteilung des Bewehrungszustandes erstellt. Die Ergebnisse der Betondeckungsmessungen, der Potentialfeldmessung sowie der Chloridanalysen sind in Bild 3, projiziert auf die untersuchte Fläche, dargestellt. Bild 2: Potentialfeldmessung auf der Oberseite der Fahrbahnplatte der Straßenbrücke Bockhorst mit vierfach Radelektrode (Cu/CuSO4) Wie aus dem Potentialfeld zu erkennen ist, lassen sich anhand lokal niedriger Potentialwerte und starker Potentialgradienten nur lokal auf einer Fahrbahnseite sowie im Bereich des Radwegs deutliche Hinweise auf stattfindende Bewehrungskorrosion finden. Der Vergleich mit den Ergebnissen der Betondeckungsmessungen zeigt, dass diese Stellen i.d.r. sehr gut mit lokal geringeren Betondeckungen übereinstimmen. Die Chloridgehalte lagen an sieben von zehn Stellen selbst in der Tiefe von 3 bis 45 mm noch über 1, M.-% bezogen auf den Zementgehalt. An vier der acht erstellten Inspektionsöffnungen wurde Bewehrungskorrosion an den Betonstählen mit Querschnittsverlusten von bis zu ca. 15 % festgestellt. Die Betondeckungen an diesen Stellen lagen zwischen 27 und 37 mm und die Chloridgehalte in Höhe der Bewehrung zwischen,97 und 1,64 M.-%/z. Abplatzungen der Betondeckung waren an diesen Stellen nicht vorhanden. Aus den Untersuchungsergebnissen ergab sich demnach das Bild einer vollflächigen, verhältnismäßig gleichförmigen Chloridbelastung, bei der bis zu einer Betondeckung von ca. 6 mm mit erhöhten Chloridgehalten gerechnet werden muss. Anhand des gemessenen Potentialfeldes, der durchgeführten Betondeckungsmessungen sowie der erstellten Inspektionsöffnungen zeigte sich jedoch, dass Bewehrungskorrosion aufgrund der großflächig vorhandenen hohen Betondeckungen von über 5 mm, zum Zeitpunkt der Untersuchungen auf einzelne lokale Stellen mit geringeren Betondeckungen begrenzt ist und auch hier bislang nur zu moderaten Querschnittsverlusten (bis ca. 15 % an einzelnen Stäben) geführt hat.

3 Bild 3: Ergebnisse der Betondeckungsmessungen, der Potentialfeldmessung, der Chloridgehaltsanalysen sowie Lage der Inspektionsöffnungen (blaue Punkte) auf der Oberseite der Brückenplatte 3. Instandsetzung mittels KKS Auf Basis der Untersuchungsergebnisse wurden mit dem Bauherrn und der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) verschiedene Konzepte der Instandsetzung der Fahrbahnplatte hinsichtlich Bewehrungskorrosion erörtert. Diese reichten vom lokalen Betonersatz (Prinzip R-Cl nach RL-SIB [1]) im Bereich der bereits von Bewehrungskorrosion betroffenen Fahrbahn und des Radweges in Verbindung mit dem Einbau eines Korrosions- und Feuchtemonitoringsystems, über den teilflächigen Einsatz des Kathodischen Korrosionsschutzes (KKS) in Verbindung mit einem Monitoringsystem für die noch nicht von Korrosion betroffenen Bereiche, bis hin zum vollflächigen KKS der Brückenoberseite. Wesentliche Maßgabe auftraggeberseitig war bei allen Varianten, dass, aufgrund der geringen Aufbauhöhe, anstelle einer Brückenabdichtung mit Deckschicht gemäß ZTV-ING Teil 7.1 [2] als Fahrbahnbelag ein reaktionsharzgebundener Dünnbelag in Anlehnung an ZTV-ING Teil 7.5 [2] verwendet werden sollte. Nach gemeinsamer Erörterung der Vor- und Nachteile sowie der Risiken der unterschiedlichen Instandsetzungskonzepte, entschied sich der Bauherr für den vollflächigen Einsatz des KKS nach [1] und [3] auf der Brückenoberseite in Verbindung mit dem vollflächigen Auftrag eines reaktionsharzgebundenen Dünnbelages als Fahrbahnbelag. Der Kathodische Korrosionsschutz ist ein elekrochemisches Korrosionsschutzverfahren, welches bereits seit vielen Jahrzehnten in verschiedenen technischen Bereichen (Stahlwasserbau, Schiffsbau, Rohrleitungs- und Anlagenbau, Stahlbetonbau) Anwendung findet. Zur Erzielung des Korrosionsschutzes wird die Bewehrung beim KKS mittels eines zusätzlichen, i.d.r. flächig installierten Elektrodensystems (Anodensystem) und einer Gleichstromquelle in kathodische Richtung polarisiert. Diese kathodische Polarisation bewirkt neben der direkten Behinderung der anodischen Teilreaktion des Korrosionsprozesses (Eisenauflösung) eine Reihe weiterer Schutzprozesse, wie die Angleichung der Potentiale im Bereich passiver und depassivierter (korrodierender) Stahloberflächen und die Reduktion der Chloridionenkonzentration an der Stahloberfläche, die letztendlich in ihrer Summe dazu führen, dass die Korrosionsraten auf praktisch vernachlässigbare Werte reduziert werden können. Weiteres zu den Grundlagen und Wirkmechanismen des Kathodischen Korrosionsschutzes ist unter anderem in [4-9] zu finden. Aufgrund der nachfolgenden Überlegungen wurden hier als Anodensystems sogenannte MMO/Ti- Anodenbänder verwendet, die in die Betondeckung in Schlitzen eingebettet wurden: Nach den Ergebnissen der Bauwerksuntersuchungen ist die vorhandene Betondeckung ausreichend groß, um das Einbetten in Schlitze zu ermöglichen. Durch das Anodensystem wird keine nennenswerte zusätzliche Auflast erzeugt.

4 Durch das Anodensystem ergibt sich kein zusätzlicher Höhenversprung an den Fahrbahnübergängen, der durch Anrampungen hätte angeglichen werden müssen. Auf Basis der vorhandenen Bewehrungsgehalte ergab sich bei einer planerisch angesetzten Bemessungsstromdichte von 15 ma/m 2 bezogen auf die Stahloberfläche im Fahrbahnbereich ein Abstand der Anodenbänder von 15 cm. Im Bereich des Rad- und des Gehweges lagen wesentlich geringere Bewehrungsgehalte vor. Hier wurde vor dem Hintergrund des Erreichens einer möglichst gleichmäßigen Schutzstromverteilung ein maximaler Anodenabstand von 2 cm festgelegt. Die geplante und umgesetzte Anordnung der Anodenbänder ist in Bild 4 dargestellt. Über die Brückenlänge verteilt wurden die Anodenbänder über vier in gleichmäßigem Abstand angeordnete Titanbänder (Stromverteiler) angeschlossen, welche jeweils redundant über je zwei Anodenanschlüsse mit den Speiseleitungen des Gleichrichtersystems versehen sind. Das System wurde so ausgelegt, dass der maximale Spannungsabfall im Anodensystem bei Ansatz der Bemessungsstromdichte selbst im Fall des Ausfalls einzelner Anodenanschlüsse einen Grenzwert von 3 mv nicht überschreitet. Bild 4: Anodenlayout für die Oberseite der Fahrbahnplatte: Rote dünne Linien: Lage der Anodenbänder, rote dicke Linien: Titanbänder (Stromverteiler), blaue Dreiecke: Positionen der Bezugselektroden Zur Überwachung des KKS wurden insgesamt 15 Bezugselektroden (siehe Bild 4) eingebaut. Zehn dieser Bezugselektroden wurden zur Überwachung der Schutzwirkung an der Bewehrung nahe der Bewehrungsoberfläche installiert und fünf weitere wurden im Bereich der Hüllrohre der Spannglieder zur Überprüfung der Spanngliedpolarisation installiert. Bild 5 zeigt die Fahrbahnoberseite der Straßenbrücke nach Erstellung der Schlitze zur Einbettung der Anodenbänder. In den wenigen, kleinflächigen Bereichen, in denen die Betondeckung knapp unter 3 mm lag, wurde die genaue Lage der Bewehrung markiert. Die Anoden wurden in diesen Bereichen lokal über eine polymere Beschichtung isoliert. Eine besondere Problematik bestand weiterhin darin, dass die Bewehrung sämtlicher Schrammbordsteine keinen elektrischen Kontakt untereinander sowie zur Bewehrung der übrigen Brückenplatte aufwies. So musste für jeden einzelnen Bordstein der Bewehrungskontakt hergestellt werden. Weiterhin mussten sämtliche Befestigungsbolzen der ehemals vorhandenen Leitplanke entfernt werden (siehe Bild 5). Bild 6 zeigt oben die in den Schlitzen verlegten MMO/Ti-Bandanoden im Bereiche eines Anodenanschlusses und unten das Vergießen der Schlitze mittels des Anodeneinbettmörtels. Sämtliche Anschlusskabel (Anoden, Bewehrung und Bezugselektroden) wurden über Bohrungen in der Platte zur Brückenplattenunterseite in die Hohlkästen geführt und dort an die in der Hohlkastendecke geführten Stränge der Hauptspeiseleitungen bzw. im Fall der Bezugselektroden an die Messeinheiten angeschlossen. Der Controller- und Gleichrichterschrank wurde im zugänglichen Bereich einer Widerlagerwand angeordnet (siehe Bild 7). Bild 5: Fertig erstellte Schlitze zur Anodeneinbettung. Ebenfalls zu erkennen sind die aufgestemmte Schrammborsteine zur Herstellung der Bewehrungskontinuität sowie die Kernbohrungen im Bereich der Befestigungsbolzen der rückgebauten Leitplanke

5 Bild 8: Ansicht der Brückenoberseite nach Abschluss der Grundinstandsetzung der Brücke 4. Funktion des KKS-Systems Bild 6: Oben: In Schlitzen eingebettete MMO/Ti- Anodenbänder (im Bereich eines Anodenanschlusses). Unten: Vergießen der Schlitze mittels des Anodeneinbettmörtels. Bild 7: Controller- und Gleichrichterschrank angeordnet im Bereich einer Widerlagerwand. Bild 8 zeigt eine Ansicht der Brückenoberseite nach Abschluss der Grundinstandsetzung, bei der neben der KKS-Installation zahlreiche weitere Instandsetzungsarbeiten, wie die Erneuerung eines der Fahrbahnübergänge, eine umfangreiche Instandsetzung eines Widerlagers sowie eine Erneuerung derskorrosionsschutzes der Stahlbauteile durchgeführt wurden. Die Inbetriebnahme des KKS Systems erfolgte im Mai 212. Das gesamte KKS-System wird seitdem als eine einzige Schutzzone betrieben. Ausgehend von der Inbetriebnahme im Mai 212 bis Anfang Oktober 212 erfolgte der Betrieb mit einer angelegten Spannung von 1,3 Volt. Schon bei dieser vergleichsweise geringen Spannung wurde das 1 mv-kriterium, welches gemäß DIN EN ISO [1] zur Überprüfung der Wirksamkeit des Kathodischen Korrosionsschutzes angewendet werden kann, an 12 der 15 eingebauten Bezugselektroden erfüllt (siehe Bild 9). Im Oktober 212 wurde die angelegte Spannung auf 1,6 Volt erhöht. Dies führte dazu, dass das 1 mv-kriterium nun an 14 der 15 Bezugselektroden erreicht wurde. An der Bezugselektrode 15 war jedoch weiterhin nur eine sehr geringe Polarisation der Bewehrung festzustellen. Der Ursache hierfür wird derzeit nachgegangen. Um eine Wasserstoffentwicklung an den Spannstahloberflächen infolge des KKS zu vermeiden, was das potentielle Risiko einer wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion der Spannstähle in sich birgt, darf das Ausschaltpotential gemäß DIN EN ISO [1] bei Spannbetonbauwerken grundsätzlich nicht negativer als -9 mv bezogen auf das Potential der Ag/AgCl/,5 M KCl-Elektrode (+25 mvnhe) sein. Bezogen auf die hier verwendeten Mangandioxid- Bezugselektroden (+45 mvnhe) entspricht dies einem Grenzpotential von -155 mv. Wie aus Bild 9 zu erkennen ist, liegen die Ausschaltpotentiale an allen Bezugselektroden um mehr als 3 mv positiver als dieser Grenzwert. Schon auf Basis der Ausschaltpotentialwerte ist daher nicht von einer erhöhten Spannungsrisskorrosionsgefahr für die Spannglieder infolge des KKS auszugehen. Zudem liegen die Spannstäbe hier allesamt in metallischen Hüllrohren. Diese schirmen die Spannstäbe selbst vom elektrischen Feld des KKS vollständig ab (Faraday scher Käfig). So können zwar die Hüllrohroberflächen der Spannglieder durch den KKS polarisiert werden, die Spannstäbe selbst werden jedoch bei intaktem Hüllrohr infolge der Abschirmung durch das Hüllrohr nicht polarisiert und folglich kann

6 an deren Oberflächen auch keine Wasserstoffentwicklung stattfinden. U [V] i Schutz [ma/m 2 ] Depolarisierung [mv] Depolarisierung [mv] E vs. MnO 2 [mv] E vs. MnO 2 [mv] 2, 1,5 1,,5, Spannglieder RE SZ 1-1 RE SZ 1-5 RE SZ 1-9 RE SZ 1-11 RE SZ 1-13 schlaffe Bewehrung RE SZ 1-2 RE SZ 1-3 RE SZ 1-4 RE SZ 1-6 RE SZ 1-7 RE SZ 1-8 RE SZ 1-1 RE SZ 1-12 RE SZ 1-14 RE SZ 1-15 Papenburg Spannglieder RE SZ 1-1 RE SZ 1-5 RE SZ 1-9 RE SZ 1-11 RE SZ 1-13 schlaffe Bewehrung RE SZ 1-2 RE SZ 1-3 RE SZ 1-4 RE SZ 1-6 RE SZ 1-7 RE SZ 1-8 RE SZ 1-1 RE SZ 1-12 RE SZ 1-14 RE SZ Bild 9: Betriebsdaten der KKS Installation: Von oben: angelegte Spannung, mittlere Schutzstromdichte, 24 h-depolarisierung an den Bezugselektroden im Bereich der Spannglieder und des Betonstahls nach Ausschalten des KKS, Ausschaltpotentiale an den Bezugselektroden im Bereich der Spannglieder und Ausschaltpotentiale am Betonstahl. (Quelle: Korupp GmbH) 5. Fazit Bei dem hier vorgestellten Brückenbauwerk wurde erstmals in Deutschland ein Kathodischer Korrosionsschutz der Bewehrung auf der Oberseite einer Spannbetonbrückenplatte umgesetzt. Die Ergebnisse des Monitorings des installierten KKS-Systems zeigen, dass bereits nach kurzer Betriebszeit, nahezu vollflächig ein wirksamer Korrosionsschutz der Bewehrung vorliegt. Lediglich an einer Bezugselektrode werden die Schutzkriterien der DIN EN ISO derzeit noch nicht erreicht. Der Ursache hierfür wird noch nachgegangen. Weiterhin zeigen die Ergebnisse, dass die Polarisation sowohl im Bereich der Spannglieder wie auch im Bereich der Betonstahlbewehrung weit unterhalb der für eine Wasserstoffentwicklung maßgebenden Werte liegt und somit schon allein vor diesem Hintergrund keine erhöhte Spannungsrisskorrosionsgefährdung der Spannglieder infolge des KKS vorliegt. Durch den Einsatz des KKS als Instandsetzungsverfahren zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit der Bewehrung konnten hier massive Eingriffe in die Bausubstanz (Abtrag und Ersatz des chloridhaltigen Betons), die zudem aus statische Aspekten kaum möglich gewesen wären, vermieden werden. Literatur [1] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton ; DAfStb; DAfStb-Instandsetzungs-Richtlinie: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Berlin : Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, 21; einschließlich Berichtigungsblättern [2] Bundesanstalt für Straßenwesen; ZTV-ING: Baudurchführung: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten ZTV-ING. (inkl. ZTV-Kor-Stahlbauten 2) Dortmund : Verkehrsblatt, 27 [3] DIN EN 12696, 2-6: Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton; Deutsche Fassung EN 12696:2 [4] Hafenbautechnische Gesellschaft e.v., Fachausschuß für Korrosionsfragen, Kathodischer Korrosionsschutz für Stahlbeton (84 Seiten). Hafenbautechnische Gesellschaft e.v., Hamburg (1994) [5] Pedeferri, P. Cathodic Protection and Cathodic Prevention, Construction and Building Materials, Bd. 1, Nr 5, S , 1996 [6] A.M. Hassanein, G.K. Glass, N.R. Buenfeld: Intermittent Cathodic Protection of Concrete Structures. Cambridge : The Royal Society of Chemistry, In: Corrosion of Reinforcement in Concrete Construction, 4th International Symposium, Cambridge, UK, 1 4 July 1996,

7 (Page, C.L. ; Bamforth, P.B. ; Figg, J.W. (Eds.)), S [7] N.R. Bünfeld, G.K. Glass, A.M. Hassanein, J.-Z. Zhang: Chloride Transport in Concrete Subjected to Electric Field. In: Journal of Materials in Civil Engineering 1 (1998), Nr. 4, S [8] C.L. Page, G. Sergi: Developments in Cathodic Protection Applied to Reinforced Concrete. In: Journal of Materials in Civil Engineering 12 (2), Nr. 1, S [9] M.Bruns, H. Becker, C. Tritschler, G. Binder, Beton- und Stahlbetonbau, Volume 14, Issue 11, pages , November 29 [1] DIN EN ISO 12696:212-5: Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Be-ton (ISO 12696:212); Deutsche Fassung EN ISO 12696:212