Galvanischer Schutz der Stahlbetonbewehrung teilinstandgesetzter Bereiche in Parkbauten Dr.-Ing. Andrei Walther BauConsulting, Brandenburg/H, Deutschland Dipl.-Ing. Martin Wilcke BauConsulting, Brandenburg/H, Deutschland Dipl.-Ing. Mark Heinstein TU Berlin, Berlin, Deutschland Zusammenfassung Instandsetzungsmaßnahmen von Tragwerkstrukturen aus Stahlbeton müssen, wenn sie nach Instandsetzungsrichtlinie des DAfStb ausgeführt werden, den Grundsatzlösungen der Prinzipien R, C, K, W folgen. Bei allen Teilinstandsetzungen (Patch Repair) können aufgrund der Entstehung von unterschiedlichen Potentialen zwischen Neu- und Altbeton sowie der Stahlbewehrung sich im direkten Umfeld der Reparaturstelle neue anodische Teilbereiche entwickeln. Besonders bei chloridbelastetem Beton besteht dadurch die Gefahr zur Neubildung von Korrosionsherden. Der Einbau diskreter Opferanoden in der Randzone von instandgesetzten Teilflächen oder Bauteilen kann die Potentialverschiebung in Richtung neuer Anodenbereiche verhindern. Die anodischen Auflösungsprozesse der Stahlbewehrung an Randbereichen des instandgesetzten Betons werden durch den Elektronenfluß der galvanischen Opferanode aus aktiviertem Zink ersetzt. Auf diesem Weg ist die Stahlbewehrung vor Korrosion durch Ausbildung neuer Makroelemente geschützt. Eine kathodische Vorbeugung bzw. Kontrolle der Bewehrungskorrosion durch Einbau von galvanischen Opferanoden bei ohnehin instandsetzungsbedürftigen Stahlbetonbauteilen, vor allem an sensiblen Knoten- und Anschlusspunkten, kann dazu beitragen die Lebensdauer und gebrauchstaugliche Nutzungsphasen zu verlängern. In der Veröffentlichung werden die Tauglichkeit sowie Anwendung von Anodensystemen in Parkbauten dargestellt und an einem Praxisbeispiel präsentiert. 1. Einführung Der Konstruktionswerkstoff Stahlbeton vereint in hervorragender Art und Weise die hohe Druckfestigkeit des Betons mit der großen Zugfestigkeit des Stahls. Für Entwurf, Bemessung und Konstruktion von Tragwerksstrukturen aus Stahlbeton stehen mittlerweile ausgereifte Prinzipien und Methoden der Planung zur Verfügung. Leistungsfähige Werkzeuge und Qualitätssicherungsmaßnahmen in der Ausführung ermöglichen eine hohe Lebensdauer der Tragwerke unter den angenommenen Belastungs- und Umgebungsbedingungen bei gleichbleibenden Bauteil- und Werkstoffeigenschaften. Die Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung, welche seine messbare Veränderung bewirkt und zu einer Beeinträchtigung seiner Funktion oder eines ganzen Systems führt, wird als Korrosion bezeichnet [1]. Für Stahlbetontragwerke ist besonders die Korrosionsgefahr der Stahlbewehrung zu beachten. Durch sich ändernde Umwelt- bzw. Belastungsbedingungen und aufgrund von Fehlern in Planung und Ausführung kann die geplante Lebensdauer eines Stahlbetontragwerks mitunter nicht ohne fachgerecht geplante Instandsetzungsmaßnahmen erreicht werden, Abb. 2.
Bauwerkszustand BauConsulting.com - Ernst-Paul-Lehmann-Straße 8-14770 Brandenburg cher Bewehrungskorrosion müssen diese nach den 100% Soll-Kurve (Ideal) Instandhaltung Instandsetzung grundsätzlichen Instandsetzungsprinzipien erfolgen, vereinfacht in Abb. 3. Ist-Kurve (Real) Grenzzustand Gebrauchstauglichkeit Bauwerksalter Abb. 1: Lebenszyklusbetrachtung und Instandhaltungsbedarf nach [2] Unter Instandsetzung sind Arbeiten zu verstehen, die den physischen Verschleiß einzelner Bauteile beseitigen und die Gebrauchstauglichkeit von Gebäuden, baulichen Anlagen oder deren Teile davon wieder herstellen [3]. In Abb. 2 sind die üblichen Einflussfaktoren auf Bewehrungskorrosion schematisch dargestellt. Abb. 3: Grundsatzlösungen für Betoninstandsetzungen aufgrund von Bewehrungskorrosion [2] Entsprechend einem detailliert vorzugebenden Instandsetzungsplan muss der Korrosionsschutz der Stahlbetonbewehrung für die gesamte Restnutzungsdauer wiederhergestellt werden. Dazu ist im Vorfeld ein Istzustand mittels umfangreicher Bestandsanalyse festzustellen und durch die anzuwendenden Grundsatzlösungen in einen definierten Sollzustand zu überführen [4]. 2. Galvanischer Korrosionsschutz Abb. 2: Einflussfaktoren auf Bewehrungskorrosion in Stahlbeton [3] Für die Planung von standsicherheitsrelevanten Instandsetzungsmaßnahmen ist in Deutschland die Instandsetzungsrichtlinie des DAfStb e.v. als maßgebliche bauaufsichtlich eingeführte Technische Baubestimmung anzuwenden. Besteht die Notwendigkeit für Instandsetzungsmaßnahmen aufgrund von vorhandener oder wahrscheinli- Das Prinzip der elektrochemischen Aufopferung von weniger edlen metallischen Werkstoffen zum Schutz der metallischen Erzeugnisse ist seit dem Anfang des 19. Jahrhunderts bekannt. Durch die praktische Umsetzung von Hypothesen von Sir Humphrey Davy, dass eine negative Aufladung von Kupferplatinen der Schiffsverkleidung die Korrosionsvorgänge im salzhaltigem Meerwasser unterbinden können, wurden im Jahr 1824 erste Erfolge in der Verkleidung der Kriegsschiffe mit zusätzlichen Zinkplatinen verzeichnet [5]. Die Ermittlung der Zusammenhänge zwischen Korrosionsabtrag und dem elektrischen Strom durch Michael Faraday verzeichnet die Geburtsstunde des Prinzips des kathodischen Korrosionsschutzes (KKS).
Der aus der Theorie der elektrochemischen Normalspannungsreihe bekannte Potentialunterschied zwischen Metallen wie Zink und Stahl/Eisen läßt sich auch für den Korrosionsschutz von in Beton eingebetteten Bewehrungsstäben nutzen. Die, gegenüber Eisen, unedleren Opferanoden aus Zink bilden bei Kurzschluss gemeinsam mit den Bewehrungsstäben ein galvanisches Element ähnlich einer Batterie. Der anodische Teilprozess der Oxidation wird auf das unedlere Metall Zink konzentriert, während der kathodische Teilprozess der Reduktion am edleren Metall Bewehrungsstahl abläuft. Dazu muss allerdings deren Reaktionsbereitschaft unter den durch die bekannten Pourbaix-Diagramme veranschaulichten Umgebungsbedingungen wie z.b. den ph-wert mitbetrachtet werden [6]. Der Zusammenhang zwischen den als kritisch geltenden vorhandenen Chloridgehalten im Beton und den zur Verhinderung von fortschreitender Korrosion erforderlichen Potentialbeaufschlagungen ist in der Leistungsnorm für Kathodische Korrosionsschutzsysteme der DIN EN 12696 verankert [7]. direkten Umfeld der lokalen Reparaturstellen weiterhin ein signifikanter Chloridgehalt, so kann sich innerhalb kurzer Zeit erneut eine Korrosionsaktivität einstellen. Die sogenannte Makroelementkorrosion beginnt ringförmig um die Reparaturstelle, indem sich die vormals kathodischen Bereiche der Stahlbetonbewehrung direkt neben der Korrosionsstelle, nach Reprofilierung mit alkalischem Mörtel bzw. Beton, in neue anodische Bereiche umwandeln [8], siehe Abb. 4. Der Potentialunterschied zwischen der teilinstandgesetzten frischen Kathode der korrodierten Bewehrungsstäbe und den sich nun bildenden neuen Anodenbereiche der direkt benachbarten Bewehrungseisen löst den auch als Ringanodeneffekt bezeichneten Anfang erneuter Korrosionsaktivität aus. 3. Galvanische Opferanoden Überwachungsfähige Anwendung in der Betoninstandsetzung Bei Teilinstandsetzungen von Stahlbetontragwerken nach dem Grundsatzprinzip R2 ist der mit einem vom sachkundigen Planer als maßgeblich korrosionsauslösend eingestuften Chloridgehalt kontaminierte Altbeton vollständig abzutragen und mit entsprechenden Betonersatzsystemen zu reprofilieren. Vor Planungsbeginn der Instandsetzungsmaßnahmen ist eine umfassende Bestandsanalyse notwendig und es wird u.a. die Verteilung der Chloridkonzentration über Bohrmehlentnahmen bestimmt. Ein praktisches Problem kann sich von daher bei der exakten Eingrenzung für die abzutragenden Bereiche ergeben. Verbleibt im Abb.4: Beschleunigte Korrosion durch Makroelementbildung (Ringanodeneffekt) Auch die Kombination von niedriger Chloridbelastung und fortschreitender Carbonatisierung des Altbetons fördert die Entstehung des Ringanodeneffekts. Werden im Randbereich der Reparaturstelle galvanische Anoden, mit einem gegenüber den Bewehrungseisen unedlerem metallischen Opfermaterial, eingesetzt und durchgehend elektrisch leitend mit den Bewehrungseisen verbunden, so kann die anodische Eisenauflösung, aufgrund der noch vorhandenen depassivierenden Chloridkonzentration im Altbeton und dem Poten-
tialunterschied der Bewehrung zwischen Altbeton und Betonersatz, auf ein vernachlässigbares Maß reduziert bzw. gestoppt werden, siehe Abb. 5. Abb. 6: Zinkopferanode (Galvashield XP) Mit speziellen Bauformen der galvanischen Opferanoden lässt sich eine singuläre der Funktionsfähigkeit der Systemanordnung überwachen. Statt der direkten Befestigung der Anschlussdrähte an die Bewehrung, ist hier ein extra abgeschirmtes Verbindungskabel am Zinkkern angebracht, welches dann in einer externen Box mit einem zur Bewehrung verlaufenden Verbindungskabel kurzgeschlossen wird, wobei die galvanische Schutzfunktion nicht beeinträchtigt wird, siehe Abb. 7. Abb. 5: Verhinderung der Makroelementbildung durch galvanische Opferanode mit aktiviertem Zinkkern Die galvanische Opferanode besteht aus einem Zinkkern in einer aktivierenden Umhüllung (Spezial- Mörtel) und elektrischen Anschlüssen zur Befestigung an die Bewehrung, siehe Abb. 6. Der Kern der Zinkanode wird korrodieren und Strom bereitstellen, um die Instandsetzungsstelle zu schützen. Abb. 7: Links Standard-Anode mit elektrischen Anschlüssen direkt zur Bewehrung; rechts Monitoring-Anode mit singulärem Überwachungskabel So ist eine Messung der fließenden Korrosionsströme möglich und zusammen mit parallel durchführbaren Potentialfeldmessungen ist eine regelmäßige Funktionsüberwachung des galvanischen Schutzsystems kostengünstig realisierbar. 4. Galvanische Opferanoden Überwachungsfähiges Pilotprojekt Betoninstandsetzungsmaßnahmen einer Tiefgarage Im September 2013 wurden bei erforderlichen Betoninstandsetzungsmaßnahmen an einer Tiefgarage in Berlin/Spandau im Rahmen eines Pilotprojekts erstmals galvanische Opferanoden zum Schutz vor Makrokorrosionsbildung eingebaut. Dabei wurden die zwei Stahlbetonstützen im Bereich der Einfahr-Rampe an allen vier Seiten mit den Zinkanoden in überwachungsfähiger Ausführung ausgestattet. Ziel ist es die Spritzwasserbereiche der Stützenfüße bis zur Höhe von etwa 60 cm mit zusätzlichen Schutzmaßnahmen zu versehen, dargestellt in Abb. 8.
Vor allem bei Stahlbetonstützen älteren Baujahres ist mitunter die Betonqualität bauzeitlich bedingt nicht gleichbleibend hoch und womöglich die Carbonatisierung unregelmäßig weit fortgeschritten. Kommen dann Diffusionsoffenheit im Zementsteingefüge und Chloridbelastung im Spritzwasserbereich hinzu, so kann durch den zusätzlichen Einbau von galvanischen Schutzsystemen zur Vorbeugung des Ringanodeneffekts die Restnutzungsdauer der Tragwerksstruktur bedeutend verlängert werden. Abb. 9: Darstellung der Anodenanordnung zum galvanischen Schutz des Sockelbereiches einer Stahlbetonstütze Abb. 8: Montierte Anoden; links vor und rechts nach der Reprofilierung mit Spritzbeton Die im Vorfeld geplante Konzeption für die Anordnung der Zinkanoden ist in Abb. 9 wiedergegeben. Bei der Anwendung des Instandsetzungsprinzips R2-Cl wurde der chloridbelastete Altbeton der Stützen bis etwa 3 cm unter die Bewehrungslage abgetragen. Nach Montage der Monitoring-Anoden und der Installation der Anschlusskabel sowie dem Anschlusskabel zur Stahlbewehrung, wurde der Betonquerschnitt reprofiliert. Dies erfolgte durch Einbettung der Anoden mit Reparaturmörtel von Hand und anschließendem Spritzbetonauftrag. Die aus der Instandsetzungsfläche herausgeführten Kabel sollen nach Abschluss der Sanierungsmaßnahmen im oberen Stützenbereich in einer Abzweigdose zusammengeführt und dort verbunden werden. So lässt sich im künftigen Langzeitversuch der Korrosionsstromkreis gezielt unterbrechen und wieder schließen sowie die An- und Ausschaltpotentiale gemessen werden. Die ersten Messergebnisse sind vielversprechend und deuten auf die Möglichkeit hin auch nach deutschem Sicherheitsniveau einen langlebigen galvanischen Schutz für Teilinstandsetzungen an Stahlbetontragwerken realisieren zu können.
4. Fazit und Ausblick Die Anwendung von galvanischen Opferanoden zum zusätzlichen Schutz der Stahlbetonbewehrung bei Teilinstandsetzungen der betreffenden Bauteile ist mit sehr geringem Arbeitsaufwand bei der Umsetzung der Grundsatzlösung R2 nach DAfStb-Richtlinie möglich. Es kann eine sichere Lebensdauerverlängerung durch Verhinderung der Makroelementbildung ( Jagd nach den Reparaturstellen ) der instand zusetzenden Bauteile mit dem Einsatz von Opferanoden erreicht werden. Vor allem praktischen Problemen im Gewährleistungsmanagement bei Teilinstandsetzungen kann durch den Einsatz der galvanischen Opferanoden mit Zinkkern begegnet werden. Zukünftige Weiterentwicklungen und Systemerfahrungen könnten auch die Anwendung unter der Grundsatzlösung K nach der DAfStb- Richtlinie ermöglichen. 5. Danksagung Für die partnerschaftliche und konstruktive Zusammenarbeit im Vorfeld und während der Realisierung dieses deutschlandweit ersten Projektes zum praktischen Einsatz von galvanischen Korrosionsschutzmaßnahmen mit diskreten Opferanoden möchten wir uns an dieser Stelle ausdrücklich bei allen am Bau Beteiligten bedanken. Der Firma Scadock & Hofmann GmbH & Co.KG sei an dieser Stelle ausdrücklich gedankt für die Bereitschaft zur Ausführung der technisch anspruchsvollen Installation der galvanischen Opferanoden. Der Firma Vector Corrosion Technologies Inc. sei gedankt für die Bereitstellung der überwachungsfähigen Sonderbauform der galvanischen Opferanoden. Literatur [1] Wendler-Kalsch E.; Gräfen H. : Korrosionsschadenkunde ; 1998 Springer Verlag [2] Raupach, M.; Orlowsky J. : Schutz und Instandsetzung von Betontragwerken ; 2008 Verlag Bau+Technik [3] Stahr, M. (Hrsg.) : Bausanierung - Erkennen und Beheben von Bauschäden ; 2009 Vieweg+Teubner Verlag [4] Deutscher Ausschuß für Stahlbeton e.v. (Hrsg.) : DAfStb-Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen ; 2001 Beuth Verlag [5] Baeckmann, W.; Schwenk W. ; Prinz, W. (Hrsg.) : Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes Theorie und Praxis der elektrochemischen Schutzverfahren ; 1989 VCH Verlagsgesellschaft [6] McCafferty, E.: Introduction to Corrosion Science ; 2010 Springer Verlag Dem Bauherrn der TÜV Rheinland AG sei gedankt für die innovative Aufgeschlossenheit das Galvanische Korrosionsschutzsystem als Pilotprojekt im Instandsetzungsobjekt zu implementieren. [7] Norm DIN EN 12696-2012: Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton [8] Sergi, G; Page C.L.: Sacrificial Anodes for Cathodic Protection of Reinforcing Steel around Patch Repairs Apllied to Chloride-Contaminated Concrete ; EuroCORR `99