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Kathodischer Korrosionsschutz Kathodischer Korrosionsschutz als Alternative zur bautechnischen Betonsanierung Thorsten Eichler 1. Einleitung...81 2. Grundlagen...82 3. Beispiele zur praktischen Umsetzung kathodischer Korrosionsschutzmaßnahmen...84 4. Fazit...87 5. Literatur...88 Der kathodische Korrosionsschutz (KKS) von Stahl in Beton wird seit mehr als dreißig Jahren erfolgreich zur Vermeidung korrosionsbedingter Schäden an Stahlbetonbauteilen und -werken eingesetzt. Die Anwendbarkeit des Verfahrens unterliegt technisch gesehen so gut wie keinen Restriktionen, wenn sowohl galvanische als auch fremdstrombasierte Systeme eingesetzt werden können. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hängt jedoch im Wesentlichen vom Schädigungsgrad des instand zu setzenden Bauwerks ab, so dass dieser, bei rein monetärer Bewertung von Instandsetzungsvarianten, häufig einen limitierenden Faktor bezüglich der Einsetzbarkeit von KKS darstellt. Die Möglichkeiten und die Grenzen des kathodischen Korrosionsschutzes werden im Folgenden, nach kurzer Darlegung der wesentlichen Grundlagen vorgestellt. 1. Einleitung Bereits Ende der fünfziger Jahre wurde der kathodische Korrosionsschutz von Stahl in Beton versuchsweise angewendet [6]. In Ermangelung geeigneter Anodenmaterialien wurde das Verfahren jedoch zunächst wieder verworfen. R. F. Stratfull [12] verhalf dem KKS, im Jahr 1974, durch die Veröffentlichung eines Forschungsberichtes, über eine KKS-Installation, mit leitfähigem Asphalt als Fremdstromanode, zu neuer Beachtung. Zwölf Jahre später, 1986, wurde die erste KKSB-Anlage in Deutschland im Rahmen eines 1985 initiierten, internationalen Forschungsvorhabens, des BRITE-Projektes [1], in Betrieb genommen [8] und schützte fünfzehn Jahre lang die durch Korrosion geschädigte Bewehrung einer Stützwand des Berliner Autobahnrings vor weiteren Querschnittsverlusten, bevor die Anlage wegen erforderlicher Umbaumaßnahmen im Jahr 2001 rückgebaut wurde. 81
Thorsten Eichler Die Entwicklung neuer und dauerhafter Anodenmaterialien führte in den letzten zehn bis fünfzehn Jahren dazu, dass der KKSB zusehends in den Fokus des Interesses von Bauherren und sachkundigen Planern bei der Instandsetzung, vorwiegend chloridgeschädigter Bauwerke, rückt. Die Korrosionsschutzwirkung durch kathodische Polarisation für das System Stahl/ Beton wurde mittlerweile hinreichend nachgewiesen und vielfach publiziert. Seit 1999 existiert die DIN EN 12696, welche die Leistungsanforderungen an KKSB-Systeme regelt und in Ihrer aktuellen Fassung in die DIN EN ISO 12696:2012 [3] überführt wurde. Der mittlerweile lange Erfahrungszeitraum mit dieser Form des elektrochemischen Korrosionsschutzes sowie die vorhandenen und gültigen europäischen und internationalen Normen und Regelwerke, machen den kathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton zu einem häufig wirtschaftlichen, effektiven und vor allem in seiner Anwendung sicheren Instandhaltungsverfahren, welches durch die Kombination mit konventionellen Instandsetzungsarbeiten zur deutlichen Wertsteigerung korrosionsgefährdeter Bauwerke führen kann. 2. Grundlagen Das Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes beruht auf der Potentialabhängigkeit der Elektrodenkinetik. Durch kathodische Polarisation wird die verbleibende Korrosionsrate des Schutzobjektes so weit verringert, dass diese technisch gesehen vernachlässigbar wird. Prinzipiell kann dieses Schutzziel auf zwei Arten erreicht werden. Durch Fremdstrompolarisation oder mit Hilfe von galvanischen Anoden. Die beiden Polarisationsarten sind in den Bildern 1 und 2 veranschaulichend dargestellt. log i A/m 2 kathodischer Ast der i-e-kurve anodischer Ast der i-e-kurve i corr,zn (Fe Zn) Metall 1 (Zink) Metall 2 (Eisen) i corr,zn i corr,fe i corr,fe (Fe Zn) Bild 1: E corr,zn E corr,fe Zn E corr,fe E V Schematische Darstellung des Funktionsprinzips des galvanischen kathodischen Korrosionsschutzes 82
Kathodischer Korrosionsschutz log i A/m 2 Schutzobjekt Kathode dimensionsstabile Anode i Schutz i corr,fe Treibspannung U ein an den Einspeisepunkten 4OH - 2H 2 O+O 2 +4e - Bild 2: i corr,fe,rest Fe Fe 2+ +2e - E Schutz E corr,fe 2H 2 O+O 2 +4e - 4OH - E 0,Anode i 0,Anode E V Idealisierte und veranschaulichende Darstellung des Prinzips des Fremdstrom-KKS mit inerten, bzw. dimensionsstabilen Anoden Im Stahlbetonbau wir der KKS häufig bei chloridinduzierter Korrosion, bzw. Depassivierung der Bewehrung eingesetzt. In diesem Fall findet die Polarisation von Makroelementen statt, deren Korrosionsrate über die Faraday schen Gesetze mit dem Makrozellstrom wie folgt zusammenhängt: I corr = E k,a E k E a + I eigen = + I eigen Ri Rp,a + R p,k + R el (1) mit dem gesamten Korrosionsstrom I corr in A, der Potentialdifferenz zwischen Anode E k,a und Kathode in V, dem Polarisationswiderstand der Anode R p,a in Ω, dem Polarisationswiderstand der Kathode R p,k in Ω, dem Elektrolytwiderstand R in Ω und el dem Eigenkorrosionsstrom I eigenen in A. Berücksichtig man zeitabhängige Änderungen des Korrosionsstroms I corr und drückt diesen als Funktion der Zeit aus, lässt sich die Korrosionsrate als Masseverlust wie folgt darstellen: m = M I corr (t) dt (2) z F mit der elektrochemisch umgesetzten Masse m in g, der molaren Masse des korrodierenden Metalls in g/mol, der Valenz der Elektrodenreaktion und der Faraday-Konstanten in As/mol. Wie anhand von (1) leicht zu erkennen ist, kann die Korrosionsrate des Makroelementes allein durch die Polarisation der wirksamen Kathodenflächen auf den Anteil an Eigenkorrosion abgesenkt werden. Polarisiert man das Makroelement darüber hinaus, wird auch der Korrosionsstrom aus Eigenkorrosion und die damit verbundene Korrosionsrate, Bild 1 und 2 verringert. Zusätzlich zu diesen, den Gesetzen der elektrochemischen Kinetik folgenden, Effekten, treten weitere elektrochemische Reaktionen und Prozesse auf, die sich auf das Korrosionssystem im Sinne der Dauerhaftigkeit günstig auswirken. Durch die kathodische Teilreaktion auf der Stahloberfläche (3) kommt es zur Erhöhung des ph-wertes in der Kontaktzone zwischen Stahl und Beton. 83
Thorsten Eichler 4 e- + 2 H 2 O + O 2 4 OH - Im Falle des Fremdstromschutzes, bewirkt das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode die Migration von Chloridionen zur Anode. Diese sog. sekundären Schutzeffekte können nach ausreichend langer Anwendungsdauer die Wiederherstellung der passivierenden Umgebung bewirken. Der KKS nutzt folglich nicht nur die elektrochemische Kinetik zur Verringerung der Korrosionsrate, sondern ruft zusätzlich Veränderungen hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung des Korrosionsmediums hervor, die sich positiv auf das Korrosionsverhalten der Bewehrung auswirken. (3) 3. Beispiele zur praktischen Umsetzung kathodischer Korrosionsschutzmaßnahmen Der kathodische Korrosionsschutz allein ist wie bereits weiter oben erwähnt kein Instandsetzungsverfahren im eigentlichen Sinne, sondern ein Instandhaltungsverfahren, welches erst durch die Kombination mit konventionellen Maßnahmen zu einem anwendbaren Instandsetzungsverfahren wird. Besonders deutlich wird dieser Umstand, wenn man sich die zwei grundsätzlich verschiedenen Operationsmodi vor Augen hält, die beim KKS angewendet werden können. Baut man beispielsweise ein kathodisches Schutzsystem direkt beim Neubau eines Stahlbetonbauwerkes ein, kann der Bauherr, je nach Zielstellung, zwischen präventivem kathodischen Schutz und kathodischem Korrosionsschutz wählen. Durch den präventiven Schutz lässt sich der Zeitpunkt der Korrosionsinitiierung, beispielsweise durch das Einwirken von Chloriden, beliebig weit in die Zukunft verschieben. Der Ist-Zustand wird folglich, zumindest bezüglich korrosionstechnischer Fragen, auf dem Niveau des Zustandes direkt nach Fertigstellung gehalten. Entscheidet sich der Bauherr dazu das System so auszulegen, dass es bei Korrosionsinitiierung in Betrieb genommen wird, wird der Korrosionsgrad der Bewehrung bei Inbetriebnahme praktisch gesehen eingefroren. D.h. durch den kathodischen Korrosionsschutz kann der aktuelle Zustand des Bauwerks nicht verbessert, sondern lediglich gehalten werden. Aus diesem Umstand ergibt sich die wesentliche Anwendungsgrenze des Verfahrens. Bild 3 zeigt eine stark durch chloridinduzierte Korrosion geschädigte Stahlbetonstütze einer Tiefgarage. Der Schädigungsgrad der Stütze ist im vorliegenden Fall so groß, dass ihre Tragfähigkeit in Frage gestellt werden muss und folglich eine klassische Instandsetzung der Stütze mit Betonersatz und ggf. Bewehrungsergänzung unvermeidbar ist. Bei derart umfänglichen Instandsetzungsarbeiten würde ein zusätzlich eingebautes kathodisches Korrosionsschutzsystem die Kosten für die Instandsetzung deutlich erhöhen. Unter der Voraussetzung einer fachgerechten Ausführung der Arbeiten sowie des Behebens der Schadensursache, nämlich einer undichten Bauwerksfuge, durch die chloridhaltiges Wasser in den Stützenbeton eingedrungen ist, macht eine zusätzliche Installation eines kathodischen Korrosionsschutzsystems bei monetärer Bewertung wenig Sinn. Die Anwendungsgrenzen des kathodischen Korrosionsschutzes werden anhand dieses Beispiels offenbar. Technisch ist der kathodische Schutz zwar realisierbar, jedoch wirtschaftlich nicht sinnvoll, da der KKS in diesem Fall Mehrkosten verursachen würde, die ohne ihn nicht anfielen. 84
Kathodischer Korrosionsschutz Bild 3: Durch Korrosion geschädigte Stahlbetonstütze mit starker Rissbildung (Korrosion durch Tausalzeinwirkung) Die größten Vorteile bietet der KKS in Fällen, in denen der Schädigungsgrad des Bauwerks gering ist, eine klassische Instandsetzung jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden wäre. Dies tritt für gewöhnlich dann auf, wenn kritische Chloridgehalte auf Höhe der Bewehrung vorhanden sind, die Schädigung der Bewehrung jedoch noch als verhältnismäßig gering einzustufen ist. Bei klassischer Betonsanierung würde der gesamte Beton, in dem ein kritischer Chloridgehalt vorhanden ist abgetragen werden und durch chloridfreien, neuen Beton ersetzt werden. Es existiert eine Vielzahl an Beispielen für die erfolgreiche Umsetzung kathodischer Korrosionsschutzmaßnahmen in der Praxis. In [4] und [10] wird über die Instandsetzung des Parkhauses Am Gericht in Frankfurt am Main berichtet, in dem etwa 6.500 m² Bodenflächen, Wandsockel und Stützenfüße durch den kathodischen Korrosionschutz vor dem Fortschreiten einer korrosionsbedingten Schädigung geschützt werden. Bild 4 zeigt schematisch den, im Parkhaus Am Gericht verwendeten, Systemaufbau für die tragenden Zwischendecken. Über die Besonderheiten beim kathodischen Korrosionsschutz der fugenflankierenden Bewehrung des Stachusbauwerks in München berichten Sodeikat et al. [11]. Gieler- Breßmer et. al. schreiben [5] über den kathodischen Korrosionsschutz der Unterkonstruktion von Brückenbauwerken an der A 2 Südautobahn Wien-Graz und Bruns und Binder referieren in [2] über den kathodischen Korrosionsschutz der vorgespannten Überbauten einer Schleuse in Iffezheim. Die Anzahl der hier genannten Beispiele zum kathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton ist zwar nicht repräsentativ für den Anteil, den dieses Verfahren mittlerweile am Gesamtvolumen der umgesetzten Instandsetzungsmaßnahmen hat, jedoch 85
Thorsten Eichler verdeutlichen sie, das trotz der in den o.g. Publikationen behandelten, sehr unterschiedlichen Bauwerke, das Schutzprinzip und der Nachweis der Schutzwirkung bei allen Projekten identisch sind. Im Kraftwerksbau wurde kathodischer Korrosionsschutz als Instandsetzungsprinzip bereits bei einer Reihe von Projekten, welche jedoch im Normalfall auf Wunsch des jeweiligen Bauherrn nicht publiziert wurden eingesetzt. Als Beispiel für den erfolgreichen Einsatz von KKS lassen sich durch Schlackebunker mit hoher Chloridbelastung oder Kamine nennen, bei denen eine starke Chlorideinwirkung durch Kondensatbildung auftritt. Thermofalt-Belag Anodeneinbettmörtel Titanmischoxid-Bandanoden Ausgleichschicht zum Ausgleich von Unebenheiten Reprofilierung mit Betonersatz obere Bewehrungslage Altbeton Bild 4: Schematische Darstellung des Systemaufbaus für den kathodischen Korrosionsschutz der Betonstahlwehrung der tragenden Zwischendecken des Parkhauses Am Gericht in Frankfurt am Main Quelle: Pruckner, F.; Eichler, T.; Schade, A.; Klein, H.-H.: Parkhaus Am Gericht in Frankfurt am Main _ Eine Sanierung mit kathodischem Korrosionsschutz. In: Bautechnik, Band 84, Nr. 7, S. 465-476 Das für den KKS-B wichtigste Regelwerk ist die DIN EN ISO 12696 [3], welche die Anforderungen an kathodische Korrosionsschutzsysteme im Stahlbetonbau regelt. Der Nachweis der Schutzwirkung kann nach DIN EN ISO 12696 [3] unter anderem über sog. Schutzkriterien erbracht werden, die für sämtliche Stahlbetonbauwerke gleichermaßen gültig sind. Dabei reicht es aus, eines der in Tabelle 1 genannten Schutzkriterien nachzuweisen, um sicherzustellen, dass das betreffende Bauteil vollständig kathodisch geschützt ist. Tabelle 1: Zusammenstellung der in der DIN EN ISO 12696 verankerten Schutzkriterien für den kathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton Kriterium Erklärung Anwendung Der Potentialanstieg ausgehend vom IR-freien Stahl / Beton Potential 1. 100 mv innerhalb von 24 h nach dem Ausschalten des Schutzstromes muss mindestens 100 mv betragen Der Potentialanstieg ausgehend vom IR-freien Stahl / Beton Potential 2. 150 mv nach mehr als 24 h nach dem Ausschalten des Schutzstromes muss mindestens 150 mv betragen Das IR-freie Potential der geschützten, schlaffen Stahlbewehrung liegt 3. -720 mv zwischen (-720) mv und (-1100) mv gegen eine Ag/AgCl/0,5 M KCl-Elektrode, oder bei Spannstahl zwischen (-720) mv und (-900) mv Atmosphärisch exponierte Stahlbetonbauteile Atmosphärisch exponierte Stahlbetonbauteile Bauteile, die im Erdboden bzw. in dauer feuchter Umgebung o. unter Wasser liegen 86
Kathodischer Korrosionsschutz Der Nachweis der Schutzwirkung muss auf Grundlage von Depolarisations- oder Potentialmessungen erfolgen. Im Normalfall werden hierzu sog. Referenzelektroden mit großer Langzeitstabilität in den Stellen mit der höchsten Korrosionswahrscheinlichkeit in das Bauwerk integriert. Moderne Anlagen nutzen Monitoring- und Steuerungssysteme, mit Hilfe derer die betreffende KKS-Anlage über eine Datenfernleitung gesteuert und geregelt werden kann. Die Bilder 5 a) bis 5 d) zeigen die wesentlichen Elemente eines zum Nachweis der kathodischen Schutzwirkung geeigneten Monitoringsystems. a b c Bild 5: d Elemente eines Monitoringsystems für den kathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton: a) Einbau einer MnO 2 -Referenzelektrode, b) Schaltschrank mit Controller- Einheit und BUS-Adapter, c) Verteilerkasten für A/D-Wandler zur Potentialmessung, d) Messknoten (A/D-Wandler) mit Verdrahtung 4. Fazit In Deutschland werden seit mittlerweile mehr als 25 Jahren Stahlbetonbauwerke kathodisch vor dem Fortschreiten korrosionsbedingter Schädigungsprozesse geschützt. In den letzten zehn Jahren hat sich der KKS hierzulande wegen seiner Zuverlässigkeit und Sicherheit zu einem Standardverfahren bei der Instandsetzung korrosionsgefährdeter Stahlbetonbauwerke entwickelt. Die wissenschaftliche Aufarbeitung und Klärung von Risiken die mit diesem Verfahren verbunden sein können, wie z.b. der Verbundverlust zwischen Stahl und Beton bei massivem Überschutz oder die Auswirkungen des KKS 87
Thorsten Eichler auf eine mögliche Alkali-Silika-Reaktion (ASR), führte spätestens im Jahr 1996, mit der Veröffentlichung der Untersuchungen von Pedeferri [9], zur Gewissheit, dass der KKS bei fachgerechter Planung und Ausführung eines der sichersten, verfügbaren Instandsetzungsverfahren ist. Die Ansprüche, welche die Planung von KKS-Maßnahmen an Ingenieure und Ausführende stellt, sind entsprechend hoch. Die Wahl und Auslegung geeigneter Anodensysteme sowie der fachgerechte Einbau erfordern nicht nur ein hohes Maß an Erfahrung, sondern auch besondere Sorgfalt. Mittlerweile ist der kathodische Korrosionsschutz fester Bestandteil des Instandsetzungsrepertoires vieler, hervorragender Planungsbüros und Baufirmen. Die derzeit immer weiter steigenden Marktanteile des KKS belegen nicht nur die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, sondern verdeutlichen auch die Wertigkeit weiterer Vorteile gegenüber der konventionellen Instandsetzung, wie z.b. die obligatorische Installation eines Bauwerksmonitoring, kurze Bauzeiten, geringe Lärmemissionen und keine bis geringfügig erforderliche, Eingriffe in die Statik. 5. Literatur [1] BRITE-Project: Electrochemically-based Techniques for Assessing and Preventing Corrosion of Steel in Concrete Final technical report, 1990 [2] Bruns, M.; Binder, G.: Umsetzung des kathodischen Korrosionsschutzes an den Spannbetonüberbauten der Schleusenbrücke Iffezheim. In: Beton und Stahlbetonbau, Band 108, Nr. 2, 2013, S. 104-115 [3] DIN Deutsches Institut für 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, T.; Isecke, B.; Pruckner, F.; Schade, A; Klein, H.-H.; Michel, S.: Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton Instandsetzung des Parkhauses Am Gericht in Franfurt am Main, Beton und Stahlbetonbau, Band 102, Nr. 5, 2007, S. 310-320 [5] Gieler-Breßmer, S.; Pruckner F.; Schalko, D. Generalerneuerung der A2-Südautobahn Wien- Graz: Kathodischer Korrosionschutz an den Stützenreihen der Überführungen Ü 13 bis Ü22. 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 Theorie und Praxis der elektrochemischen Schutzverfahren, 4. Auflage. Weinheim New York Chichester Brisbane Singapore Toronto: Wiley-VCH, 1999, S. 530. [7] Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton (ISO 12696:2012); deutsche fassung EN ISO 12696:2012, Berlin: Deutsches Institut für Normung e.v., 2012 [8] Mietz, J.; Fischer J.; Isecke, B.: Materials and Corrosion, Band 52, 2001, S. 920 [9] Pedeferri, P.: Cathodic Protection and cathodic prevention. In: Construction and Building Materials, Band 10, Nr. 5, 1996, S. 391-402 [10] Pruckner, F.; Eichler, T.; Schade, A.; Klein, H.-H.: Parkhaus Am Gericht in Frankfurt am Main _ Eine Sanierung mit kathodischem Korrosionsschutz. In: Bautechnik, Band 84, Nr. 7, S. 465-476 [11] Sodeikat, C.; Mayer T. F.; Schöning, M.: Kathodischer Korrosionsschutz an Bauwerksfugen In: Beton und Stahlbetonbau, Band 106, Nr. 5, 2011, S. 325-331 [12] Stratfull, R. F.: Experimental Cathodic Protection of a Bridge Deck. Sacramento: State of California Buisiness and Transportation Agency Department of Transportation Division of Highways, 1974. 88