Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Realkalisierung karbonatisierter Betonoberschichten und Repassivierung korrosionsgefährdeter Bewehrungsstähle.
Elektrochemische Verfahren können zur Erhaltung von Betonbauwerken eingesetzt werden. Die Grundlagen elektrochemischer Realkalisierungsverfahren sind in einer Vielzahl von Veröffentlichung enthalten. Daher ist das Vorgehen an sich als bekannt vorauszusetzen. Eine korrosionsschutztechnische Problemdarlegung findet sich unter anderem in "Korrosion und Korrosionsschutz (Teil 5), elektrochemische Schutzverfahren für Stahlbetonbauwerke" Dokumentation D065 des Schweizerischen Ingenieur- und Architecktenvereins Zürich.
Der Alkalitätszustand in bestehenden Stahlbetonkonstruktionen. Der Zementstein im fertig hergestellten Beton enthält unter Gebrauchsbedingungen je nach Wasserzementwert WZ (Verhältnis von Zugabewasser/Zementgehalt) 10 bis 15 Vol-% Calciumhydroxid Ca(OH)2 (Gelwasser). Daraus folgt, dass Beton mit einem üblichen Zementgehalt von 300 kg/m<3> einen Gelwassergehalt von 30 bis 45 Litern hat. Bei Karbonatisierungstiefen um 20 Millimeter (Karbonatisierung: Ca (OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O) fehlen dem Beton in der Oberschicht somit etwa 0,5 bis 1 Liter je m<2> Oberfläche.
Die Aufgabe des Calciumhydroxid-Realkalisierverfahrens besteht darin, diesen Mangel aus dem Reservoir des Kernbetons wieder auszugleichen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das Verfahren ist charakterisiert durch das Nutzen von Erkenntnissen aus einem in der Natur beobachteten Realkalisierungsphänomen und Nachstellen dieses Phänomens mittels zyklischer Sättigungs- und Austrocknungsphasen.
Dabei ist es in Übereinstimmung mit dem Anspruch 1 durch die Merkmale gekennzeichnet, dass ein elektrisches Feld angelegt wird, welches eine bereits bekannte Methode mit der Bewehrung im alkalischen Betonbereich als ein Element und eine auf die Betonoberfläche im elektrolytischen Medium aufgelegte Gewebematte als externe Elektrode, die hier auf Betonbauwerke angewendet wird, deren Bewehrungsanordnung ein Produzieren, Lösen und Transportieren von OH<->-Ionen zulässt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verfahren gekennzeichnet durch den im elektrischen Feld ausgelösten elektrokinetischen Ionentransport bis in den karbonatisierten Betonbereich durch ein Abbremsen der OH<->-Ionen durch gesteuerte Wasserdampfphasen als Massnahme gegen das Austreten und Entweichen ins elektrolytische Medium.
Ein Verfahren zur Wiederherstellung des alkalischen Milieus in karbonatisierten Betonoberschichten geschieht durch Aktivierung des betoneigenen Calciumhydroxids. In Anlehnung an beobachtete Naturvorgänge wird ein elektrochemisches Verfahren beschrieben, das unter Anwendung von Trocken-/Nasszyklen eine Realkalisierung der karbonatisierten Oberschicht und eine Repassivierung der nicht mehr alkalisch vor Korrosion geschützten Bewehrungsstähle anstrebt.
In der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels wird insbesondere auch auf die Figuren Bezug genommen. Diese zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm einer Abfolge von Belüftungszyklen gegen die Wassersättigung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Betonrandzone einer Wandfassade mit Bewehrung und karbonatisierter Betonoberschicht, und
Fig. 3 eine vergrösserte Darstellung des Bereiches Bewehrung-Anodenmatte im Kreis III aus Fig. 2.
Dieses Verfahren setzt Bauteile aus üblichem Beton mit den Komponenten Zementstein, Gesteinszuschlag und Kapillarporen voraus. Der alkalische Zementstein mit pH-Wert 11-13 wird unter dem Einfluss von CO2 aus der Luft von der Beton-oberfläche in die Tiefe zeitabhängig zunehmend chemisch verändert zu karbonatisiertem Zementstein mit pH-Wert unter 9-10. Dieser bietet im Gegensatz zum alkalischen Zementstein keinen Korrosionsschutz mehr für die bei Stahlbetonbauwerken in den Beton eingelagerten Bewehrungsstähle. Zunehmende Korrosionsrisiken für Bauwerke im Hoch-, Tief-, Brücken- und Industriebau sind die Folge. Ein frühzeitiges Erkennen des Problems und Wiederherstellen der vor Korrosion schützenden alkalischen Umgebungsbedingungen der Bewehrung im Beton tragen dazu bei, die Dauerhaftigkeit der Bausubstanz zu erhalten.
Das Verfahren unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, dass bekannte Realkalisierungsverfahren mit auf die Betonoberfläche applizierter und in die Betonoberschicht penetrierter Fremdstoffe, die mittels elektrochemischer oder anderer Verfahren eine Realkalisierung des karbonatisierten Betons bzw. Repassivierung des Bewehrungsstahls von aussen nach innen anstreben.
Demgegenüber arbeitet das hier beschriebene Verfahren mit be toneigenen Stoffen aus dem Calciumhydroxid des alkalischen Zementsteins zur Realkalisierung des karbonisierten Betons bzw. Repassivierung des Bewehrungsstahls unter Einsatz von Trocken/Nasszyklen mit elektrokinetischem Transport von OH<->-Ionen von innen nach aussen.
Zu den Verfahrensgrundsätzen gehört die Betonkarbonatisierung und Realkalisierung in der Natur. Der Karbonatisierungsbereich der Betonrandzone (3 bis 5 Zentimeter Betonoberschicht mit Bewehrungslage) wird als Streubereich in einer Tiefe bis ca. 30 Millimeter angetroffen. Grössere Karbonatisierungs-tiefen sind selten und mehr als 40 bis 50 Millimeter werden praktisch nie erreicht. Horizontal verlaufende Betonoberflächen haben hingegen selten eine grössere Karbonatisierungstiefe als 3 bis 7 Millimeter. Der Grund liegt im Feuchte- und Austrocknungsverhalten solcher Betonrandzonen unter natürlicher Bewitterung. Es resultieren feuchteabhängige Ionentransporte und Diffusionserscheinungen in der Betonrandzone unter Bildung von mehr oder weniger ausgeprägten Dichtzonen in der unmittelbaren Betonoberschicht.
Dieses Verhalten führt in Nasszeiten zu einem steten natürlichen Realkalisierungsvorgang, unterbrochen durch Karbonatisierung in Trockenzeiten.
Aus dem Naturvorgang ist das hier verwandte Verfahren ableitbar. Das Calciumhydroxid-Realkalisierverfahren bezweckt eine zeitlich geraffte Ableitung der in der Natur beobachteten Realkalisiervorgänge und Wiederherstellung der alkalischen Milieus im Bewehrungsbereich und im bereits karbonisierten Zementstein. Mittels elektrochemisch unterstützter Nass-/Trockenzyklen wird das Verhalten in der Natur im Zeitrafferverfahren simuliert und der karbonisierte Randzonenbereich wieder in alkalischen Zustand versetzt (realkalisiert). Zusätzlich kann die Oberfläche zur dauerhaften Erhaltung der Realkalisierung mit einer Versiegelung oder anderen Mitteln versehen werden.
Die Durchführung des Verfahrens geschieht beispielsweise wie folgt in Zyklen. Die freie Beweglichkeit des Gelwassers im kristallinen Nadelfilz des Zementsteins ist grundlegend durch Adsorptionskräfte der inneren Baustofffläche behindert. Die Überwindung dieser Kräfte durch geeignete Dimensionierung des elektrischen Feldes (E-Feld), die Dauer der Verfahrensanwendung und Anzahl von Verfahrenszyklen mit abwechselnder (zyklischer) Wasser-/Trocknungsbehandlung ist Gegenstand des Verfahrens.
Die Anwendung von Nass-/Trockenzyklen im Wechsel von elektrochemischen Ionentransport- und Luft-Wassertransportphasen führt zur stufenweisen Alkalitäts-Anreicherung in der Betonoberschicht ohne Entweichen der OH<->-Ionen. Es wird ein gesteuerter Ionentransport erreicht und verhindert, dass eine ungewollte OH<->-Anreicherung an der Betonoberfläche bzw. im Elektrolyt stattfindet.
Der Ablauf der Nass-/Trockenzyklen und die Beendigung der Verfahrensanwendung erfolgt nach Massgabe der erfolgten Ladung und wird anhand der durchflossenen Anzahl Coulomb gesteuert. Eine permanente Überwachung des E-Feldes ist unerlässlich.
Die Fig. 1 zeigt die Wassersättigung 11 in Volumenprozent gegen die Zeit 12, in der eine Abfolge von Belüftungszyklen dargestellt ist. Somit ist die Angabe der Zyklenfolge im zeitlichen Ablauf der Verfahrensdurchführung dargestellt. Es sind drei Zyklen 1, 2 und 3 dargestellt. Bei einem Einzelzyklus wird zuerst eine Aufsättigung über 95 bis 97 Vol-% durchgeführt. Die zugehörige Zeitdauer 4 ist objekt-abhängig zu bestimmen. Dann folgt eine Phase des Einschaltens des E-Feldes mit Ionentransport. Auch hier gilt wieder, dass zugehörige Zeitdauer 5 objekt-abhängig zu bestimmen ist. Schliesslich folgt eine Luft-/Wasserdampfphase mit objektabhängiger Dauer 6.
Die Wirksamkeit der dargestellten Leistungskomponenten und ihr Zusammenwirken ist von Bauwerk zu Bauwerk verschieden. Daher ist durch diagnostische Voruntersuchungen zu klären, welche Kapillarporosität (Prüfung nach SIA 162/1), Anordnung und statistische Tiefenverteilung der Bewehrung (Prüfung mit Betondeckungsmessgerät) und der Karbonatisierungsstreubereich (Prüfung mit Phenolphthaleintest) vorliegen.
Zu den Anwendungseinzelheiten und -mechanismen kann ausgeführt werden. Bei der Verfahrensanwendung werden Anodenmatten in Form von Flutungskassetten oder gesättigten wasserhaltenden porösen Matten mit eingelegtem elektrisch leitendem Gewebe in flächenabhängig unterschiedlicher Grösse an der Betonoberfläche befestigt und Anschlüsse zur Bewehrung als Kathode hergestellt. Zur Verringerung des Zeitbedarfs für die Realkalisierung werden dem Wasser in der Anodenmatte leitfähigkeitsverbessernde Stoffe zugegeben (z.B. Kaliumkarbonat). Das elektrische Feld (E-Feld) wird aufgebaut mit Gleichstrom-Treibspannungen von 10-50 Volt, bei einer Stromstärke von objektabhängig 3 bis 5 A/m<2> Betonfläche (ca. 2 A/m<2> Bewehrung). Die E-Felder sind den Bauwerksgegebenheiten und Erfordernissen der Betonoberfläche unter Beachtung der Bauwerksintegrität anzupassen.
Die Anordnung der Massnahmen am Bauwerk, die Funktionsabläufe und weitere Angaben zu den ablaufenden Vorgängen und Mechanismen sind in der Fig. 2 ersichtlich. Die Fig. 2 zeigt die Betonrandzone einer Wandfassade mit Bewehrung und karbonatisierter Betonoberschicht. Mit dem Bezugszeichen 20 ist die Wandoberfläche bezeichnet, an den sich der Fassadenbeton 21 anschliesst. Die Bewehrung 22 (Kathode) verfügt über einen Bewehrungsanschluss 23, der mit einem Gleichrichter 24 verbunden ist. Der Gleichrichter 24 ist mit einer Anodenmatte 25 verbunden, die aus dem Material Schaumstoff bestehen kann. Das Medium der Anodenmatte 25 ist wassergesättigt. Im Fassadenbeton 21 ist eine Zone von alkalischem Zementstein 26 mit einem pH-Wert im Bereich von 11 bis 13. Mit dem Bezugszeichen 27 wird auf die Pfeile hingedeutet, die die Wanderung der OH<->-Ionen in Richtung Anode andeuten.
Damit wird die karbonisierte Betonrandzone mit OH<->-Ionen angereichert, was zu einer Repassivierung der Bewehrung durch OH-Anreicherung führt.
Es werden also in der Fig. 2 die Anordnung des E-Feldes mit Anodenmatte, Gleichrichter und Bewehrungsanschluss sowie die dabei ablaufenden Ionenwanderungen mit Repassivierung der Bewehrungsoberfläche und Reaktionen dargestellt und die ablaufenden Mechanismen angegeben.
Der Bereich des strichlinierten Kreises III ist dann in der Fig. 3 vergrössert dargestellt. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Karbonatisierung ist dem Bereich nach durch das Bezugszeichen 28 gekennzeichnet. Eine Passivschicht 29 am Stahl der Bewehrung 22 geschieht durch die Kathodenreaktion: O2 + 2H2O + 4e<-> -> 4(OH)<->. Mit dem Bezugszeichen 30 ist der Kapillarporenraum bezeichnet.
Beim ablaufenden Realkalisierungsvorgang im E-Feld sind zwei verschiedene Mechanismen zu unterscheiden. Durch Ionenmigration wandern OH<->-Ionen (Hydroxyl-Ionen) aus dem alkalischen Kernbeton des Kathodenbereichs (Bewehrung) in Richtung Betonoberfläche. Zum anderen wird die Umgebung der Bewehrungsstähle im karbonisierten Bereich durch elektrochemischen Stoffumsatz alkalisch angereichert und repassiviert.
In der Wassertransportphase werden OH<->-Ionen huckepackartig gegen die Oberfläche transportiert. Dieser Transport endet am Wasserdampffilter, der mit der Trocknungsbehandlung wenige Millimeter unter der Betonoberfläche hergestellt wird. Hier werden die OH<->-Ionen zurückgehalten, wodurch bei zunehmender Konzentration der Aufbau einer Alkalitätszone erfolgt.
Der Wirkungsnachweis der Realkalisierung erfolgt durch Kontrolle der neuen Alkalität der Betonoberschicht in 5-Millimeter-Schichten und Vergleich mit dem Status vor Durchführung des Verfahrens. In der Regel wird eine mindestens 100%ige Wiederherstellung der Alkalität angestrebt.
The invention relates to a method for realizing carbonated concrete top layers and re-passivation of corrosion-prone reinforcement steels.
Electrochemical processes can be used to maintain concrete structures. The basics of electrochemical realization processes are contained in a large number of publications. The procedure itself must therefore be assumed to be known. A description of the problem of corrosion protection can be found in "Corrosion and Corrosion Protection (Part 5), Electrochemical Protection Processes for Reinforced Concrete Structures" Documentation D065 by the Swiss Society of Engineers and Architects in Zurich.
The state of alkalinity in existing reinforced concrete structures. The cement block in the finished concrete contains 10 to 15% by volume calcium hydroxide Ca (OH) 2 (gel water) depending on the water cement value WZ (ratio of added water / cement content). It follows that concrete with a usual cement content of 300 kg / m <3> has a gel water content of 30 to 45 liters. At carbonation depths of around 20 millimeters (carbonation: Ca (OH) 2 + CO2 -> CaCO3 + H2O), the concrete in the top layer is missing about 0.5 to 1 liter per m <2> surface.
The task of the calcium hydroxide realizing process is to compensate for this deficiency from the core concrete reservoir.
This object is achieved with the features of claim 1.
The method is characterized by the use of knowledge from a realcalization phenomenon observed in nature and the simulation of this phenomenon by means of cyclical saturation and drying phases.
It is characterized in accordance with claim 1 by the features that an electric field is applied, which is a known method with the reinforcement in the alkaline concrete area as an element and a fabric mat placed on the concrete surface in the electrolytic medium as an external electrode is applied here to concrete structures, the reinforcement arrangement of which allows the production, dissolution and transport of OH <-> ions.
In an advantageous embodiment, the method is characterized by the electrokinetic ion transport in the electric field to the carbonated concrete area, by braking the OH <-> ions by controlled water vapor phases as a measure against the escape and escape into the electrolytic medium.
A process for restoring the alkaline environment in carbonated concrete top layers is done by activating the concrete's own calcium hydroxide. Based on observed natural processes, an electrochemical process is described which, using dry / wet cycles, aims at realizing the carbonated top layer and re-passivating the reinforcement steels, which are no longer alkaline and protected against corrosion.
In the following description of an exemplary embodiment, reference is also made in particular to the figures. These show:
1 is a diagram of a sequence of aeration cycles against water saturation,
Fig. 2 is a schematic representation of a concrete edge zone of a wall facade with reinforcement and carbonated concrete top layer, and
3 is an enlarged view of the reinforcement-anode mat area in circle III from FIG. 2.
This process requires components made of conventional concrete with the components cement stone, stone aggregate and capillary pores. Under the influence of CO2 from the air, the alkaline cement block with a pH value of 11-13 is increasingly chemically changed from the concrete surface in depth to carbonated cement block with a pH value below 9-10. In contrast to the alkaline cement block, this no longer offers corrosion protection for the reinforcement steels embedded in the concrete in reinforced concrete structures. This results in increasing corrosion risks for buildings in civil engineering, bridge construction and industrial construction. Early detection of the problem and restoration of the alkaline reinforcement conditions protecting the concrete against corrosion help to maintain the durability of the building structure.
The method differs from the prior art in that known realizing methods with foreign substances applied to the concrete surface and penetrating into the concrete top layer, which aim at realizing the carbonated concrete or re-passivating the reinforcing steel from the inside out by means of electrochemical or other methods.
In contrast, the process described here works with its own substances from the calcium hydroxide of the alkaline cement stone for realizing the carbonized concrete or re-passivating the reinforcing steel using dry / wet cycles with electrokinetic transport of OH <-> ions from the inside to the outside.
The principles of the process include concrete carbonation and realcalization in nature. The carbonation area of the concrete edge zone (3 to 5 centimeters of concrete top layer with reinforcement layer) is found as a scattering area at a depth of up to approx. 30 millimeters. Greater carbonation depths are rare and more than 40 to 50 millimeters are practically never reached. In contrast, horizontal concrete surfaces rarely have a greater depth of carbonation than 3 to 7 millimeters. The reason lies in the moisture and drying behavior of such concrete edge zones under natural weathering. This results in moisture-dependent ion transport and diffusion phenomena in the concrete edge zone with the formation of more or less pronounced sealing zones in the immediate concrete top layer.
This behavior leads to a constant natural realizing process in wet times, interrupted by carbonation in dry times.
The process used here can be derived from the natural process. The calcium hydroxide realizing process aims to derive the realizing processes observed in nature and restore the alkaline milieu in the reinforcement area and in the already carbonized cement block. Using electrochemically supported wet / dry cycles, the behavior in nature is simulated in a time-lapse process and the carbonized edge zone area is restored to an alkaline state (realized). In addition, the surface can be provided with a seal or other means to permanently maintain the realcalization.
The method is carried out, for example, in cycles as follows. The free mobility of the gel water in the crystalline needle felt of the cement block is fundamentally hampered by the adsorption forces of the inner surface of the building material. Overcoming these forces by suitable dimensioning of the electric field (E-field), the duration of the process application and number of process cycles with alternating (cyclical) water / drying treatment is the subject of the process.
The use of wet / dry cycles in the alternation of electrochemical ion transport and air-water transport phases leads to gradual alkalinity enrichment in the concrete top layer without the OH <-> ions escaping. Controlled ion transport is achieved and prevents unwanted OH <-> accumulation on the concrete surface or in the electrolyte.
The course of the wet / dry cycles and the termination of the application of the process takes place in accordance with the load that has been carried out and is controlled on the basis of the number of coulombs passed. Permanent monitoring of the E-field is essential.
Fig. 1 shows the water saturation 11 in volume percent against time 12, in which a sequence of aeration cycles is shown. Thus, the specification of the cycle sequence is shown in the course of the procedure. Three cycles 1, 2 and 3 are shown. In the case of a single cycle, saturation above 95 to 97% by volume is carried out first. The associated time period 4 is to be determined depending on the object. Then there is a phase of switching on the E-field with ion transport. Again, the associated time period 5 must be determined depending on the object. Finally there is an air / water vapor phase with object-dependent duration 6.
The effectiveness of the power components shown and their interaction varies from building to building. Therefore, preliminary diagnostic tests must be carried out to determine which capillary porosity (test according to SIA 162/1), arrangement and statistical depth distribution of the reinforcement (test with a concrete cover measuring device) and the carbonation scatter range (test with a phenolphthalein test) are available.
The application details and mechanisms can be explained. In the application of the process, anode mats in the form of flooding cassettes or saturated, water-holding porous mats with inserted electrically conductive tissue in different sizes depending on the area are attached to the concrete surface and connections for reinforcement are made as cathodes. To reduce the time required for realizing, conductivity-improving substances are added to the water in the anode mat (e.g. potassium carbonate). The electric field (E-field) is built up with DC driving voltages of 10-50 volts, with a current of 3 to 5 A / m <2> concrete surface (approx. 2 A / m <2> reinforcement) depending on the object. The E-fields are to be adapted to the building conditions and requirements of the concrete surface, taking into account the building integrity.
The arrangement of the measures on the building, the functional sequences and further information on the processes and mechanisms taking place can be seen in FIG. 2. Fig. 2 shows the concrete edge zone of a wall facade with reinforcement and carbonated concrete top layer. The reference numeral 20 denotes the wall surface to which the facade concrete 21 is connected. The reinforcement 22 (cathode) has a reinforcement connection 23 which is connected to a rectifier 24. The rectifier 24 is connected to an anode mat 25, which can consist of the material foam. The medium of the anode mat 25 is saturated with water. In the facade concrete 21 there is a zone of alkaline cement stone 26 with a pH in the range from 11 to 13. Reference numeral 27 indicates the arrows which indicate the migration of the OH <-> ions towards the anode.
The carbonized concrete edge zone is thus enriched with OH <-> ions, which leads to a re-passivation of the reinforcement through OH enrichment.
2 shows the arrangement of the E-field with anode mat, rectifier and reinforcement connection as well as the ion migration taking place with repassivation of the reinforcement surface and reactions and the mechanisms involved.
The area of the dashed circle III is then shown enlarged in FIG. 3. Identical features are provided with the same reference symbols. The area of carbonation is identified by reference numeral 28. A passive layer 29 on the steel of the reinforcement 22 occurs through the cathode reaction: O2 + 2H2O + 4e <-> -> 4 (OH) <->. The capillary pore space is designated by reference numeral 30.
A distinction must be made between two different mechanisms during the realization process taking place in the E field. Ion migration causes OH <-> ions (hydroxyl ions) to migrate from the alkaline core concrete of the cathode area (reinforcement) towards the concrete surface. On the other hand, the area around the reinforcement steel in the carbonized area is alkalinically enriched and repassivated by electrochemical material conversion.
In the water transport phase, OH <-> ions are transported piggyback against the surface. This transport ends at the water vapor filter, which is produced with the drying treatment a few millimeters below the concrete surface. The OH <-> ions are retained here, which leads to the build-up of an alkalinity zone with increasing concentration.
The proof of effectiveness of the realization is carried out by checking the new alkalinity of the concrete top layer in 5-millimeter layers and comparing it with the status before the procedure was carried out. As a rule, the aim is to restore the alkalinity at least 100%.