Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton

Kathodischer Korrosionsschutz
von Stahl in Beton
Kathodischer Korrosionsschutz wirkt.
Mit Sicherheit.

Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton
Inhaltsverzeichnis
Einleitung ....................................................................................................................3
1 Grundlagen des kathodischen Korrosionsschutzes für Stahlbeton .......................4
2 Anwendbarkeit des kathodischen Korrosionsschutzsystems ................................5
2.1 Allgemeines ................................................................................................5
2.2 Erfassung des Ist-Zustandes und Instandsetzung ......................................5
3 Komponenten des kathodischen Korrosionsschutzsystems................................10
3.1 Allgemeines ..............................................................................................10
3.2 Anodensysteme ........................................................................................10
3.3 Überwachungssensoren ...........................................................................12
3.4 Messdatenerfassungssystem....................................................................12
3.5 Datenverwaltungssystem ..........................................................................13
3.6 Gleichspannungskabel..............................................................................14
3.7 Anschlusskästen .......................................................................................14
3.8 Stromquelle...............................................................................................15
4 Installationsverfahren ..........................................................................................15
4.1 Verbindung zur Bewehrung.......................................................................15
4.2 Anodeneinbau...........................................................................................16
4.3 Verbindung zum Anodensystem ...............................................................16
5 Inbetriebnahme ...................................................................................................17
5.1 Maßnahmen vor der Stromeinspeisung ....................................................17
5.2 Anfängliche Stromeinspeisung und Einstellung ........................................17
5.3 Erste Funktionsüberwachung....................................................................17
5.4 Schutzkriterien ..........................................................................................18
5.5 Dokumentation..........................................................................................19
6 Betrieb und Instandhaltung..................................................................................20
7 Lebensdauer des Systems ..................................................................................20
Literaturverzeichnis ...................................................................................................22
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Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton
Einleitung
Korrosion von Stahl in Beton stellt für die Bauwirtschaft in ökonomischer Hinsicht ein
großes Problem dar und kann im Extremfall die allgemeine Sicherheit gefährden. Die
durch Karbonatisierung und besonders Chloridinduzierung verursachten Korrosionsschäden
können Instandsetzungsmaßnahmen erfordern, die sehr aufwendig und kostenintensiv
sind.
Die durch Chloride hervorgerufene Lochfraßkorrosion (Makroelementkorrosion) ist erst
spät erkennbar, da sie sich nicht wie bei der gleichmäßigen Korrosion durch eine erhebliche
Volumenvergrößerung am Bewehrungsstahl und somit Betonabplatzungen
ankündigt. Besonders gefährdet sind Stahlbetonbauwerke wie Straßen- oder Autobahnbrücken
und Parkhäuser bzw. Tiefgaragen, die winterlichen Streusalzeinflüssen
ausgesetzt sind. Ebenso betroffen sind Bauwerke in maritimen Klimabedingungen oder
Gründungen bzw. Fundamente in salzhaltigem Grundwasser.
Bei den sogenannten konventionellen Instandsetzungsmaßnahmen muss chloridinduzierter
Beton in großer Tiefe abgetragen werden, was einen erheblichen Eingriff in das
Bauwerk darstellt. Diese Instandsetzung ist für den Betreiber mit hohem finanziellen
Aufwand aufgrund der Ausführung als auch Nutzungseinschränkung des Bauwerks
verbunden. Bei einer unvollständigen Entfernung des chloridhaltigen Betons kann durch
fortlaufende Korrosion bereits nach einigen Jahren eine erneute Instandsetzungsmaßnahme
erforderlich werden.
Der kathodische Korrosionsschutz von Stahl in Beton (KKSB) ist eine alternative Instandsetzungsmethode,
die in Deutschland trotz des vorhandenen Know-hows noch
sehr wenig Anwendung findet. Das 1974 in den USA entwickelte Schutzsystem wird
weltweit für eine Vielzahl verschiedenster Stahlbetonbauwerke in den unterschiedlichsten
Umgebungsbedingungen eingesetzt. Dagegen wurden in Deutschland Projekte erst
in den letzten Jahren realisiert. Der Vorteil bei einer Instandsetzung mit kathodischem
Korrosionsschutz (KKS) gegenüber einer konventionellen Maßnahme liegt in der hohen
Lebensdauer des Schutzsystems sowie den kostengünstigeren Ausbesserungsarbeiten
am Beton. Das kathodische Korrosionsschutzsystem verhindert eine Weiterentwicklung
der Lochkorrosion. Daher muss lediglich Beton bis zu einer Tiefe entfernt werden, in
welcher der Stahl aufgrund Querschnittsverminderung reprofiliert werden muss.
Dieses Konzept beschreibt die Grundlagen für die Planung, Installation, Inbetriebnahme
und Überwachung einer kathodischen Korrosionsschutzanlage für Stahl in Beton. Der
kathodische Korrosionsschutz von Stahl in Beton ist in der DIN EN 12696 geregelt und
auf den Schutz des an der Atmosphäre ausgesetzten Stahls in Beton begrenzt [1].
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Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton
1 Grundlagen des kathodischen Korrosionsschutzes für Stahlbeton
Normalerweise ist der Stahl in den Beton- und Spannbetonbauten durch die Alkalität
des Beton-Porenwassers und die sich daraus ergebende Passivierung über Jahre vor
Korrosion geschützt. Die Passivität der Stahloberfläche ist aber nur in pH-Bereichen
möglich, in denen sich dichte Oxidfilme bilden können.
Bild 1: Pourbaix-Diagramm für Eisen in Wasser
Dies ist bei einem pH-Wert Bereich von 9
bis 13 der Fall. Im so genannten Pourbaix-Diagramm
kann man erkennen,
unter welchen Bedingungen Eisen chemisch
stabil ist und in welchen Bereichen
es als Lösung bzw. festes Oxid vorliegt
(Abbildung 1) [2]. Erst durch das Eindringen
von Chloriden oder durch Karbonatisierung
wird diese Passivschicht, welche
die Eisenauflösung verhindert, instabil
und es werden zusätzliche Schutzmaßnahmen
erforderlich. Bei Anwendung des
kathodischen Korrosionsschutzes würde
man das Potentials des Eisens in den
inaktiven Bereich verschieben (unterhalb
– 600 mV) und somit der Korrosion entgegenwirken.
Die Entscheidung, korrosionsgefährdete Stahlbetonkonstruktionen kathodisch zu schützen,
hängt von technischen und wirtschaftlichen Erwägungen ab. Bei kleinflächigen,
durch Korrosion des Bewehrungsstahles bedingten Betonabplatzungen, die auf ungenügende
Betondeckung zurückzuführen sind, ist der kathodische Schutz mit Fremdstrom
kein wirtschaftliches Vorhaben. Wesentliche Anwendungsgebiete sind stattdessen
Stahlbetonbauwerke, bei denen hohe Chloridgehalte auch in größeren Tiefen im
Beton vorliegen. Im Falle einer Sanierung kann aus technischen Gründen der chloridkontaminierte
Altbeton normalerweise nur bis zur ersten Bewehrungslage entfernt werden.
Ist auch in den tieferen Lagen ein hoher Chloridgehalt vorzufinden, wird dort die
Korrosion fortschreiten. Eine sanierte obere Lage kann sogar eine verstärkte Korrosion
der unteren Lage hervorrufen, da sie eine neue Kathodenfläche darstellt und somit die
Elementwirkung verstärkt.
Das Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes beruht darauf, dass die anodische
Teilreaktion der Korrosionsreaktion, nämlich die Eisenauflösung, durch einen entgegengesetzt
gerichteten Gleichstrom unterbunden wird. Dazu wird auf die Betonoberfläche
eine dauerhafte Anode (in der Regel Mischmetalloxid beschichtetes Titan) aufgebracht
und von einem leitfähigen Milieu (meist Spritzbeton) umgeben (Abbildung 2) [3].
Die freigelegte Bewehrung muss an den Minuspol und die Anode an den Pluspol einer
Gleichstromquelle angeschlossen werden. Nach Einschalten der Stromquelle erzwingt
diese einen Stromfluss durch den Stahl, der dem Stromfluss der anodischen Metallauf-
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lösung entgegengesetzt ist und somit das weitere Korrodieren unterdrückt. Gebildete
Korrosionsprodukte können jedoch nicht wieder in Eisen zurückverwandelt werden.
Bild 2: Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes für Stahl in Beton
Der kathodische Korrosionsschutz ist generell auf zwei Arten möglich. Im soeben beschriebenen
Verfahren wendet man den Schutz mit inerten Anoden und einer Fremdstromanlage
an. Die zweite Möglichkeit beruht darauf, die Anode direkt mit der Bewehrung
zu verbinden und so mit dem Prinzip der Kontaktkorrosion zu verfahren, d.h. mit
einem unedleren Metall wird die Korrosion verstärkt aufgenommen und so das edlere
Metall geschützt. Da sich die Anode bei dieser Anwendung auflöst spricht man auch
von Opferanoden.
2 Anwendbarkeit des kathodischen Korrosionsschutzsystems
2.1 Allgemeines
Bei einer Instandsetzung müssen Entwurf, Einbau, Stromversorgung, Inbetriebnahme,
Langzeitbetrieb und Dokumentation aller Teile des kathodischen Korrosionsschutzsystems
in Übereinstimmung mit einem Qualitätsplan ausgeführt werden [1]. Die Arbeiten
sind unter der Aufsicht von qualifiziertem Personal mit Fachkenntnissen auf den Gebieten
der Elektrochemie, Betontechnologie, Hoch- und Tiefbau sowie des kathodischen
Korrosionsschutzes durchzuführen.
2.2 Erfassung des Ist-Zustandes und Instandsetzung
Wird der kathodische Korrosionsschutz als Instandsetzungsmaßnahme für ein Bauwerk
vorgesehen, muss die Anwendbarkeit des kathodischen Korrosionsschutzes bestätigt
werden. Dazu wird der Ist-Zustand des Bauwerks, unter Berücksichtigung der folgenden
Untersuchungen, erfasst [1]:
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• Berücksichtigung vorhandene Bauwerksaufzeichnungen
• Visuelle Begutachtung des Schutzobjektes
• Bestimmung des Chloridgehalts und der Karbonatisierungstiefe des Betons
• Messung der Betonüberdeckung
• Überprüfung der elektrischen Kontinuität der Bewehrung
• Messung des Stahl/Beton-Potentials und des elektrischen Widerstandes des Betons
• Erfassung notwendiger Reparaturarbeiten
Mit der Berücksichtigung von Zeichnungen oder Berichten des Schutzobjektes werden
die Bestandteile bzw. Qualität des Betons sowie die Lage und damit die metallenleitende
Durchverbindung der Bewehrung festgestellt. Eine visuelle Begutachtung des
Bauwerks ist unerlässlich, um das Ausmaß an Mängeln, Bereiche möglicher vergangener
Instandsetzungsarbeiten, unzureichende Betonüberdeckung durch Abplatzungen,
Risse, Kiesnester und jegliche Merkmale des Bauwerks, die sich auf die Wirksamkeit
des kathodischen Korrosionsschutzes auswirken können, zu erkennen.
Die Bestimmung des Chloridgehalts kann mit der Bohrmehlmethode erfolgen. Bei
diesem Verfahren wird mit dem Schlagbohrhammer in der Regel in 10 mm Schichtenfolge
Bohrmehl aus den kritischen Bereichen des Schutzobjekts entnommen und im
Labor der Chloridgehalt festgestellt. Mit dieser Methode kann der schichtenweise Chloridgehalt
und somit der abzutragende chloridverseuchte Bereich des Betons ermittelt
werden.
Die Karbonatisierungstiefe des Stahlbetonbauteils kann mit dem Phenolphtaleintest
bestimmt werden. Bei dem Test wird eine Bruchfläche in gewünschter Tiefe hergestellt
und der frisch gebrochene Beton mit der Indikatorlösung besprüht. Der nicht karbonatisierte
Bereich verfärbt sich rotviolett, während der karbonatisierte Bereich farblos bleibt.
Die Betonüberdeckung sowie die Stärke und Lage der Bewehrung müssen gemessen
werden, um zu prüfen, ob der Anoden-/Kathodenabstand für das betrachtete Anodensystem
ausreichend ist und dichte Bereiche der Bewehrung, die eine hohe Stromdichte
erfordern, zu erkennen [1]. Die Ermittlung der Betonüberdeckung sollte mit einer
zerstörungsfreien Methode, z. B. durch magnetische Induktion, erfolgen. Mit einem Bewehrungs-Prüfgerät
werden Bewehrungsstähle bis zu 200 mm Tiefe aufgesucht und
somit die Überdeckung gemessen. Mit der Methode können schnell großflächige Bereiche
abgesucht und sogar der Stahldurchmesser ermittelt werden.
Der kathodische Korrosionsschutz des Bewehrungsstahls setzt eine metallenleitende
Durchverbindung der Bewehrung voraus [1,4]. Im Allgemeinen ist der Kontakt zwischen
den einzelnen Bewehrungslagen durch Verrödelungen oder Schub-, Rand- und
Bewehrungen zur Rissbreitenbeschränkung gegeben, jedoch muss die Durchverbindung
durch Messung des Widerstandes oder des Gleichstrompotentialunterschieds der
auseinanderliegenden Bewehrungsstähle nachgewiesen werden. Dazu wird die Bewehrung
freigelegt und die Messkontaktstellen vollständig entrostet. Stabile Messwerte und
ein Widerstand weniger als 1 Ω bzw. ein Potentialunterschied weniger als 1 mV deuten
auf eine leitende Durchverbindung hin [1].
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Eine weitere Untersuchung zur Aufnahme des Ist-Zustandes und zur Erkennung der
Bewehrungskorrosion ist die Messung des Stahl-Beton-Potentials bzw. Ruhepotentials.
Nach bisherigen Erfahrungen sind die anodischen und kathodischen Bereiche der
Bewehrung baupraktisch immer so weit örtlich getrennt, dass über ihnen verschiedene
elektrische Potentialdifferenzen zwischen einer Bezugselektrode auf der Betonoberfläche
und der Bewehrung gemessen werden können (Abbildung 3) [2].
Dazu wird die beschädigte als auch
offensichtlich unbeschädigte Oberfläche
des Bauwerks in Rastern (z. B.
500 mm x 500 mm Abstand) mit einer
tragbaren Referenzelektrode untersucht.
Die Potentiale können mit einem
hochohmigen Millivoltmeter erfasst
werden, das zum einen mit der
Messelektrode und zum anderen mit
der Bewehrung verbunden werden
muss. Ist die elektrische Kontinuität
der Bewehrung gegeben, so ist die
Freilegung an einigen wenigen Stellen
für den Anschluss ausreichend.
Bild 3: Prinzip der Ruhepotentialmessung
Abbildung 4 zeigt die anodischen und kathodischen Bereiche einer Potentialmessung
mit einem Raster von 50 cm x 200 cm [5].
Bild 4: 2-Dimensionale grafische Auswertung einer Stahl-Beton-Potentialmessung
Hohe Potentialgradienten und kritische Potentialwerte geben Aufschluss über die Korrosionswahrscheinlichkeit
zum Zeitpunkt der Messung. Jedoch muss beachtet werden,
dass die Potentiale stark von Feuchtigkeit, Temperatur, Zementart und Betonüberdeckung
abhängig sind. Nur im Zusammenhang mit den vorhergegangenen Messungen
(Chloridanalyse, Karbonatisierungstiefe und Betonüberdeckung) lassen sich Korrosionsvorgänge
pro Bauteil und Tag genau interpretieren. In Abbildung 5 ist das Prinzip
der Potentiallinienausbreitung bei Lochkorrosion dargestellt [5]. Je größer die Betonüberdeckung,
desto positivere Potentiale werden an der Betonoberfläche gemessen.
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Geeignete Bezugselektroden zur Potentialmessung sind:
• Ag/AgCl (Silber/Silberchlorid)-Elektrode (EH = + 197 mV)
• Cu/CuSO4 (Kupfer/Kupfersulfat)-Elektrode (EH = + 316 mV)
• SCE (gesättigte Kalomelelektrode) (EH = + 241 mV)
Bild 5: Potentiallinienausbreitung (unten), Einfluss
der Überdeckung auf das Potential (oben)
Die Cu/CuSO4-Elektrode wird laut DIN EN
12696 nicht empfohlen, da ein Fehlerrisiko
bei auslaufendem Kupfersulfat besteht. Es
muss außerdem beachtet werden, dass die
Elektrode an der Messseite mit einem austauschbaren
feuchten Schwamm ausgerüstet
wird, um einen besseren Messkontakt zwischen
Betonfläche und Elektrode sicherzustellen.
Messungen in abgeplatzten und bereits instandgesetzten
Betonbereichen sind mit
Vorsicht zu betrachten, da durch Hohlräume
oder unterschiedliche Betonqualität die
Messergebnisse beeinträchtigt werden können.
Gegebenfalls muss hier ein Betonabtrag
bis auf das Grundmaterial vorgenommen
werden, bevor mit der Potentialmessung begonnen
werden kann.
Da Potentialmessungen an größeren Flächen mit einer Messelektrode sehr unwirtschaftlich
wären, sollte man eine Apparatur verwenden, die mit mehreren Referenzelektroden
ausgestattet ist und so gleichzeitig eine große Fläche erfassen kann. Eine
weiter Möglichkeit sind sogenannte Radelektroden, mit denen im Schritttempo über die
Oberfläche gegangen wird und ebenso schnell größere Bereiche gemessen werden
können. Die in der Vergangenheit gerne angewendete Methode der Inaugenscheinnahme
und des Abklopfens der vermutlich geschädigten Bereiche mit dem Hammer ist
nicht aussagekräftig genug und sollte nicht verwendet werden. Bei diesen einfachen
Verfahren werden Bereiche mit beginnender Korrosion mit hoher Wahrscheinlichkeit
übersehen.
Für den Entwurf des kathodischen Korrosionsschutzes muss außerdem noch der elektrische
Widerstand des Betons berücksichtigt werden. Er ist für die Dimensionierung
des Schutzstromes der einzelnen Schutzbereiche notwendig, kann aber auch Aussage
über Betonfeuchte und Chloridgehalt geben. Werte < 5 kΩ m können auf erhöhten
Chloridgehalt hinweisen, bei Werten > 20 kΩ m ist nicht mit Feuchtigkeit bzw. Chloriden
zu rechnen [4]. Der Widerstand kann nach dem Wenner-Verfahren mit 4 Elektroden in
unterschiedlichen Tiefen (je nach Elektrodenabstand) bestimmt werden. Auch dieses
Messverfahren wird von Temperatur, Feuchtigkeit und Hohlräumen im Beton beeinflusst
und muss daher mit zusätzlichen Untersuchungen ausgewertet werden.
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Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton
Der Einbau des kathodischen Korrosionsschutzes in vorhandene Bauwerke kann mit
Reparaturarbeiten verbunden sein, die notwendig sind, um einen ungehinderten Fluss
des kathodischen Schutzstroms von der Anode zur Bewehrung zu gewährleisten. Beton,
der für Kabelverbindungen oder Überwachungselektroden entfernt wurde, muss
wieder nach Übereinstimmung mit den zuständigen Regelwerken hergestellt werden.
Spätestens hier muss klar sein, dass eine Instandsetzungsmaßnahme eines Stahlbetonbauwerks
mit Errichtung einer kathodischen Korrosionsschutzanlage nur funktioniert,
wenn eine gezielte Teamarbeit aus dem Fachgebiet des Korrosionsschutzes und der
Betoninstandsetzung gegeben ist [6].
Wurde bei vorhergegangenen Reparaturmaßnahmen eines Schutzobjektes Material
verwendet, dessen Widerstand oberhalb 50 % bis 200 % des elektrischen Widerstandes
des Ausgangsbetons liegt, so muss dieses entfernt werden [1]. Alle Metallteile, die
an der Oberfläche sichtbar sind und mit der Bewehrung in Verbindung stehen könnten,
müssen aufgrund der Kurzschlussgefahr zwischen Anode und Bewehrung zurückgeschnitten
werden. Jedes metallische Objekt, das vom Kathodenkreis isoliert ist, kann
korrodieren und muss elektrisch leitfähig mit der Bewehrung verbunden oder entfernt
werden [1].
Wird für Messungen oder Reprofilierungsarbeiten die Bewehrung freigelegt, so muss
diese von Korrosionsprodukten gereinigt werden. Es dürfen keine Grundierschichten
oder andere Beschichtungen auf die Stahloberfläche aufgetragen werden. Bei der Wiederherstellung
von Betonoberflächen muss Reparaturmörtel verwendet werden, der
einen ähnlichen elektrischen Widerstand wie der Originalbeton aufweist und gleiche
mechanische Eigenschaften besitzt. Der Widerstand muss innerhalb 50 % bis 200 %
des elektrischen Widerstandes des Ausgangsbetons liegen und Anodenüberdeckungen
dürfen 200 % des elektrischen Widerstandes des Originalbetons bis zu einem Maximum
von 100 kΩ cm in den Umgebungsbedingungen überschreiten, solange die Anode in
der Überdeckung dieses Widerstandes den benötigten Schutzstrom bei entsprechendem
Potential liefern kann [1]. Die Verbundfestigkeit zwischen vorhandenem Beton und
Überdeckung muss größer sein als 1,5 N/mm 2 .
Alle Betoninstandsetzungs- und Reparaturarbeiten müssen in Übereinstimmung mit
ENV 1504 (Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken)
ausgeführt werden.
Nach einer Einschätzung der Anwendbarkeit und Bestätigung des kathodischen Korrosionsschutzes
als Reparaturmaßnahme werden die vorläufige Ortswahl und Größe der
Anodenbereiche (Schutzzonen) basierend auf Faktoren festgelegt, die sich aus den
Untersuchungen des Ist-Zustandes ergeben. Weitere Faktoren sind dabei der benötigte
Schutzstrom, die Lebensanforderungen, Betriebsbedingungen, Gewicht und Einbaufolge
der Anoden. Ebenso werden die Kabelverläufe zwischen den einzelnen Komponenten
sowie ein möglicher Standort für den Gleichstromtransformator gewählt.
Wird das kathodische Korrosionsschutzsystem als prophylaktische Maßnahme für ein
neues Bauwerk vorgesehen, so sind für den Entwurf und während des Bauablaufs folgende
Punkte zu beachten [1]:
• Überwachung des Bewehrungsverlaufs in Hinsicht auf elektrische Kontinuität mit
den vorher beschriebenen Messverfahren
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• Schutz und Sicherung der Bestandteile des kathodischen Korrosionsschutzsystems
während des Betonier- und Verdichtungsvorganges
• Verhinderung unerwünschter Beeinflussungen durch fremde metallische Bestandteile
des Bauwerkes
• sorgfältige Ausführung und Überwachung der Abstandhalter bzw. Befestigungen
der einbetonierten Anoden zur Vermeidung von Kurzschlüssen
• Widerstandsüberwachung zwischen Anode und Bewehrung
• Koordinierte Zusammenarbeit der einzelnen Fachbereiche
3 Komponenten des kathodischen Korrosionsschutzsystems
3.1 Allgemeines
Laut DIN EN 12696 muss das kathodische Korrosionsschutzsystem ein Anodensystem
enthalten, damit der kathodische Schutzstrom zu den jeweiligen Oberflächen oder zu
Teilen des Betons gelangt und die Umwandlung von elektronischem zu ionischem
Strom an der Anoden-Betonkontaktoberfläche sowie seine Verteilung zur Oberfläche
des im Beton eingebetteten Stahls ermöglicht wird. Das Anodensystem ist die wichtigste
Komponente des kathodischen Schutzsystems und muss innerhalb der projektierten
Lebensdauer die benötigte Schutzstromdichte zur Verfügung stellen können,
ohne dass es zu einer Beeinträchtigung des Verbundes zwischen Anode und Beton
bzw. zu einer Beschädigung der Anode kommt [1,7].
Weitere Komponenten des kathodischen Korrosionsschutzsystems sind positive und
negative Anschlüsse der Anoden bzw. Bewehrung, um diese an einer Gleichstromquelle
anschließen zu können. Hinzu kommen weitere Elektroden bzw. Sensoren, die
ein wichtiges Element des Überwachungssystems darstellen und für die Einstellung des
Schutzstromes notwendig sind. Zuletzt müssen die Daten der Elektroden durch entsprechende
Messgeräte erfasst und ausgewertet werden können. Diese Messausrüstung
kann sowohl ein tragbares oder ständig angeschlossenes bzw. fest installiertes
Gerät sein.
3.2 Anodensysteme
In der DIN EN 12696 werden vor allem Anodensysteme aufgeführt, die seit mindestens
5 Jahren in Betrieb sind und über die umfassende erfolgreiche Aufzeichnungen bestehen.
Die Benutzung neuer Materialien wird nicht ausgeschlossen, es wird jedoch vorgeschlagen,
diese ausreichend durch Labortest vor der Installation außerhalb von Test-
Einsätzen zu studieren. Folgende bisherige getestete Anodensysteme werden in der
oben genannten Norm beschrieben:
• Leitfähige organische Beschichtungen
• Leitfähige metallische Beschichtungen
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• Aktivierte Titananodensysteme
Weitere Anodensysteme, auf die aber im folgendem Abschnitt nicht näher eingegangen
wird, sind [1]:
• Leitfähige Überzüge
• Leitfähige Polymere
• Leitfähige Keramiken
• Leitfähige zementartige Materialien
Organische Beschichtungen basieren auf Lösungsmittel mit Kohlenstoff als elektrischer
Leiter. In die Beschichtung werden Zuleitungen (sog. Primäranoden) eingelagert, um
den Strom innerhalb der Beschichtung zu verteilen. Materialien für die Zuleitungen sind
z. B. platiniertes Titan oder Mischmetalloxid beschichtetes Titan und sind widerstandsfähig
gegen anodische Reaktionen. Die Beschichtung wird mit einer Filmdicke von
0,25 mm bis 0,50 mm mittels Bürste, Rolle oder durch Spritzen aufgetragen [1]. Das
Anodensystem kann mit einer Stromdichte bis 20 mA/m 2 betrieben werden und erreicht
dabei eine Lebensdauer von 5 bis 15 Jahren. Des weiteren sind organische Anoden
empfindlich gegen Umwelteinflüsse und können andauernder Nässe sowie maritimen
Klima nicht standhalten.
Bei Anodensystemen aus metallischen Beschichtungen wird Zink durch Bogen- oder
Flammsprühen mit einer Dicke von 0,15 mm bis 0,20 mm aufgebracht. Mit Beschichtungen
aus Zink-Legierungen und nachträglich aktiviertem Titan liegen keine Langzeiterfahrungen
vor, deshalb muss die Wirksamkeit dieser bei Verwendung erst durch Versuche
überprüft werden. Die mögliche Stromdichte von thermisch aufgesprühtem Zink
beträgt wie bei der organischen Beschichtung etwas 20 mA/m 2 . Die Lebensdauer dieses
Anodentyps liegt mit maximal 6 Jahren etwas geringer als bei organischen Beschichtungen
[1]. Jedoch kann sie bei Stahlbetonbauwerken eingesetzt werden, die der
Witterung und sogar maritimen Bedingungen ausgesetzt sind. Außerdem wurden Zink-
Beschichtungen bereits erfolgreich als Opferanode eingesetzt.
Die am häufigsten verwendeten Anodensysteme sind jedoch Mischmetalloxid beschichtete
Titananoden (MMO). Diese Anoden sind erst seit einigen Jahren in Form von
flexiblen Titannetzen, Bändern und Matten erhältlich. Titan ist elektrochemisch passiv
und muss deshalb mit einer Beschichtung versehen werden, damit der Stromfluss von
Metall in den Beton ermöglicht wird. Das Titangrundgerüst wird dafür durch Sandstrahlen
bzw. Beizen gereinigt und für die Beschichtung vorbereitet. Die fertige Beschichtung,
die durch Tauchen oder Spritzen aus einer edelmetallhaltigen Lösung aufgebracht
und anschließend bei 300 bis 600°C eingebrannt wird, enthält Oxide der Platinmetalle
und Oxide von Metallen wie Zinn, Titan, Zirkon und Tantal. MMO Anoden garantieren
einen gleichmäßigen Stromeintritt in den Beton bei einer Lebensdauer von 50 Jahren
und mehr. Sie sind flexibel und in allen Größen erhältlich. Dadurch sind sie besonders
für den Einbau in Stahlbetonbauwerke geeignet.
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3.3 Überwachungssensoren
Um die Wirksamkeit des kathodischen Korrosionsschutzsystems anhand von Schutzpotentialen
überprüfen und die elektronischen Schutzstromgeräte regeln zu können,
müssen Bezugselektroden in die Schutzbereiche eingebaut werden. Geeignete Bezugselektroden
zur dauerhaften Einbettung in Beton sind MnO2 (Mangandioxid)-
Elektroden und Ag/AgCl (Silber/Silberchlorid)-Elektroden.
Die MnO2-Elektrode wurde speziell für den Einbau in Beton konzipiert. Das Potential
der Elektrode ist nahezu unabhängig von Veränderungen der chemischen Eigenschaften
des Betons und kann daher sowohl in nassem als auch trockenem Beton verwendet
werden, unabhängig davon, ob Karbonatisierung oder Chloridinduzierung vorliegt [7].
Bild 6 zeigt die schematische Darstellung sowie die Abmessungen einer MnO2-
Bezugselektrode [8].
Bild 6: Darstellung einer MnO2-Βezugselektrode
Der Elektrolyt im Inneren besteht aus
einem alkalischem Gel, dessen pH-Wert
dem des Betonporenwassers entspricht.
Dadurch werden Potentialverfälschungen
durch Ionendiffusion durch den porösen
Verschluss verhindert.
Die Bezugselektroden werden mit einem Abstandhalter direkt an der Bewehrung befestigt
(Abbildung 7) [7]. Sie sollten einen möglichst geringen Innenwiderstand besitzen
und weitestgehend unpolarisierbar sein.
Durch ein stabiles Potential an der Referenzelektrode
wird das Stahl-Beton-
Potential messbar und für den Nachweis
der Wirksamkeit des kathodischen Korrosionsschutzsystems
verwendet. Das
wichtigste Kriterium für einen ausreichenden
kathodischen Korrosionsschutz
ist jedoch das “100 mV-Kriterium“, das
nach der Durchführung einer Depolarisationsmessung
angewendet werden kann.
Bild 7: Eingebaute MnO2-Bezugselektrode
Es können auch die in Kapitel 2.2 beschriebenen tragbaren Elektroden für die Potentialmessungen
verwendet werden. Jedoch können diese keine reproduzierbaren Ergebnisse
wie örtlich fixierte bzw. fest eingebaute Bezugselektroden liefern.
3.4 Messdatenerfassungssystem
Für die Abfrage der Überwachungssensoren müssen laut DIN EN 12696 digitale Messgeräte
verwendet werden. Spannungsmessgeräte für Bezugselektroden und der
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Gleichspannungsquelle müssen eine Mindestauflösung von 1 mV mit einer Genauigkeit
von ± 1 mV und einem Eingangswiderstand von mindestens 10 MΩ besitzen [1]. Der
Stromfluss zwischen den Messelektroden und der Bewehrung muss durch ein Nullwiderstandsamperemeter
mit einer Genauigkeit von 1 % bestimmt werden können.
Für die Aufzeichnung der Messdaten werden Geräte mit einem Mehrkanaleingang oder
Kanalwählschalter verwendet, die folgende Anforderungen erfüllen müssen [1]:
• Arbeiten mit einer Echtzeituhr, die an allen Messsystemen angeschlossen ist
• Mindesteingangswiderstand von 10 MΩ
• Mindestauflösung von 1 mV bei einem Mindestmessbereich von 2 V
• Ausgänge zur Kontrolle bzw. Synchronisation mit der Gleichspannungsquelle für
eine korrekte Messung der Ausschaltpotentiale
• Genauigkeit und Messhäufigkeit muss für Stahl-Potential-Aufzeichnungen innerhalb
von 100 ms bis 500 ms mit einer Genauigkeit von mindestens ± 5 mV ausreichen
Bei der Verwendung von tragbaren Aufzeichnungsgeräten muss darauf geachtet werden,
dass diese für den Baustelleneinsatz geeignet und durch entsprechende Verbindungen
kompatibel mit den anzuschließenden Messkästen bzw. Gleichrichtern sind.
Dauerhaft installierte Aufzeichnungsgeräte müssen in einem Gehäuse vorgesehen werden,
das Schutz vor Umwelteinflüssen bietet und mechanischen Einwirkungen standhält.
Das System kann durch ein Netzwerk oder über ein Modem betrieben werden. Der
Betriebsstrom kann entweder durch das Wechselstromnetz oder das Netzwerkkabel
erbracht werden.
3.5 Datenverwaltungssystem
Das Datenverwaltungssystem muss die Leistungsdaten des kathodischen Korrosionsschutzsystems
verarbeiten und mindestens folgende Daten erfassen können [1]:
• Dimension der Anodenbereiche
• Bezugselektrodentyp und Einbauort
• Einstellung des Gleichrichters
• Messwerte vorbetrieblicher Aufzeichnungen
• Daten der Inbetriebnahme
• Messwerte seit Inbetriebnahme
• Ausgabedaten der Gleichspannungsquelle seit Inbetriebnahme
• Prüfdaten- und Änderungsberichte
Um die gesammelten Informationen in tabellarischer und grafischer Form darstellen zu
können, sollte ein computergestütztes Datenverwaltungssystem verwendet werden.
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3.6 Gleichspannungskabel
Als Verbindungsmittel zwischen den einzelnen Komponenten des kathodischen Korrosionsschutzsystems
werden sowohl einadrige als auch mehradrige Kabel verwendet.
Einadrige Kabel müssen mit folgenden Farben codiert sein und minimalen Adergrößen
eingesetzt werden [1]:
• Positiver Pol des Gleichrichters zur Anodenkabelverbindung:
Farbe: rot Aderquerschnitt: 2,5 mm 2
• Negativer Pol des Gleichrichters zur Bewehrungskabelverbindung:
Farbe: schwarz Aderquerschnitt: 2,5 mm 2
• Bewehrungsverbindung zur Überwachung (Überwachungskabel):
Farbe: grau Aderquerschnitt: 2,5 mm 2
• Bezugselektrodenkabel:
Farbe: blau Aderquerschnitt: 2,5 mm 2
• Andere Sensorenkabel:
Farbe: gelb Aderquerschnitt: 2,5 mm 2
Mehradrige Kabel müssen farb- oder nummerncodiert sein und aufgrund mechanischer
Gründe folgende minimalen Adergrößen besitzen [1]:
• Positiver und negativer Anschluss der Gleichspannungsquelle:
Aderquerschnitt: 1,0 mm 2
• Überwachungskabel:
Aderquerschnitt: 0,5 mm 2
• Datennetzwerk:
Aderquerschnitt: entsprechend Netzwerknorm
Alle Kabel, die in Verbindung mit dem Anodenmaterial eingebaut werden, müssen unter
sauren Umgebungsbedingungen (pH = 2) langzeitstabil sein. Die Kabel, die im Beton
unter alkalischen Bedingungen (pH = 13) verbaut werden, müssen ebenso in dieser
Umgebung die erforderliche Lebensdauer erreichen. Bei hohem Schadensrisiko können
Kabel auch einbetoniert oder stahldrahtverstärkt werden.
3.7 Anschlusskästen
Alle Anschlusskästen, Neben- und Hauptverteiler müssen in Übereinstimmung mit IEC
60529 Standard (Schutzklasseneinteilung) stehen. Sie sollten aus nichtmetallischem
Material hergestellt sein und müssen Schutz vor Umwelt- und mechanischen Einflüssen
bieten.
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3.8 Stromquelle
Bei vorhandener Wechselstromquelle muss für die Gleichstromversorgung ein Gleichstromtransformator
verwendet werden [1]. Laut DIN EN 12696 muss dieser folgende
Anforderungen erfüllen:
• Stufenlose Einstellbarkeit
• Abschalten des Wechselstromes mit einer doppelpoligen, geerdeten Trennsicherung
bzw. einem Überlastschalter und einem Reststromgerät
• Austritt des Gleichstromtransformators maximal 50 V und Restwelligkeit maximal
100 mV mit einer Minimalfrequenz von 100 Hz
• Schutz des Gleichrichters auf der Wechselstromseite durch Schmelzsicherungen
• Schutz durch Varistoren an der Gleichstromseite
• Ausrichtung für Dauerbetrieb unter Berücksichtigung der erforderlichen Austrittsleistungen
bei mindestens 600 V Spitzenumkehrspannung
• In für Personen und Tieren zugänglichen Bereichen des Schutzsystems darf die
maximale Austrittsspannung 24 V betragen
• Steuerbarer Austritt, um stufenlos eine konstante Spannung und einen konstanten
Stromfluss zu gewährleisten
• Gleichstromrelaissystem muss Ausschaltmessungen ermöglichen
• Beschriftung der Sicherungen mit der Bezeichnung des zugehörigen Stromkreises
und der eigenen Merkmale
• Isolierung der Austrittsanschlüsse von sämtlichen Metallteilen im Gehäuse
• Klare Kennzeichnung der Ausgänge („+ Anode“, „- Bewehrung“)
Um die Funktionstüchtigkeit des Gerätes nachzuweisen, müssen Prüfungen beim Hersteller
durchgeführt werden. Die Prüfungen sind unter realistischen bauwerksähnlichen
Bedingungen durchzuführen und die Ergebnisse müssen dokumentiert werden.
4 Installationsverfahren
4.1 Verbindung zur Bewehrung
Die Bewehrung muss an mehreren Stellen freigelegt und mit negativen Kabelverbindungen
versehen werden. Ebenso sind ausreichend Prüfverbindungen für Potentialund
andere Kontrollmessungen zu verlegen. Die metallenleitende Durchverbindung
zwischen sämtlichen negativen Verbindungen und Messverbindungen muss geprüft
werden und 1 Ω oder weniger betragen [1]. Bei nicht Erfüllung dieser Anforderung sind
Stähle freizulegen und elektrische Verbindungen zu schaffen. Laut DIN EN 12696 müssen
Kabelverbindungen zur Bewehrung einen Langzeitwiderstand von weniger als
0,01 Ω sicherstellen.
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Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton
4.2 Anodeneinbau
Die hohe erwartete Lebensdauer des Schutzsystems ist vor allem von der guten Haftung
zwischen Mörtel und Betonoberfläche sowie der Qualität des Elektrolyten (umgebender
Beton) abhängig. Die Betonoberfläche für den Anodeneinbau muss deshalb frei
von verbundmindernden Verunreinigungen sein und dementsprechend vorbereitet werden.
Werden die Anoden auf Reparaturmörtel angebracht, so müssen die notwendigen
Nachbehandlungsmaßnahmen für Beton beachtet werden. Erst nach Aushärtung des
Betons (ca. 2-4 Wochen) sollte das Anodenmaterial befestigt werden. Um Kurzschlüsse
zwischen der Bewehrung und den Anoden zu vermeiden, werden diese mittels Kunststoffdübel
an der Betonoberfläche befestigt.
Bei Verwendung von Titanmatten sollten diese aufgrund der äußerst niedrigen Leitfähigkeit
des Betons die gesamte Oberfläche bedecken. Der Abstand zwischen den einzelnen
Matten sollte dabei ungefähr 5 cm betragen. Aufzeichnungen verschiedener Laborversuche
zeigten, dass die laterale Schutzwirkung der Anoden bei nur ca. 15 cm
liegt. Bei Verwendung von streifenförmigen Anoden darf daher der maximale Anodenabstand
30 cm betragen.
Bild 8: Verlegte MMO Titanmatten
Für die gleichmäßige Einbringung des
Schutzstromes auf die Anoden werden
unbeschichtete Titandrähte oder Titanstreifen
mittels Punktschweißen als
Stromverteiler angebracht. Die Stromverteiler
sollten in einem Abstand von
maximal 5 m aufgeschweißt werden und
ca. 10 cm über den Rand der Titanmatten
ragen, um genügend Platz für den
Anschluss zu bieten. Abbildung 8 zeigt
die mittels Kunststoffdübel befestigten
Anodenmatten und aufgeschweißten
Stromverteiler [7].
Zuletzt wird eine Deckschicht aus Spritzbeton über das Anodengitter aufgetragen, um
einen dauerhaften Schutz zu bieten und als leitfähiges Milieu zu dienen. Auch hier ist
wieder die Betonfläche mit Nachbehandlungsmaßnahmen zu pflegen. Außerdem müssen
Hydratationsvorgänge und der mit dem Altbeton ablaufende Feuchtigkeitsaustausch
beachtet werden. Die Anlage sollte deshalb erst nach zwei Wochen in Betrieb
genommen werden
4.3 Verbindung zum Anodensystem
Um ein Versagen der Schutzanlage durch Versagen einer Anoden-Kabelverbindung zu
verhindern, müssen die Schutzbereiche mit mehrfachen positiven Kabelverbindungen
versehen werden. Werden Anoden in Beschichtungsmaterial dauerhaft eingebettet, so
kann die Verbindung ohne Verbindungskästen ausgeführt werden. Bei Anodensyste-
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men ohne Einbettung und ohne eingeschränkten Zugang muss die Stromzuführung auf
24 V Gleichstrom begrenzt werden [1].
5 Inbetriebnahme
5.1 Maßnahmen vor der Stromeinspeisung
Vor Inbetriebnahme muss das kathodische Korrosionsschutzsystem durch den sachkundigen
Planer einer vollständigen visuellen Prüfung unterzogen werden. Hierbei wird
der Einbau bzw. die Verlegung aller Bestandteile und Kabel des Schutzsystems überprüft
sowie deutlich gekennzeichnet, um vor Schäden durch Mensch bzw. Natur zu
schützen.
Ebenso muss vor der Einspeisung des Schutzstromes das Stahl-Beton-Potential aufgezeichnet
werden (Nullmessung). Dabei wird das Ruhepotential durch die fest installierten
Bezugselektroden mit einem niedrigen (ca. 10 MΩ) und einem hohen (500 MΩ bis
1000 MΩ) Eingangswiderstand gemessen [1]. Dadurch wird überprüft, ob der Kontaktwiderstand
der Elektroden zum Beton über dem geforderten Wert liegt. Außerdem wird
die Ruhepotentialmessung durch tragbare Messelektroden nach den Festlegungen im
Entwurf durchgeführt. Alle Messdaten sowie zusätzliche Daten des Betriebsüberwachungssystems
sind zu dokumentieren.
5.2 Anfängliche Stromeinspeisung und Einstellung
Wie bereits in Kapitel 4.2 beschrieben, sollte die Stromeinspeisung erst nach Beendigung
der Abbinde- und Aushärtungsprozesse (ca. 2 Wochen) vorgenommen werden,
um eine Verfälschung der Messergebnisse zu vermeiden. [1]. Die Polarisation der Bewehrung
ist durch Potentialmessungen der eingebauten Bezugselektroden zu überwachen
und die Austrittsspannung sowie Austrittsstromstärke ist zu dokumentieren. Außerdem
muss beachtet werden, dass sich die Stahl-Beton-Potentiale in kathodische
(negative) Richtung verschieben müssen. Ist dies nicht der Fall, so müssen zusätzliche
Untersuchungen und Abhilfemaßnahmen vorgenommen werden.
Die Stromstärke für die anfängliche Polarisation kann eine berechnete Größe oder ein
Erfahrungswert aus vorhergegangenen Projekten bzw. Literaturquellen sein. Vorteilhaft
scheint hierbei eine langsame Polarisation bei relativ geringer Stromdichte zu sein, z. B.
eine negative Polarisationsverschiebung von 300 mV in 7 bis 28 Tagen.
5.3 Erste Funktionsüberwachung
Nachdem die anfängliche Polarisation der Stähle erreicht wurde, ist eine erste Funktionsüberwachung
des kathodischen Korrosionsschutzes durchzuführen. Sie beinhaltet
die Messung der Austrittsspannung und Stromstärke aller Schutzbereiche des Systems
zur Bestimmung der Widerstände einzelner Stromkreise. Eine weitere Messgröße, die
für die Einschätzung der Wirkung des Korrosionsschutzsystems benötigt wird, ist das
Ausschaltpotential. Dazu wird der Gleichstrom unterbrochen und das Ausschaltpotential
mit den dauerhaft installierten Bezugselektroden innerhalb von 0,1 s und 0,5 s gemessen.
Messgeräte für die Aufzeichnung des Ausschaltpotentials müssen ausreichend
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schnell Messungen pro Sekunde durchführen können, damit der Beginn der Depolarisationskurve
(ohne IR-Anteil) erkannt wird. Nachdem der Strom unterbrochen wurde,
wird außerdem im Anschluss an die Ausschaltpotentialmessung der Potentialabfall innerhalb
der folgenden 24 h aufgezeichnet. Mit dem Potentialabfall der Bewehrung können
Aussagen über die Funktion des kathodischen Korrosionsschutzes getroffen werden.
5.4 Schutzkriterien
Nach Aufzeichnung und Auswertung der Messdaten werden diese mit Schutzkriterien
verglichen, um Aussagen über die Wirksamkeit des kathodischen Korrosionsschutzes
treffen zu können. Dabei wird in der Praxis zunächst zwischen zwei Fällen der Form
des kathodischen Schutzes unterschieden, nämlich „kathodische Vorbeugung“ und
„kathodische Prävention“. Bei der kathodischen Vorbeugung wird nur eine kleine kathodische
Verschiebung des Stahl-Beton Potentials angestrebt. Dies geschieht meistens
sofort nach Inbetriebnahme des Systems und verbessert den Korrosionswiderstand des
Bauwerkes gegen zukünftiges Eindringen von Chloriden. Abbildung 9 zeigt die Strom-
Spannungs-Kurve eines Bewehrungsstahles mit und ohne Einwirkung von Chloriden.
Für die kathodische Vorbeugung muss das Potential nur etwas negativer als das Lochfraßpotential
εL (ELoch) verschoben werden [10].
Bild 9: Strom-Spannungs-Kurve eines Bewehrungsstahls
Bei der Form der kathodischen Prävention wird angestrebt, die Korrosionsrate der Bewehrung
von erheblicher auf vernachlässigbare Werte zu verringern. Dies ist vor allem
bei schon chloridverseuchten Bauwerken der Fall, also bei kathodischem Korrosionsschutz
als Instandsetzungsmaßnahme. Um vollständigen Schutz zu erreichen, muss
das Stahl-Beton-Potential auf Werte im Bereich von vorgegebenen Schutzpotentialen
reduziert werden. Dabei gilt ein Bereich als ausreichend kathodisch geschützt, wenn
eine der folgenden Voraussetzungen erfüllt ist [1]:
• Das Ausschaltpotential, gemessen gegen eine Ag/AgCl-Bezugselektrode, liegt negativer
als – 720 mV
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• Der Potentialabfall nach der Stromunterbrechung über 4 h bzw. 24 h beträgt mindestens
100 mV
Dabei muss beachtet werden, dass das Ausschaltpotential der Bewehrung nicht negativer
als – 1100 mV gegen Ag/AgCl und für Spannstähle nicht negativer als – 900 mV
gegen Ag/AgCl sein darf. Bei negativeren Werten kann sich Wasserstoff am Bewehrungsstahl
bilden. Falls dieser zu den kathodisch geschützten Spanngliedern diffundiert,
kann es zur Versprödung des Stahls und katastrophalen Folgeschäden kommen.
Bei Verwendung des Schutzkriteriums hinsichtlich Potentialabfall ist darauf zu achten,
die Depolarisationskurve (Abbildung 10) richtig zu interpretieren.
Potential
[mV]
EIN
AUS
0 4
Abschnitt 1
Abschnitt 2
Bild 10: Ausschaltmessung mit Depolarisationskurve
Zeit
[h]
In Abschnitt 1 ist der schnelle Abfall
(eigentlich Anstieg) des Potentials
zu erkennen, der sich sofort
nach dem Abschalten des Stroms
ergibt. Dies ist der sogenannte
ohmsche Spannungsabfall im
Beton, der nicht für das „100 mV-
Kriterium“ verwendet werden darf.
Erst die in Abschnitt 2 dargestellte
Depolarisationskurve darf in das
Kriterium eingehen.
Bei Ausschaltmessungen mit tragbaren Bezugselektroden ist zu beachten, dass bei
Messung auf Reparaturmörtel oder beschädigtem Beton die Messergebnisse stark beeinträchtigt
sein können. Außerdem wirken sich Temperatur und Betonfeuchtigkeit auf
die Potentiale aus, was bei der Interpretation berücksichtigt werden muss.
Typische Stromdichten für eine kathodische Vorbeugung sind Werte zwischen
0,2 mA/m 2 und 2 mA/m 2 . Für kathodischen Schutz werden Stromdichten von 2 mA/m 2
bis 20 mA/m 2 benötigt. Stromanpassungen sind nur dann durchzuführen, wenn die
Schutzkriterien nicht eingehalten werden oder wenn zukünftige Unterschreitungen eingeschätzt
werden können.
5.5 Dokumentation
Über den Einbau und die Inbetriebnahme des Korrosionsschutzsystems ist eine Dokumentation
mit mindestens folgenden Punkten anzufertigen [1]:
• Beschreibung der Arbeiten aller am Bau Beteiligten und der Verantwortungsbereiche
• Detaillierte Beschreibung des Einbaus und Inbetriebnahme
• Detailzeichnungen
• Messdaten vor und nach der Stromeinspeisung
• Listen und Datenblätter der Hauptbestandteile des Schutzsystems
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Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton
Die Dokumentation ist Voraussetzung für zukünftige Inspektionen, Unterhaltungs- oder
Reparaturmaßnahmen, Beschaffung von Ersatzteilen und die Instandhaltung.
6 Betrieb und Instandhaltung
Für den Betrieb und die Instandhaltung eines kathodischen Korrosionsschutzsystems
müssen Intervalle und Verfahren für Inspektionen festgelegt werden. Die Intervalle sind
dabei abhängig vom Bauwerkstyp, der Dimension des kathodischen Korrosionsschutzsystems,
Art und Verlässlichkeit der Stromquelle, der Umgebung und möglicher mechanischer
Einwirkungen und können daher variieren. Dagegen könne Systeme mit
elektronischer Datenerfassung bzw. Datenübertragung Inspektionsintervalle verlängern,
da die Prüfungen automatisch stattfinden.
Die Inspektionen des Systems unterteilen sich in Funktionsprüfungen und Funktionsüberwachungen.
Die Funktionsprüfung beinhaltet die Funktionsüberprüfung aller Untersysteme
der KKS-Anlage, Messung der Austrittsspannung und der Stromstärke sowie
die Auswertung der Daten und sollte in einem Intervall von maximal 3 Monaten durchgeführt
werden. Die Funktionsüberwachung beinhaltet die Messung des Abschaltpotentials
und des Potentialabfalls, eine vollständige Sichtprüfung des Korrosionsschutzsystems,
die Auswertung der Daten sowie eventueller Anpassung des Schutzstromes und
sollte alle 3 bis 12 Monate durchgeführt werden [1].
Wie bereits erwähnt sind Potentialmessungen stark von Temperatur und Feuchtigkeit
des Probekörpers abhängig. Inspektionen bei kalten Temperaturen (unter 0° C) sind
daher zu vermeiden.
7 Lebensdauer des Systems
Das kathodische Korrosionsschutzsystem kann eigentlich nur auf zwei Möglichkeiten
unterbrochen werden und zwar wenn einerseits eine Störung in der Stromversorgung
vorliegt oder wenn die Aktivschicht der Anode nicht mehr arbeitet. Sollte es tatsächlich
zu einem Ausfallen der Verkabelung oder der Gleichrichter kommen, so wäre diese
Störstelle relativ einfach aufzuspüren und könnte schnell behoben werden. Die empfindlichen
Teile werden deshalb auch auf Putz montiert, damit sie im Notfall schnell
ausgetauscht werden können.
Der Ausfall der Aktivschicht erfordert jedoch eine genauere Betrachtung. Wie schon
beschrieben besitzt die Anode eine Oxidbeschichtung, die ihr aufgrund ihrer thermodynamisch
nicht stabilen Struktur ihre Aktivität und lange Lebensdauer verleiht. Die Aktivschicht
kann nur durch zwei Möglichkeiten deaktiviert werden. Bei der ersten Möglichkeit
bildet sich eine Zwischenschicht aus nichtleitendem TiO2 zwischen dem Titan und
der Aktivschicht. Hierzu ist zu sagen, dass dieser Prozess nur bei sehr hohen Stromdichten
von ca. 10 000 A/m² (bei Elektroden für die Stahlbandverzinkung) eintritt und
deshalb bei der Anwendung im Stahlbetonbau keine Rolle spielt. Auch Angriffe durch
Säurebildung, die ebenfalls zur Passivierung durch TiO2-Bildung führen könnten, sind
auszuschließen, da die Anode im Zement alkalisch geschützt ist und somit die Säurebildung
verhindert wird.
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Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton
Sinnvoll ist es daher nur, den Abtrag der Aktivschicht als lebensdauerbegrenzend anzusehen.
Um die ungefähre Lebensdauer von Anoden zu berechnen, sind sogenannte
Schnelltests notwendig. Bei diesen Tests werden Anoden zum Beispiel in einer Natriumhydroxidlösung
mit einem Schutzstrom betrieben, der um das tausendfache höher ist
als der normal verwendete Schutzstrom von ca. 20 mA/m². Dadurch lässt sich ein 50
jähriger Betrieb einer Anode in wenigen Tagen simulieren. Diese Tests werden von den
Anodenherstellern meistens selber durchgeführt, wie es zum Beispiel bei der Firma
HERAEUS der Fall ist. Laut den Versuchsergebnissen der Firma HERAEUS erreichen
die von ihnen hergestellten Titanoden eine Lebensdauer von 50 Jahren und mehr bei
normaler Stromdichte.
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Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton
Literaturverzeichnis
[1] DIN EN 12696, Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton,
Ausgabe Juni 2000
[2] Prof. Dr.-Ing. Helmut Marquardt, Ortung korrodierender Stahlbewehrung
in Beton, www.fhnon.de/fbab/marquardt
[3] J. Mietz, J. Fischer, B. Isecke, Langzeiterfahrungen mit einem kathodischen
Korrosionsschutzsystem, Materials and Corrosion, Band 52, 2001
[4] W. v. Baeckmann, W. Schwenk, W. Prinz, Handbuch des kathodischen
Korrosionsschutzes, 3. Auflage
[5] Dr. Franz Bruckner, Corrosion and protection of reinforcement in concrete
Measurements and interpretation, May 2001
[6] Dipl.-Ing. Susanne Gieler-Breßmer, Kathodischer Korrosionsschutz in der Praxis
am Beispiel des Parkhauses Mittelseestraße in Offenbach
[7] Dipl.-Ing. K.-H. Korupp, F.-G. Koscielny, Dr.-Ing. J. Mietz, Dipl.-Ing. R. Bedel,
SET Selected Electronic Technologies GmbH, Kastello, Januar/Februar 2000
[8] SSS Korrosionsschutztechnik GmbH & Co. KG, Essen
http://sss-kt.de/start.html
[9] Dr. S. Kotowski, Dr. B. Busse, R. Bedel, Titananode, Eigenschaften des
kathodischen Korrosionsschutzes von Stahl in Beton Teil 2, Titananoden
für den kathodischen Korrosionsschutz von Stahl und Beton,
Heraeus Elektrochemie GmbH, Hanau
[10] BioInterfaceGroup, Werkstoff Grundpraktikum
www.textorgroup.ch/pdf/teachingcourses/onlinescripts/3/Versuch08_Korrosion_SP
2004.pdf
Titelbild: Brücken, http://www.karl-gotsch.de/
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