Detektion von Bewehrungsstahl - korrosion - VBD

Detektion von Bewehrungsstahl -
korrosion nach dem DGZfP
Merkblatt B 3 zur elektrochemischen Potentialfeldmessung
Einleitung
Im ersten Teil dieses Beitrags [1]
sind die Grundlagen der Passivität
und der Depassivierung sowie des
Korrosionsfortschritts von Stahl in
Beton eingehend dargestellt worden.
Die entstehenden Korrosions -
produkte werden zunächst vom
Porengefüge des Betons aufgenommen,
ohne dass es zu äußerlich
sichtbaren Veränderungen an der
Betonoberfläche kommt. Infolge
der sich einstellenden Sättigung des
Porenraumes mit Korrosions pro -
dukten und des daraus resultierenden
Spannungsaufbaus im Beton
können Folgeschäden, wie Risse
und Abplatzungen am Bauwerk
entstehen, die notwendige Sanie -
rungs maßnahmen bedingen.
Die kontinuierliche, weitgehend
zerstörungsfreie Ermittlung von
Informationen über das aktuelle
Korrosionsverhalten der Stahlbe -
weh rung findet deshalb ständig
größere Beachtung [2-7]. Die elektrochemische
Potentialfeldmes -
sung ist dazu ein etabliertes und
weit verbreitetes Verfahren zur
Beurteilung des Korrosionszu -
standes der Bewehrung in Stahlbe -
ton bauwerken und teilweise auch
in Spannbetonbauwerken [8-14].
Mit Hilfe dieses Verfahrens können
Bereiche korrodierender Beweh -
rung zerstörungsfrei lokalisiert
werden. In der Regel kommt diese
Messmethode bei der Detektion
chloridinduzierter Korrosion zum
Einsatz. Zusammen mit Kenn -
größen aus begleitenden Bau -
werksuntersuchungen sind Rück -
schlüsse auf den Korrosionszu -
stand möglich. Mit der Poten -
tial messung können jedoch nur solche
Bereiche detektiert werden, bei
denen zum Zeitpunkt der Messung
Korrosionsprozesse ablaufen. Frü -
here Korro sionsprozesse an der
Bewehrung, die zum Messzeit -
punkt zum Erliegen gekommen
sind, können nicht festgestellt werden.
Bei der Potentialmessung an
Spannbetonbauwerken ist zu beachten,
dass nur Spannstähle erfasst
werden können die einen direkten
Verbund zwischen Spannstahl
und Beton haben. Für Spannstähle,
die im indirekten Verbund errichtet
wurden, kann diese Messung wegen
der abschirmenden bzw. isolierenden
Wirkung der Hüllrohre
nicht angewendet werden.
Verfahrensbeschreibung
Die elektrochemische Potential -
messung ist ein Verfahren zur
Beurteilung von Korrosionspro -
zessen der Bewehrung in Stahlbe -
ton bauwerken. Da Einzelpotentiale
nicht messbar sind, wird die Mes -
sung des Potentials als Spannungs -
messung zwischen einer Bezugs -
elektrode (bekanntes Potential) und
der Messelektrode (Bewehrung,
Potential unbekannt) durchgeführt.
Bei der Potentialmessung an
Stahlbetonbauwerken wird die
Potentialdifferenz zwischen dem
Bewehrungsstahl im Beton und einer
auf der Betonoberfläche aufgesetzten
Bezugselektrode ermittelt.
Die Bezugselektrode dient als ortsveränderlicher
Referenzpunkt für
die Messungen. Ein direkter
Zugang (elektrisch leitender Kon -
takt) zur Bewehrung ist erforderlich
(Abb. 1).
Bauschäden
1 M.Beck und A. Burkert, Korrosion von Stahl
in Beton, VBDinfo, VBD Verband der Bau -
sachverständigen Deutschlands e.V., Liskow
Druck und Verlag GmbH, Hannover, 2/2011.
2 M. Raupach, Korrosionsüberwachungs sys -
teme für neue und bestehende Stahlbeton -
bau werke, Betoninstandsetzung (2000)
S. 139-144.
3 F. Hunkeler, Monitoring of repaired reinforced
concrete structures by means of resistivity
measurements, Materials Science Forum
247 (1997) S. 93-106.
4 Y. Schiegg, Online-Monitoring zur Erfassung
der Korrosion der Bewehrung von Stahl -
beton bauten, Diss. ETH Nr. 14583, Zürich
2002.
5 Y. Schiegg, Online-Monitoring der Korrosion
an Stahlbetonbauwerken, Beton- und Stahl -
beton bau, 2 (2000) S. 92-103.
6 R. B. Polder, Monitoring reinforced concrete
structures, Proc. COST 521, Workshop 2001,
S. 117-120.
7 P. Schiessl, Neue Sensortechnik zur Überwachung
von Bauwerken, Internationale Zeit -
schrift für Bauinstandsetzen, 2 (1996) No. 3,
S.189-209.
8 American Society for Testing and Materials:
ASTM C876-91: Standard Test Method for
Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing
Steel in Concrete, American Society for
Testing and Materials, West Conshohocken,
Philadelphia, USA (1991).
9 Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie
Prüfung e. V. (DGZfP): Merkblatt für elektrochemische
Potentialmessungen zur Ermitt -
lung von Bewehrungsstahlkorrosion in
Stahl betonbauwerken (B3), Deutsche Gesell -
schaft für Zerstörungsfreie Prüfung e. V.,
Berlin (1990).
10 B. Isecke, Potentialmessung zur Ermittlung
von Bewehrungskorrosion in: Kroggel, O.
(Hrsg.); Schriftenreihe „Darmstädter Massiv -
bau-Seminar“, „Zerstörungsfreie Prüfmetho -
den am Bauwerk“, Darmstadt (1990).
11 N. Marquardt, Rationelles Meßverfahren zum
Auffinden korrodierender Bewehrung in
Beton in: „Zerstörungsfreie Prüfung im
Bauwesen“, Tagungsbericht Int. ZfPBau-
Symposium 27. Feb.-1. März, Berlin; Hrsg: G.
Schickert, BAM, DGZfP, Berlin 1991, S. 304-
311.
12 Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-
Verein SIA: Durchführung und Interpretation
der Potentialmessung an Stahlbetonbauten,
Interessengemeinschaft Potentialmessung
Stahlbeton (IG Pot), Merkblatt 2006,
Ausgabe Februar 1993.
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Bauschäden
Abb. 1: oben: Messprinzip; unten: an der Betonoberfläche gemessenes Potential (Beispiel)
Durch gezieltes Versetzen der Be -
zugs elektrode kann ein beliebiges
Raster an Messpunkten (Poten -
tialfeld) aufgenommen werden. Mit
den an der Beton ober fläche messbaren
Potentialwerten können
Rückschlüsse auf das Potential und
die Potentialverteilung der Beweh -
rung gezogen werden. Die Abb. 2
zeigt beispielhaft die Potential -
verteilung in einem Probekörper
und die Ausbildung eines sog.
Potentialtrichters.
Abb. 2: Beispielhafte Ausbildung eines Potentialtrichters in 3D
Geräteanforderungen
Als Bezugselektroden werden
Metall-/Metallionenelektroden eingesetzt
(Quecksilber/Quecksilber -
chloridelektrode, Silber/Silber -
chlorid elektrode, Kupfer-/Kupfer -
sul fat-elektrode). Da die Be zugspotentiale
dieser Elektroden gegenüber
der Normalwasser stoff -
elektrode sehr unterschiedlich sind,
ist die Angabe der verwendeten
Bezugselektrode zusammen mit
den Messergebnissen unbedingt erforderlich.
Die Potentialdifferenz zwischen Be -
wehrungsstahl und Bezugs elek -
trode wird mit einem hochohmigen
Spannungsmessgerät ermittelt
(Eingangswiderstand ≥10 7 Ω) und
die Messdaten in einem Protokoll
bzw. auf einem Speichermedium
mit eindeutiger Zuordnung zum
Messraster abzulegen. Für eine erste
Auswertung ist eine graphische
Anzeige der Potentialwerte in einer
Abstufung von 50 mV sinnvoll,
Bereiche mit auffälligen Potential -
differenzen können so erkannt und
gezielter Untersucht werden.
Messraster
Zur Aufnahme der Messwerte ist
vor der Messung ein Messraster
festzulegen, das am Messobjekt zur
eindeutigen Positionszuordnung
der Messwerte zu kennzeichnen ist
(Genauigkeit ≤10 cm). Die Aufnah -
me von Messwerten und die Zuord -
nung der Werte zum Messraster
kann durch eine geeignete elektronische
Positionsbestimmung unterstützt
werden.
Als Messraster sind standardmäßig
25 x 25 cm vorzusehen. Dieser Ab -
stand erlaubt auch bei örtlich sehr
begrenzten Korrosionserschei -
nungen noch eine ausreichende
Detektionssicherheit. Bei kleineren
Flächen oder der Lagebestimmung
kleinster Fehlstellen sind Raster von
minimal 10 x 10 cm noch sinnvoll
[15]. In Ausnahmefällen kann das
13 J. Mietz, B. Elsener, und R. Polder, Corrosion
of reinforcement in Concrete in: Proceedings
from EUROCORR 97, EFC No. 25, London
(1998).
14 B. Elsener, Zerstörungsfreie Diagnose der
Korrosion von Stahl in Beton: Potential -
messung, Betonwiderstand und Korrosions -
geschwindigkeit, in: Schwarz, W. (Hrsg.);
Korrosion von Bewehrungsstahl in Beton,
WTA Schriftenreihe Heft 19, AEDIFICATIO
Verlag GmbH Freiburg, Zürich 1999, S. 31-50
15 Y. Schiegg, M. Büchler, M. Brem, Potential
mapping technique for the detection of corrosion
in reinforced concrete structures:
Investigation of paramters influencing the
measurement and determination of the reliability
of the method. EUROCORR 2007
Freiburg, Germany, paper 1071.
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Messraster bis auf 50 x 50 cm erweitert
werden, erkennbare Potential -
trichter sind in jedem Fall mittels
Handelektrode in kleinerem Raster
einzumessen (negativsten Poten -
tial stelle = Zentrum eines Korro -
sionsherdes). Größere Messabstän -
de bedingen, dass kleinere Korro -
sionsherde übersehen werden
können und sich die Nachweis -
sicherheit erheblich verringert.
Größere Raster sind unter ausdrücklichem
Hinweis auf die eingeschränkte
Aussagefähigkeit gesondert
zu vereinbaren.
Einflüsse und Fehlerquellen
Die gemessenen Potentiale unterliegen
verschiedenen Einflüssen.
Diese sind in Bezug auf die vorliegenden
Randbedingungen zu identifizieren
und ggf. zu quantifizieren.
Tabelle 1 gibt eine Übersicht
über die wichtigsten Einflüsse auf
die gemessenen Potentiale. Eine
Eisbildung auf der Betonoberfläche
beeinträchtigt die Potential mes -
sung aufgrund auftretender Wider -
standsänderungen. Eisbildung
kann auf Betonoberflächen auch
noch auftreten, wenn die Luft -
tempe ratur über 0 °C liegt (Kälte -
speicher). Zur sicheren Durchfüh -
rung der Messungen werden ≥ 5 °C
Luft- und Bauteiltemperatur angesehen.
Teilweise freiliegende oder im Zuge
von Instandsetzungsmaßnahmen
freigelegte Bewehrung (z. B. Fahr -
bahnübergänge, Fugen) kann auch
in einigem Abstand zu negativeren
Potentialwerten führen. Bei groß -
flächigen Ablösungen/Hohllagen
der Betondeckung sind führen
Potentialmessungen zu fehlerhaften
Messungen und stellen damit
eine Gefahr für Fehlinterpre ta -
tionen der Messergebnisse dar. Bei
Hinweisen auf Hohllagen und Ab -
lösungen sind in diesen Bereichen
ergänzende Untersuchungen erforderlich.
Tabelle 1: Wesentliche Einflüsse auf die gemessenen Potentiale
Bei Wiederholungsmessungen an
Objekten ist auf vergleichbare äußere
Bedingungen zu achten. Dabei
sind die Feuchte- und Tempera -
turabhängigkeit der gemessenen
Po tentiale zu beachten, da der
Feuchtegehalt den elektrolytischen
Widerstand des Betons und das
Sauerstoffangebot beeinflusst.
Durch Temperaturänderungen werden
sowohl die elektrochemischen
Reaktionen an der Bewehrung als
auch das Potential der Bezugs -
elektrode verändert. Temperatur -
abweichungen von weniger als 10 K
können i. A. vernachlässigt werden.
Sind vergleichbare Bedingungen
nicht gewährleistet, muss deren
möglicher Einfluss auf die Ergeb -
nisse besondere Aufmerksam keit
finden, um Fehlinterpretationen zu
vermeiden.
Bauschäden
Einfluss Auswirkung auf das gemessene Potential
Betondeckung Bei kleinen Betondeckungen liegen die gemessenen
Potentiale in der Nähe des
Anodenpotentials (tatsächliches Stahl -
potential), bei großen Betondeckungen
Verschiebung in Richtung positiver
Potentiale (Mischpotential)
Feuchtegehalt des Betons i.d.R. Verschiebung in Richtung negativer
Potentiale mit zunehmendem
Feuchtegehalt; bei dauerhaft sehr hohen
Feuchtegehalten im Bereich der
Wassersättigung sehr negative Potentiale
aufgrund Sauerstoffarmut; i.d.R. flachere
Gradienten bei hohen Feuchtegehalten
Schichten mit hohem Verschiebung in Richtung
elektrischen Widerstand positiverer Potentiale.
(z. B. Reparaturschichten)
Freiliegende Bewehrung, Im Bereich der Einbauteile
Einbauteile (z. B. Über- i. d. R. Verschiebung in Richtung
gangskonstruktionen, negativer Potentiale, insbesondere
Entwässerungseinrichtungen) bei Vorhandensein von Korrosion und
Feuchtigkeit während der Messung.
Tiefergehende Risse Verschiebung in Richtung negativer
Potentiale im Rissbereich durch höheren
Feuchtegehalt möglich.
Zementart Im Vergleich zu Portlandzement
negativere Potentiale bei Verwendung
von Hochofenzement.
Auswertung und Interpretation
Die Interpretation der Messergeb -
nisse erfordert Spezialkenntnisse,
da eine unkritische Bewertung zu
erheblichen Fehlinterpretationen
führen kann [16]. Im passiven
Zustand kann der Potentialbereich
der Bewehrung in Abhängigkeit
von verschiedenen Parametern
über einen recht großen Bereich
(mehrere 100 mV) schwanken.
Allein aufgrund der Potentialwerte
ist eine eindeutige Zuordnung aktiver
(korrodierender) oder passiver
Bewehrungszustände nicht möglich
(Abb. 3).
16 J. Gulikers, Development of a calculation
procedure for the statistical interpretation of
the results of potential mapping for reinforced
concrete structures. EUROCORR 2007
Freiburg, Germany, paper 1364.
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Bauschäden
Abb. 3: Potentialbereiche von Bewehrungsstahl
Die gemessenen Potentialwerte
können dahingehend interpretiert
werden, dass negativere Potentiale
auf eine höhere Wahrscheinlichkeit
für Korrosionsvorgänge hindeuten.
Praktische Erfahrungen haben gezeigt,
dass feste Grenzwerte als alleiniges
Indiz für die Interpretation
der Ergebnisse nicht immer sinnvoll
sind, da die gemessene Poten -
tial differenz von verschiedenen
Ein flüssen abhängig ist (siehe
Tabelle 2). Deshalb erweist sich die
Auswertung ortsabhängiger Poten -
tial gradienten an der Oberfläche
i. d. R. als zweckmäßiger. Steile
Gradienten des Potentialfeldes lassen
auf eine höhere Korrosions -
wahr scheinlichkeit schließen.
Chloridinduzierte Bewehrungs -
stahl korrosion führt häufig zu örtlich
stark begrenzten korrodierenden
Bereichen. Diese führen bei der
graphischen Darstellung in einem
Potentialdiagramm zu ausgeprägten
Potentialverschiebungen in räumlich
abgegrenzten Bereichen,
den sogenannten Potentialtrich -
tern. Im Zentrum solcher Poten -
tialtrichter liegt das Potential häufig
200 bis 400 mV negativer als in den
umliegenden Bereichen. Hier kann
mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit
von einer örtlichen Depassivierung
der Stahlbewehrung ausgegangen
werden. Zur genauen Lokalisierung
der Schadstelle empfiehlt sich die
Ermittlung der negativsten Poten -
tial stelle innerhalb des Trichters.
Aktive Korrosionsstellen lassen sich
so auf wenige Zentimeter
genau lokalisieren. Durch
gezielte Öffnung der
Betondeckung in solchen
Be reichen kann eine abschließende
Zustandsbe -
wer tung der Stahlbe weh -
rung erfolgen.
Eine Interpretation der
Potential messung bezüglich
des Korrosions zu -
standes der Beweh rung
kann nur im Zusam men -
hang mit ergänzenden In for ma -
tionen aus begleitenden Bauwerks -
unter suchungen erfolgen, die
ob jektabhängig sind, Mindest an -
forde rungen sind:
• vollflächige Betondeckungs -
messung
• vollflächiges Abklopfen der
Beton oberfläche zur Hohlstellen -
findung
• vollflächige Untersuchung der
Betonoberfläche auf:
• freiliegende Bewehrung
• Abdichtungsreste
• Auffrierungen/Betonschädi -
gungen/Rissbildungen
• Entwässerungs einrich -
tungen
• Orientierende Sondierung der
Bewehrung an kennzeichnenden
Stellen
Ferner müssen tiefengestaffelte
Chloridgehaltsbestimmungen an
Stellen mit verdächtigen Potential -
werten und an Referenzstellen
vorgenommen werden. Die Entnah -
me stellen sind anhand der Poten -
tialbilder festzulegen. Die erfor der -
liche Anzahl richtet sich nach den
Ergebnissen der Potentialmessung
und kann vorher nicht genau angegeben
werden.
Um chloridinduzierte Korrosion in
Bauwerken zuverlässig aufzufinden,
ist es von entscheidender Be -
deu tung, die Ergebnisse aller o. g.
Untersuchungen/Messungen in
die Auswertung mit aufzunehmen.
Die Festlegung, welche Untersu -
chun gen/Messungen an welcher
Stelle in welchem Umfang durchgeführt
werden, sollte vom verantwortlichen
sachkundigen Prüfer,
welcher letztlich auch die Auswer -
tung vornimmt, erfolgen. Die
Auswertung von Potentialmessun -
gen von Personen, welche die Po -
tentialmessungen nicht selbst
durch geführt bzw. angeleitet/begleitet
haben, birgt die Gefahr von
Fehlinterpretationen und sollte nur
in Ausnahmefällen erfolgen.
Die erforderliche Sachkunde zur
Durchführung und Bewertung von
Potentialmessungen ist durch eine
einschlägige Ausbildung auf dem
Gebiet Korrosion/Korrosions -
schutz nachzuweisen. Sie kann
auch durch Teilnahme an entsprechenden
Schulungen als Zusatz -
quali fi kation erworben werden.
Auswertung und Interpretation
Im Rahmen dieses Beitrags sind die
Grundlagen der Korrosion von
Stahl in Beton sowie die Mechanis -
men der Depassivierung gegenübergestellt
worden. Dabei konnte
gezeigt werden, dass nicht nur die
Depassivierung sondern auch der
Korrosionsfortschritt Parameter -
abhän gig ist, die sich aus der
Exposition aber auch der Beton -
technologie des Bauteils ergeben.
Darüber hinaus konnte gezeigt werden,
dass die Detektion von Beweh -
rungsstahlkorrrosion Stand der
Technik ist und bspw. über das B 3-
Merkblatt der DGZfP geregelt ist.
Dabei ist zu beachten, dass sowohl
die Untersuchungen von geschultem
Personal sorgfältig durchgeführt
werden müssen, als auch die
Interpretation der Messwerte sensibel
ist. ■
Dr.-Ing. Andreas Burkert, Berlin
BAM Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung,
Dr.-Ing. Matthias Beck, Hannover
BetonMarketing Nord
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