KKS mit Textilbeton -...

KKS mit Textilbeton

Dipl.-Ing. Amir Asgharzadeh

Institut für Bauforschung RWTH Aachen / Deutschland

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Raupach

Institut für Bauforschung RWTH Aachen

Deutschland

Dipl. Chem. Detlef Koch

Koch GmbH / Kreuztal / Deutschland

Zusammenfassung

Parkhäuser sind ein integraler Bestandteil unserer Infrastruktur, dessen Nutzungsdauer in der Regel 50 - 100 Jahre

beträgt. Chloridinduzierte Korrosion der Stahlbewehrung durch den Eintrag von Tausalzen erfordert allerdings häufig

bereits nach 20-25 Jahren substantielle Instandsetzungsarbeiten. Der instandgesetzte Bereich unterliegt durch den

Verkehr besonderen Beanspruchungen.

Eine Möglichkeit der Instandsetzung besteht in der Installation eines KKs-Systems. Der derzeitige Stand der Technik ist

die Verwendung von Fremdstromanoden zum Schutz der Stahlbewehrung. Die KKS Anoden können entweder als

Einbett- oder Oberflächenanoden mit Stromanschluss ausgeführt werden.

Heutzutage wird aufgrund seiner Beständigkeit hauptsächlich beschichtetes Titanmischoxid als Anodenmaterial

verwendet. Neue Materialien, wie z.B. Carbon, werden derzeit noch erforscht. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens

wurden verschiedene Kohlefaseranodenmaterialien und Einbettmörtel hinsichtlich ihrer Eignung für den KKS

untersucht. Die Verwendung von Kohlefasern als Anodenmaterial ist aufgrund der mechanischen Eigenschaften und der

Leitfähigkeit von besonderem Interesse, jedoch existieren bisher keine systematischen Untersuchungen hinsichtlich

Karbontextilien als Anodenmaterial. Im Bezug auf den Textilbeton besteht die Möglichkeit diesen rutschhemmend,

druck- und abrasionsfest zu gestalten, sodass auf eine zusätzliche Schutzschicht verzichtet werden kann.

1. Kathodischer Korrosionsschutz mit

Fremdstromanoden

Um korrodierende Bauteile zu schützen und die

Querschnittsverringerung des Bewehrungsstahls zu

beschränken, sind geeignete Schutzmaßnahmen

erforderlich [1]. Um die Korrosionsprozesse zum

Erliegen zu bringen, ist es notwendig eine der beiden

Korrosionsteilreaktionen zu hemmen. Der KKS wird

den Verfahren zugeordnet, welche die anodische

Teilreaktion unterbinden. Im Verlaufe des letzten

halben Jahrhunderts hat sich der KKS mittels

Fremdstrom als ein bewährtes System zum Schutz von

Bauteilen vor Korrosion etabliert [2]. Ein wesentlicher

Vorteil dieses Verfahrens ist, dass eine nahezu

zerstörungsfreie Instandsetzung möglich ist [3]. So

muss beispielsweise Beton mit erhöhtem Chloridgehalt

nicht ausgetauscht werden und es kommt nur zu

geringen Eingriffen in die Bausubstanz [4]. Insofern

die alte Bausubstanz noch tragfähig ist, zeichnet sich

das System auch durch seine Wirtschaftlichkeit und

kurze Bauzeiten aus.

In Bild 1 wird das Prinzip des KKS mittels

Fremdstromanode verdeutlicht: Die Bewehrung wird

mittels einer eingebetteten Inertanode über eine

Gleichstromquelle gezielt mit Fremdstrom

beaufschlagt [5]. Dieser Strom sorgt dafür, dass ein

Elektronenüberschuss in der Bewehrung generiert wird

und die gesamte Bewehrung aufgrund der

Verschiebung des elektrochemischen Potentials des

Stahls in negative Richtung nun kathodisch wirkt. Die

Korrosionsprozesse kommen somit durch den

eingebrachten Schutzstrom zum Erliegen oder werden

auf ein tolerierbares Maß reduziert.

Für diesen Vorgang werden in bestehenden

korrodierenden Bauwerken KKS-Systeme

typischerweise mit Stromdichten von 2 mA/m² bis

20 mA/m² betrieben [6].

Bild 1: Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes

mit inerter Fremdstromanode [5]

Die für den Einsatz eines KKS-Systems erforderlichen

Randbedingungen werden durch verschiedene

Regelwerke festgelegt. So müssen gemäß DIN 1045,

DIN EN ISO 12696, sowie der DAfStb-Richtlinie

folgende Voraussetzungen eingehalten werden [4]:

Die Standsicherheit der Bausubstanz muss

vorhanden sein.

Eine durchgängige leitende Verbindungen

zwischen der zu schützenden Bewehrung muss

sichergestellt werden.

Kurzschlüsse sind durch einen Mindestabstand von

eingebrachter Anode und der Bewehrung von

15 mm auszuschließen.

Der Verbund zwischen der verbleibenden alten

Bausubstanz und der neu aufgebrachten

Deckschicht muss im Mittel 1,5 N/mm² betragen,

bei Einhaltung eines Minimalwertes von

1,0 N/mm².

Der Mörtel oder Beton muss eine definierte

Leitfähigkeit zwischen Anode und Bewehrung

aufweisen.

Erste, von Bruns [8] durchgeführte Praxistest eines

KKS-Systems mit Kohlefasernetzanoden in Verbund

mit einem OS-System zeigen positive Tendenzen der

Funktionalität auf. Messungen eines installierten

Systems in einem Aachner Parkhaus zeigten Füber die

Dauer eines Jahres, dass es keine Hinweise auf

veränderte Polarisationseigenschaften der Bewehrung

oder der Anode gab. Ebenfalls waren lediglich

Treibspannungen im Bereich von 1200 mV notwendig,

um einen nach DIN EN ISO 12696 ausreichenden

kathodischen Schutz zu gewährleisten.

Eine Instandsetzung eines Parkhauses mit

konventionellen Anoden wurde beispielsweise in

Frankfurt am Main umgesetzt [4]. Hier wurde im

Vergleich zum Parkhaus in Aachen auf ein OS-System

verzichtet. Als Anodenmaterial wurde Titan-MMO-

Streckmetall verwendet. Hier zeigte sich vor allem,

dass auch über die dreimonatige Einregelungsphase

hinaus, die von außen durchführbare

Regelungsmöglichkeit eines KKS-System sehr

vorteilhaft ist. Das installierte Monitoring liefert Daten,

aus denen die positive Langzeitwirkung der

Polarisation der Bewehrung abgeleitet werden kann.

Insgesamt zeigt dieses Projekt auf, dass durch die

sorgfältige Zustandserfassung und Planung, sowie die

sachgemäße Ausführung und Überwachung von KKS-

Systemen in Parkhäusern eine wirtschaftliche und

problemlose Alternative zu herkömmlichen

Instandsetzungsverfahren vorhanden ist.

2. Textilbeton

Textilbeton besteht aus einem Verbundsystem aus

Beton bzw. Mörtel mit Glas-, Carbonfasern oder

anderen technischen Textilien als Bewehrungsmaterial.

Durch die Verwendung dieser Baumaterialien ist es

möglich im Vergleich zu Stahlbeton höhere

Zugfestigkeiten zu realisieren. Außerdem fällt die

Notwendigkeit der dickeren Betondeckung zum Schutz

der Bewehrung weg und somit können dünnere

Bauteildicken erreicht werden.

Derzeit auf dem Markt befindliche konventionelle

KKS-Systeme nutzen Titanmischoxid als

Anodenmaterial und funktionieren technisch

einwandfrei. Die Verwendung von technischen

Textilien als Anodenmaterial bietet gegenüber diesen

Verfahren jedoch auch ökonomische und ökologische

Vorteile.

3. Galvanostatische Versuche an

Probekörpern

Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden

werden. gibt einen schematischen Überblick über den

Aufbau der hergestellten Prüfkörper. Der

dreichschichtige Aufbau wurde gewählt, um eine

Instandsetzung einer Bauteiloberfläche nachzubilden.

So stellt die untere Betonschicht die alte Bausubstanz

nach. Diese unterste Schicht wird statt mit Betonstahl

mit einem Netz aus Titanmischoxid bewehrt, da durch

die Netzstruktur und die chemisch-interten

Eigenschaften ein homogenes elektrisches Feld erzeugt

werden kann. Darauf aufbauend folgt eine weitere

Betonschicht, welche die Betondeckung simuliert und

als Grundlage für die Einbettung der

Karbonfasernetzanode durch den Mörtel dient. Da für

die späteren Messungen Referenzelektroden benötigt

werden, wurden Elektrolytbrücken (EB) in die

Prüfkörpermatrix eingearbeitet. Über eine Lösung

innerhalb einer aufgesteckten Hülse und der EB selbst,

konnte eine spätere Ankopplung der Silber-

Silberchlorid-Referenzelektroden sichergestellt werden

(Bild 3).

Bild 2: Prüfkörperaufbau - Einheit [mm] [9]

Bild 3: Installierte Elektrolytbrücke [9]

Bei der Auswahl der Carbon-Gewebe für die

Herstellung des Textilbetons wurde ein besonderes

Augenmerk auf die Fähigkeit zur Stromverteilung und

das Benetzungsverhalten mit dem Mörtel gelegt. Diese

Eigenschaften stehen in unmittelbarer Wechselwirkung

zur Funktionalität des KKS Systems, da die

Stromdichten auf der Oberfläche der Bewehrung eine

entscheidende Rolle spielen. Eine Übersicht über die

ausgewählten Typen liefert Tabelle 1. Die

darauffolgenden Abbildungen zeigen Detailansichten

der eingespannten Netzanoden in den

Prüfkörperaufbau.

Tabelle 1: Eigenschaften der Textilgewebe

Textil Material /

Struktur

Tränkungs-

material

Maschen

-weite

0° / 90°

1 Karbon /

Einlagig SBR

14 mm /

8 mm

2 Karbon /

Einlagig Epoxidharz

20 mm /

20 mm

3 Karbon /

Zweilagig SBR

15 mm /

15 mm

4 Karbon /

Einlagig SBR

14 mm /

13 mm

Bild 4: Textil 1 [9]




Der Verbund zwischen den Karbonfasernetzanoden

(Bild 4 – Bild 7) und dem Untergrund wurde

anschließend noch mithilfe eines Einbettmörtels

realisiert. Dieser wurde in Zusammenarbeit mit der

Koch GmbH entwickelt. Nach zahlreichen

Voruntersuchungen im Hinblick auf den späteren

Einsatzzweck wurden drei Mörtel für die Herstellung

der Probekörper ausgewählt. Diese zeichneten sich

unter anderem durch einen hohen

Verschleißwiderstand, gute

Rissüberbrückungseigenschaften, sowie ihre gute

Verarbeitbarkeit aus. Eine Übersicht über die

entwickelten Mörtel gibt Tabelle 2:

Tabelle 2: Übersicht über die ausgewählten

Mörtelrezepturen

Mischung B C D

Mörtelmischung

Wasser

Fließmittel 1 X - -

Fließmittel 2 - - X

Zusatzmittel X - X

Druckfestigkeit

[N/mm²] 110.3 77.6 118.2

Rohdichte

[kg/dm³] 2.37 2.26 2.40

In Bild 8 ist der für die Messung vorbereitete

Prüfkörperaufbau zu sehen. Die Anschlüsse wurden

dann mit dem Potentiostaten und Messcomputer

verbunden. Die Karbonnetzanode (Arbeitselektrode)

wurde an insgesamt 4 Messpunkten angeschlossen,

welche untereinander kurzgeschlossen wurden (rotes

Messkabel). Dadurch wurde sichergestellt, dass eine

gute Ankopplung vorgenommen wurde. Das

Titanmischoxid fungierte als Gegenelektrode (linkes

schwarzes Messkabel), während die Silber-

Silberchlorid-Elektrode als Referenzelektrode diente

(rechtes schwarzes Messkabel).

Bild 8: Fertiger Prüfkörper [9]

Im Anschluss wurden sogenannte galvanostatische

Stufenversuche durchgeführt. Dabei wurden die

Spannungen der Arbeitselektrode gegen die

Referenzelektrode gemessen. In einem vorgegebenen

Intervall (12 h) wurden die Stromdichten konstant

gehalten, bevor diese stufenweise erhöht und der

Vorgang wiederholt wurde. Die Stromdichten waren

im Einzelnen 0

(Ruhepotential); 1

; 3,2

;

10

und 20

. Im Anschluss an jeder Stufe wurden

Ausschaltmessungen durchgeführt, indem der Strom

für zehn Sekunden abgeschaltet wurde. Diese

Vorgehensweise stellte sicher, dass IR-freie Potentiale

gemessen wurden. Es konnte dadurch gewährleistet

werden, dass die tatsächliche Polarisation des

Anodenmaterials nicht überschätzt wird.

Im Anschluss an die letzte Ausschaltmessung wurde

noch eine Depolarisationsmessung durchgeführt.

Hierfür wurde der Strom, nicht wie zuvor konstant

gehalten, sondern gänzlich abgeschaltet. Die Dauer der

Intervalle wurde dabei hinreichend groß gewählt

(12 h), sodass die erfassten Potentiale sich einem

erkennbaren Grenzwert annäherten.

4. Ergebnisse

Für die Auswertung der Messungen wurden zunächst

die erfassten Potentiale über die Zeit aufgetragen. Bild

9 zeigt eine solche Kurve exemplarisch für den

Versuchskörper B1. Die Stufen der vier verschiedenen

Stromdichten sind in der Grafik deutlich zu sehen.

Darüber hinaus kann festgehalten werden, dass sich die

Potentiale am Ende des 12-stündigen

Depolarisationsmesszyklus in Richtung eines

erkennbaren Potentialwertes bewegen. Nach 36

Stunden ist die galvanostatische Messung mit 10 mA

beendet. Hier lässt sich anhand der Grafik der IR-

Spannungsabfall deutlich erkennen.

Bild 9: Galvanostatische Stufenversuche mit

steigenden Stromdichten - Probekörper B1 [9]

Um eine Auswertung mit Bezug auf den KKS

vorzunehmen wurden Stromdichte-Potential-Kurven

angefertigt. So konnten die Mörtel für jedes Textil

unmittelbar miteinander verglichen werden. Aufgrund

ihrer unterschiedlichen Ruhepotentiale, und somit zur

Vergleichbarkeit, wurden alle Polarisationskurven

zunächst in den Ursprung verschoben. Somit kann

direkt abgelesen werden, welcher Mörtel in

Kombination mit welchem Textil die geringste

Treibspannung benötigt, um die erforderliche

Stromdichte zu erzielen. Bild 10 bis Bild 13 zeigen die

Auswertungen und verdeutlichen folgende Ergebnisse:

Für Textil 1 wäre auf Grundlage der

durchgeführten Messungen somit Mörtel B als

Einbettung am geeignetsten.

Bei Textil 3 und 4 weisen die Mörtel B und D fast

identische Messwerte auf.

Der signifikant Abweichende Verlauf der

Messkurven von Textil 2 lässt sich aufgrund der

Epoxidharzbeschichtung erklären. Diese stellt

einen vergrößerten Widerstand im Vergleich zur

SBR Tränkung dar, sodass die Leitfähigkeit des

Materials abnimmt.

Bild 10: Stromdichte-Potentialkurven des Textiltyps 1

[9]


[9]

0

100

200

300

400

500

600

700

0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60

Po

ten

tial

vs.

Ag/

AgC

l [m

V]

Zeit [h]

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000

i [m

A/m

²]

Elektroden Polarisation [mV]

Mörtel B

Mörtel C

Mörtel D

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

i [m

A/m

²]


Mörtel B

Mörtel C

Mörtel D


[9]


[9]

Die Auswertung bezüglich der drei getesteten

Mörtelmischungen hat ergeben, dass die Mörtel B und

D nahezu identische Eigenschaften aufweisen.

Demnach sind hier die geringsten Spannungen

notwendig um die Schutzstromdichte zu erreichen. Die

absolut gesehen geringsten Werte wiesen die Systeme

B1, sowie B4 und D4 auf. Im Rahmen dieser Arbeit

wurden demnach diese Kombinationen für weitere

Untersuchungen favorisiert. Auch in der Praxis können

sich Vorteile aufgrund der verschiedenen

Eigenschaften der Anodenmaterialien ergeben.

Während Textil 1 sogenannte Rollenware ist, wird das

Textil 4 in Matten geliefert. Beim Einbau könnte somit

je nach örtlichen Besonderheiten entschieden werden.

5. Schlussfolgerung

Bei den Messungen der Anodenmaterialen hat sich

gezeigt, dass die Beschichtung einen signifikanten

Einfluss auf die Polarisierbarkeit hat. So zeigte das EP

getränkte Anodenmaterial ein deutlich schlechteres

Polarisationsverhalten im Vergleich mit dem SBR

getränkten. Darüber hinaus hat sich die 3D Struktur des

Textils 3 nicht als vorteilhafter im Vergleich zu der 2D

Struktur der Materialien 1 und 4 herausgestellt.

Die Auswertung der Mörtel hat ergeben, dass Mörtel B

am geeignetsten für den Einsatz im KKS ist.

Abschließend lässt sich sagen, dass Karbontextilien auf

Grundlage der durchgeführten Messungen als

grundsätzlich geeignetes Anodenmaterial für den KKS

eingestuft werden kann. Als nächstes sollte das

Verhalten unter Praxisbedingungen und die

Dauerhaftigkeit unter relevanten Betriebsbedingungen

geklärt werden. Erste Pilotinstallationen laufen bereits.

6. Literaturverzeichnis

[1] Raupach, Prof. Dr.-Ing. M.:

Korrosionsschutzverfahren für

Stahlbetonbauwerke; Entwicklung und

Tendenzen, 2001.

[2] Baeckmann, W. v.: Historische Entwicklung

des elektrochemischen Korrosionsschutzes. In

(Baeckmann, W. v. Hrsg.): Handbuch des

kathodischen Korrosionsschutzes. Wiley-

VCH, Weinheim, 1999, S.1-14.

[3] Raupach, M.: Kathodischer Korrosionsschutz

im Stahlbetonbau. Instandhaltungsverfahren

für Spezialfälle. In: Beton, 1992, 42, S.674-

676.

[4] Klein, Hans-H., Schade, A., Eichler, T.,

Pruckner, F.: Parkhaus „Am Gericht“ in

Frankfurt am Main – Eine Sanierung mit

kathodischem Korrosionsschutz. Bautechnik,

Vol. 84, No. 7. 465-476, 2007.

[5] Raupach, M. ; Orlowsky, J.: Schutz und

Instandsetzung von Betonbauwerken. 17.

Aufl. Neuwied : Werner, 2006.

[6] Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN EN

ISO 12696 Kathodischer Korrosionsschutz

von Stahl in Beton, Beuth Verlag GmbH,

Berlin, 2012.

[8] Bruns, M.: Kathodischer Korrosionsschutz mit

Kohlefasernetzanode – Praxisversuche an

einem Aachener Parkhaus. International

Journal for Restoration, Vol. 10, No. 5, 2004.

[9] Henkel, P.: Untersuchung zur Bestimmung der

Eignung technischer Textilien für den

kathodischen Korrosionsschutz,

Bachelorarbeit, Institut für Bauforschung der

RWTH Aachen, 2014.

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200

i [m

A/m

²]


Mörtel B

Mörtel C

Mörtel D

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20

25

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

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A/m

²]


Mörtel B

Mörtel C

Mörtel D

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