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11. Praxistag Korrosionsschutz 2017

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Wofür wird der spezifische elektrische Bodenwiderstand eigentlich benötigt?

•  Zur Berechnung von Anodenanlagen •  Zur Berechnung der zulässigen

Beeinflussungsspannung nach DIN EN 50162 •  Für die Bestimmung der Korrosionsbelastung nach GW9 •  Zur Beurteilung der Korrosionsgefährdung nach

TRbF 521 •  und an vielen anderen Stellen.

Bestimmung des spezifischen Bodenwiderstandes

Dr.-Ing. Klaus-Erich Nowak

Sachverständigen- und Ingenieurbüro Dr. Nowak Markkleeberg


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Definition des spezifischen elektrischen Bodenwiderstandes

Der spezifische elektrische Bodenwiderstand ρ ist der elektrische Widerstand, der zwischen zwei planparallelen quadratischen Platten mit einer Kantenlänge und einem Abstand von je 1 m (Einheitswürfel) gemessen wird. Die Maßeinheit des spezifischen elektrischen Bodenwiderstandes ist das Ohmmeter (Ωm).


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Stellenwert des spezifischen elektrischen Bodenwiderstandes

Der spezifische elektrische Bodenwiderstand ist eine wichtige Kenngröße bei der Lösung von Korrosionsproblemen bei erdverlegten metallenen Konstruktionen.

Messfehler und Falschmessungen bei der Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes können z.B. bei Beeinflussungs-problemen fatale Folgen für unsere Auftraggeber haben.


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Wichtige Einflussgrößen

•  Klima •  Temperatur •  Bodenfeuchtigkeit •  Druck


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Definition des spezifischen elektrischen Bodenwiderstandes


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Einfluss der Verdichtung auf den spezifischen Bodenwiderstand nach HENNEY in zwei verschiedenen Böden

400

450

500

550

600

0 2 4 6 8 10 12

Druck in Kilopont pro Quadratzentimeter

Spez

ifisc

her E

rdw

ider

stan

d in

Ohm

met

er

Boden A

Boden B


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Abhängigkeit des spezifischen Bodenwiderstandes von der Temperatur bei

sandigem Lehmboden und einer Durchfeuchtung von 15 % nach THIELERS

0

500

1000

1500

2000

0 10 20 30 40

MoorbodenSandbodenTonboden

Bodenfeuchtigkeit in %

Spez

ifisc

her W

ider

stan

d in

Ohm

met

er

0

1000

2000

3000

-20 -10 0 10 20 30

Temperatur in °C

Spe

zifis

cher

Erd

wid

erst

and

spezifischer Widerstand

Einfluss der Bodenfeuchtigkeit auf den spezifischen Bodenwiderstand


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Möglichkeiten zur Ermittlung des spezifischen Bodenwiderstandes

•  Leitfähigkeitstabellen •  Probeerder •  Widerstandsmesszellen •  Geoelektrische Sondierungen


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WETTSTEIN stellte fest, dass der spezifische elektrische Bodenwiderstand jahreszeitlich um bis zu 40 % schwanken kann. Die

Kurven zeigen die Ergebnisse dieser Untersuchungen in Tiefen bis 2 m

40

50

60

70

80

90

100

J F M A M J J A S O N D

Monate

Proz

ent d

es M

axim

alw

erts

Nach einer TrockenperiodeNach einer Regenperiode


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Probeerder •  Als Probeerder verwendet man in den meisten Fällen 1,5

bis 2 m lange leicht konische Stäbe. Mit diesen Stäben ist es möglich, den mittleren spezifischen Bodenwiderstand bis zu einer Tiefe von 2 m zu ermitteln.

•  Beim Einbau von Tiefbettanoden kann das Bohrgestänge als Probeerder verwendet werden.

•  Weiterhin sind alle metallenen Konstruktionen als Probeerder denkbar, deren Abmessungen bekannt sind und die mathematisch beherrschbar sind.


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Leitfähigkeitstabellen

Bodenart Ungefährer spezifischer Bodenwiderstand in Ωm

Mergel, Torf, Humus (feucht) 5 15

Moorboden 30 ... 50

Lehm, Ton, Ackerboden 20 ... 200

Mergel, Torf, Humus (trocken) 50 ... 200

Feuchter Sandboden 100 ... 400

Kies

500 ... 2000

Schotter, Mutterfels, Basalt 3000 ... 10.000


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Widerstandsmesszellen

•  Widerstandsmesszellen werden in unterschiedlichen Formen angeboten (Soilbox, Würfelzellen usw.)

•  Widerstandsmessungen mit jeder Form von Widerstandsmesszellen haben den Nachteil, dass der gemessene Boden nicht mehr im Originalzustand ist.

•  Bodendichte, -feuchtigkeit und -temperatur können das Messergebnis bis zur Unbrauchbarkeit verfälschen.

•  Bei physiko-chemischen Bodenuntersuchungen wird in einer Messzelle der kleinstmögliche Bodenwiderstand ρ* ermittelt.


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Berechnung des spezifischen elektrischen Bodenwiderstandes mit Hilfe eines Staberders mit kreisförmigen Querschnitt

kRA ⋅=ρ

dllk 4ln

2 ⋅=

π

RA= Ausbreitungswiderstand des Probeerders L = Länge des Probeerders d = Durchmesser des Probeerders


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Würfelzelle


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Soilbox mit 4 Elektroden


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Geoelektrische Sondierungen Grundlagen

•  Über zwei punktförmige Elektroden E1 und E2 werden die Ströme +I und -I in einen homogenen räumlichen Leiter (Erdreich) eingespeist. Zwischen beiden Elektroden bildet sich ein elektrisches Feld aus. Die Feldlinien sind kreisförmig und schneiden sich in den Aufsatzpunkten der Elektroden E1 und E2.

•  Senkrecht auf den Feldlinien stehen die Äquipotenziallinien. Die Potenziale werden aus Teilpotenzialen von den Elektroden E1 und E2 gebildet.

•  Bei einer Veränderung des elektrischen Feldes durch Veränderung des Abstandes der Elektroden ergeben sich Potenzialveränderungen, die bei den geoelektrischen Sondierungen gezielt genutzt werden.


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Ermittlung des niedrigsten Bodenwiderstandes ρ* einer Bodenprobe

Der niedrigste Bodenwiderstand (ρ*) wird bei der Bewertung der Korrosionsbelastung von elektro-chemischen Systemen verwendet. Er wird bei Raumtemperatur durch portionsweise Zugabe von entionisiertem Wasser zu einer Bodenprobe erreicht. Die entstandene Bodenpaste wird in eine Messzelle gegeben. Der elektrische Widerstand wird in Abhängigkeit von der Wasserzugabe ermittelt und mit der Zellenkonstante multipliziert. Der so ermittelte niedrigste spezifische Bodenwiderstand ist für die Berechnung von Erdersystemen jedoch nicht geeignet.


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Messanordnung der geoelektrischen Widerstandsmessmethode bei symmetrischer Anordnung der Sonden und Elektroden


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•  NEUMANN entwickelte zur Bestimmung spezifischer Widerstände bereits 1884 eine Vierpunktmethode.

•  Man unterscheidet symmetrische und unsymmetrische Anordnungen. Da die symmetrischen Messanordnungen rechnerisch einfacher zu beherrschen sind, werden sie den unsymmetrischen allgemein vorgezogen. Die folgenden Ausführungen gelten nur für symmetrische Anordnungen.


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Unterschied zwischen ρ und ρs

•  Bei homogenem Medium bilden sich die Feldstärkelinien und die Äquipotenziallinien kreisförmig aus. Für diesen Fall ist der errechnete Wert der wirkliche spezifische Widerstand des Messgebietes ρ.

•  Bei inhomogenem Messgebieten sind die Verhältnisse grundlegend anders. Das Medium ist in den meisten Fällen horizontal geschichtet (Erdboden). An den Schichtgrenzen tritt eine Brechung der Feldlinien auf. Damit erscheint das Feldbild gegenüber dem Feldbild im homogenen Boden verzerrt . In diesem Fall ist der berechnete spezifische Bodenwiderstand nicht gleich dem wirklichen Bodenwiderstand und wird als "scheinbarer spezifischer Bodenwiderstand ρs" bezeichnet.


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Symmetrische Anordnung

•  Der scheinbare spezifische elektrische Widerstand bei einer symmetrischen Anordnung errechnet sich nach folgender Gleichung. Die Konfigurationskonstante k ist abhängig von der gewählten Konfiguration( z.B. Wenner oder Schlumberger)

kIU

E

Ss ⋅=ρ


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Elektrisches Strömumgsfeld in homogenem, geschichteten Medium für ρ1>ρ2


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Elektrisches Strömumgsfeld im homogenen Medium


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Die Schlumberger-Anordnung Aufschlusscharakteristik


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Die Schlumberger-Anordnung Elektroden-Sonden-Abstand

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅= d

dk

2

2λπ


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Die Wenner-Anordnung Aufschlusscharakteristik


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Die Wenner-Anordnung Elektroden-Sonden-Abstand

ak ⋅⋅= π2


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Potenzialverlauf zwischen den Elektroden E1 und E2


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Praktische Ausführung der geoelektrischen Sondierungen

•  Geoelektrische Sondierungen können an allen möglichen Stellen der Erdoberfläche nötig werden. Die unterschiedliche Beschaffenheit der Erdoberfläche erfordert für jeden Erdboden eine geeignete Messelektrode.

•  Die Elektroden E1 und E2 sind im Allgemeinen als Erdspieß ausgeführt und erfüllen in dieser Form in den meisten Fällen ihren Zweck. Anders ist es beiden Sonden S1 und S2. An diese Messelektroden müssen hohe Anforderungen gestellt werden, da die von ihnen aufzunehmende Messgröße, die Sondenspannung US, oft sehr klein ist.


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Aufsatzelektrode


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Erdspieß


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Messfehler in Abhängigkeit von der Einschlagtiefe nach RICHTER-BEGAND


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Steckelektrode


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Nach dem Dipolverfahren vermessenes Gelände


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Zweckmäßige Anordnung der Messpunkte M und derElektroden-Sonden-Fluchten bei der

Geländekartierung


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Auswertbarkeit der Messkurven

a)  unstetige Funktion - nicht auswertbar b)  stetige Funktion - auswertbar


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Aufnehmen der Messkurve ρs = f(λ)

•  Zur Bestimmung des wahren spezifischen Bodenwiderstandes ρ ist es erforderlich eine Widerstandskurve mit veränderten Elektrodenabständen aufzunehmen.

•  Die gemessenen Widerstände sind mit der entsprechenden Konfigurationskonstante zu multiplizieren und in ein Diagramm einzutragen.

•  Nur stetige Kurven sind auswertbar.


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Einschichtfall

Zweischichtfall ρ1 > ρ2

Zweischichtfall ρ1 < ρ2


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Der Einschichtfall

•  Bei homogenem Untergrund ermittelt man mit allen Werten für k den gleichen scheinbaren spezifischen Bodenwiderstand ρS. Es ergibt sich als Funktion ρS = f (λ) eine Parallele zur Ordinate. Nur in diesem einen, in der Natur sehr selten vorkommenden Fall ist ρS = ρ, also der scheinbare spezifische Bodenwiderstand gleich dem wirklichen Bodenwiderstand.


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Beispiel für die Auswertung eines

Zweischichtfalles nach EBERT


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Korrekturkurven nach EBERT


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Der Dreischichtfall

•  Beim Dreischichtfall werden Zweischichtfälle überlagert und mit Hilfspunktekurven korrigiert.

•  Die Auswertung ist wesentlich komplizierter als beim Zweischichtfall. •  Mit diesem Verfahren können auch Mehrschichtfälle ausgewertet

werden. Die Bestimmung des wahren spezifischen Bodenwiderstandes von Mehrschichtfällen gestaltet sich jedoch sehr kompliziert und erfordert ein großes Fachwissen, das meistens nur bei geophysikalisch ausgebildeten Spezialisten vorhanden ist.


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Der Dreischichtfall


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Bestimmung von ρ mit Hilfe rechnergestützter Verfahren

•  Mit Einführung der Rechentechnik wurden Programme zur Lösung dieses Problems erstellt.

•  Der Kurvenvergleich erfolgte iterativ mit Hilfe von Rechnern. •  Bereits vorhandene und bekannte Auswertungen wurden in die

Lösungen einbezogen. •  Eines der bekanntesten Programme zur Bestimmung des

spezifischen elektrischen Widerstandes ist das von Prof. WELLER erstellte Programm VES 4.

•  Ein neueres Programm iPi2win wurde von Prof. Bobachev von der Staatlichen Universität Moskau entwickelt

•  Mit Hilfe von diesen beiden Programmen sind praktisch alle Fälle, die im kathodischen Korrosionsschutz auftreten, lösbar.


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Beispiel für die Auswertung eines

Dreischichtfalles nach EBERT


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Auswertung der geoelektrischen Messung mit iPi2Win

Schwarzer Graph: Gemessenen Kurve

Roter Graph: Berechnete Kurve

Blauer Graph: Spezifischer elektrischer Bodenwiderstand


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Wertetabelle für die geoelektrische Messung iPi2Win


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Profil über mehrere Messungen (iPi2Win)


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Schichtabelle nach iPiWin

ρ = Spezifischer elektrischer Widerstand h = Mächtigkeit der Schicht d = Schichtuntergrenze


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Bohrlochmessungen

Fremdeinfluss

•  Bei Bohrlochmessungen wird eine 4-Elektroden-Anordnung senkrecht zur Erdoberfläche in ein Bohrloch versenkt.

•  Bohrlochmessungen basieren auf der gleichen Theorie wie die geoelektrischen Sondierungen.

•  Da die Messanordnung parallel zu den Bodenschichten verschoben wird, ergeben sich aneinander gereiht Einschichtfälle.

•  Die so ermittelten spezifischen Bodenwiderstände ρ werden als Messkurve aufgeschrieben und können zur Berechnung von Tiefbettanoden verwendet werden.

•  Nachteil der Bohrlochmessungen ist, dass die Bodenwiderstände erst nach Niederbringen der Bohrung gemessen werden können und somit bei der Planung noch nicht vorliegen.


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Multielektrodenverfahren

a)

b)

c)

ρs gemessen

ρs errechnet

Ergebnis der Widerstands – Tiefenverteilung


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Multielektrodenverfahren •  Multielektrodenverfahren sind eine Weiterentwicklung der beschriebenen Verfahren.

•  Multielektrodenverfahren sind ursächlich für die Strukturerkundung konzipiert.

•  Sie beruhen auf den gleichen theoretischen Grundlagen wie herkömmliche geoelektrische Verfahren.

•  Bei Multielektrodenverfahren werden eine Vielzahl von Messelektroden verwendet.

•  Wie bei VES 4 und iPi2Win ergibt sich immer eine Lösung. Demzufolge sollten zur Bewertung der Messungen erfahrene Fachleute eingesetzt werden.

•  Aufschlüsse für Tiefbettanoden mit dieser Technik sollten nur von geophysikalisch ausgebildeten Fachleuten vorgenommen werden.


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Beispiel: Strukturerkundung für einen Talsperrenstandort


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Das Ergebnis der Sondierung unter Berücksichtigung der Topografie


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Problem des Multielektrodenverfahrens ist seine komplexe Theorie und computerisierte Technik. Einerseits erleichtert sie dem erfahrenen Geophysiker die Arbeit und ermöglicht sehr detaillierte Aussagen, andererseits bekommt jeder, der die Kabel richtig anschließt und dann die Software mit den Daten füttert, ein buntes Bild. Leider ist nur die Existenz dieses Bildes gewährleistet, nicht jedoch sein Wahrheitsgehalt.

Deshalb sollte nur derjenige, der die klassische Sondierung in Theorie und Praxis beherrscht und künstliche Störungen sofort erkennt, auch dieses komplexe Werkzeug Multielektroden-geoelektrik nutzen. Dies gilt besonders wenn das wichtigere Ergebnis wahre Widerstände anstatt geologischer Strukturen sind.

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