DE10001706C2

DE10001706C2 - Verfahren zur Ansteuerung eines Elektrodensystems für die elektrochemische Sanierung von korrosionsgeschädigtem Stahlbeton

Info

Publication number: DE10001706C2
Application number: DE10001706A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schneck; Thomas Winkler; Hagen Gruenzig
Original assignee: CITEC GmbH
Current assignee: CITEC GmbH
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: DE10001706A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektrodensystems für die elektrochemische Sanierung von korrosionsgeschädigtem Stahlbeton.

Der Verbundbaustoff Stahlbeton besteht aus Beton, der mit Bewehrungseinla gen aus Stahl ergänzt wird, um Zugkräfte aufnehmen zu können. Bei einem fehlerfrei hergestellten Stahlbetonelement ist die Bewehrung mit einer so star ken Betonschicht überzogen, daß diese in der Regel dauerhaft vor Korrosion geschützt ist. Der Korrosionsschutz der Betonschicht beruht auf der Alkalität des Porenwassers, das einen pH-Wert aufweist, der größer als 12,5 ist. Auf der Stahloberfläche bildet sich unter diesen Bedingungen eine dünne, festhaftende Oxidschicht, die eine Korrosion des Stahlelements praktisch vollständig verhin dert. Aus diesem Grund kann Stahlbeton für Außenteile, die der Witterung aus gesetzt sind, verwendet werden. Unter ungünstigen Bedingungen, insbesonde re bei fehlerhafter Bauausführung und besonders salzhaltigen Umgebungsbe dingungen, kann jedoch der Korrosionsschutz der Bewehrung beeinträchtigt werden. Dabei erfolgt, wenn Kohlendioxid aus der Luft mit den alkalischen Be standteilen des Zements reagiert, eine Carbonatisierung des Betons. Damit sinkt der pH-Wert ab, so daß kein Korrosionsschutz mehr gegeben ist. Eine weitere, häufig auftretende Korrosionsursache ist das Eindringen von Chloriden in den Beton, beispielsweise bei Einsatz der Betonbauteile als Fahrbahn oder in der Nähe einer Fahrbahn beim Einsatz von Tausalz. Beide Prozesse beginnen an der Betonoberfläche und setzen sich ins Innere des Betons zu den dort ein betonierten Stahlteilen fort, wobei sich deren Oxidschicht auflöst. Um die Zer störung des Betons durch Abplatzen infolge voluminöser Korrosionsprodukte zu verhindern, muß der chloridhaltige Beton ausgetauscht oder das Chlorid selbst aus dem Beton entfernt werden.

Es sind verschiedene Methoden bekannt, um das kontaminierte Material auszu tauschen. Bei diesen physikalischen Methoden wird das kontaminierte Material entfernt und durch frischen Beton ersetzt. Dabei handelt es sich jedoch um eine aufwendige und somit teuere Lösung, die zudem nur bei Bereichen, die bereits als geschädigt erkannt worden sind, wirksam ist.

Deshalb ist eine Methode vorgeschlagen worden, bei der die Chloride elektro chemisch durch Ionenmigration aus dem Beton entfernt werden. Auf diese Wei se wird die Chloridkonzentration in dem Beton drastisch verringert, so daß ein Austausch des Betons nicht mehr notwendig ist. Die von J. E. Slater in Materi als Performance, 1976, 21-26, beschriebene Methode umfaßt die Anwendung eines elektrischen Potentials zwischen der inneren Bewehrung und einer Ober flächenelektrode, die in einen flüssigen Elektrolyten, der sich auf der Oberfläche des Betons befindet, eingetaucht ist. Dabei bildet die Oberflächenelektrode den positiven Pol des elektrischen Feldes, wodurch die in dem Beton enthaltenen, negativ geladenen Chloridionen durch den Beton migrieren, aus diesem austre ten und in den Elektrolyt gelangen. Im Elektrolyt werden die Chloridionen an der positiven Elektrode zu gasförmigem Chlor oxidiert oder reagieren chemisch mit Komponenten, die in dem Elektrolyt enthalten sind.

Des weiteren ist ein Verfahren zum kathodischen Korrosionsschutz bekannt (Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes, 3. Aufl., bes. Kapitel 19.5.6, S. 419, VCH-Verlag, 1989). Dabei handelt es sich um ein permanentes Verfah ren, bei dem die Anode in Spritzbeton eingebettet wird. Verfahrensimmanent wird schließlich ein Zustand erzwungen, der die Stahlauflösung verhindert. Ein Chloridentzug wird damit nicht bewirkt. Das dargestellte Verfahren ist in der Praxis nicht anwendbar, was sich aus dem hervorgehobenen Bewährungsindex (Stahlfläche/Betonfläche) von 1 ergibt. Dieser Wert wird tatsächlich nicht er reicht, vielmehr liegt der Bewährungsindex höchstens bei 0,2 bis 0,4.

Auch aus den Schriften US 5,296,120 A "Apparatus for the removal of chloride from reinforced concrete structures" und DE 296 11 107 U1 "Stromversorgungs- Schaltung für die elektroosmotische Sanierung von Bauwerken" lassen sich keine den praktischen Anforderungen entsprechende Ansteuerungen eines Elektrodensystems für die elektrochemische Sanierung von korrosionsgeschä digtem Stahlbeton entnehmen.

Die bekannten Lösungen zur elektrochemischen Sanierung von korrosionsge schädigtem Stahlbeton enthalten also letztlich keine oder nur äußerst unzurei chende Angaben bezüglich der Steuerung der Elektroden, um eine zeitlich und energetisch optimale Verringerung des Chloridgehaltes im Stahlbeton zu errei chen. Überdies werden keine Angaben offenbart, wie eine Schädigung des Be tons beispielsweise durch Überhitzung des Betons vermieden werden kann. Schließlich ist die Applikation des Verfahrens auf die bearbeitete Betonoberflä che bezogen. Dabei finden Unterschiede in der Betondeckung und Bewehrung keine oder nur zufällige Berücksichtigung.

Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Dabei steht die Aufgabe, ein Verfah ren zu finden, das eine zeitlich, energetisch und damit wirtschaftlich optimale sowie umweltfreundlichere Sanierung von korrosionsgeschädigtem Stahlbeton ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren gelöst, das die Schritte

1. Unterteilung der zu sanierenden zweidimensionalen Fläche eines Bauwer kes aus Stahlbeton in beliebig viele, gleich große Rasterflächen;
2. elektrochemische, physikalische und chemische Charakterisierung, beste hend aus Messung des Ruhepotentials, galvanischer Pulsmessung, Erfassung des Bewehrungsverlaufes, der Betondeckung, des Porenraums, der Feuchte, des Chloridgehaltes und der Carbonatisierungstiefe;
3. Montage der Verbundelektroden an den Rasterflächen;
4. Durchführen von Kontrollmessungen an jeder Rasterfläche zur Bestimmung des Ruhepotentials (E_Ref), der Kontrolle der elektrischen Kontakte und zur Be stimmung der umfaßt zeitlichen Änderung des Stromes in Folge der externen Spannung (ΔI_AK);
5. Festlegen der Startwerte, die die Klemmspannung zwischen Anode und Ka thode (E_AK), die minimale Klemmspannung ohne externe Spannung (E_AK,min), die Frequenz der Pulsweitenmodulation (f_PWR), die Anschaltzeit der externen Spannung (t_An), die Ausschaltzeit der externen Spannung (t_Aus), das minimale katodische Referenzpotential (E_Ref,min), den Chloridgehalt zu Sanierungsbeginn (CI_Start) und den Ziel-Chloridgehalt (CI_End) umfassen, an jeder Rasterfläche;
6. Festlegen von Meß-, Regel- und Abbruchkriterien für jede einzelne Raster fläche;
7. Zuführung von Gleichstrom zu der Rasterfläche unter permanenter Überwa chung des Referenzpotentials während der Laufzeit der Sanierung, der Span nungsänderung am Chloridsensor und der Ausschaltflanke, wobei die zugeführ te Gleichstromleistung während der Laufzeit der Sanierung durch Pulsweiten modulation so eingestellt wird, daß sie dem Energiebedarf der zu sanierenden Rasterfläche entspricht, umfaßt.

Der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht eine Untersuchung des zu sanierenden Bauwerkes in bezug auf dessen spezifische Merkmale wie beispielsweise dem Abstand der Bewehrungselemente voraus. Die Kontroll messungen dienen gleichzeitig der Prüfung der elektrischen Verbindungen so wie dem Erreichen eines niedrigen Elektrolytwiderstandes im Beton, indem eine ausreichende Bauteilfeuchte sichergestellt wird.

In Schritt (1) werden die zu sanierenden zweidimensionalen Flächen eines Bauwerkes aus Stahlbeton vorzugsweise in 0,6 × 0,6 m² große Rasterflächen unterteilt. Die Überwachung der Spannungsänderung am Chloridsensor in Schritt (7) umfaßt die permanente Abfrage einer Hilfselektrode, um so die Sätti gung des Ionenaustauschers zu ermitteln. Die Abbruchkriterien, die während der gesamten Laufzeit der Sanierung an jeder Rasterfläche überwacht werden, werden aus der Gruppe ausgewählt, die die im Ionenaustauscher enthaltene Gesamtchloridmenge, die der Differenz zwischen dem Chloridgehalt zu Sanie rungsbeginn (CI_Start) und dem Ziel-Chloridgehalt (CI_End) im Beton entspricht; das 100 mV-Kriterium, das zur Abschätzung der Alkalitätsreserve dient; und die eingetragene Ladungsmenge umfaßt.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jeder Rasterflä che exakt soviel Gleichstromleistung während der Sanierung zugeführt, wie diese benötigt. Dieser Leistungsbedarf wird während der Laufzeit des Verfah rens ständig für jede zu sanierende Rasterfläche neu berechnet. Ist die Kapazi tät des Ionenaustauschers erschöpft, kann dieser während der Sanierung mehr fach erneuert werden.

Durch die permanente Abfrage des Chloridsensors kann die Sättigung des Io nenaustauschers in der Verbundelektrode genau ermittelt werden. Wenn der Ionenaustauscher gesättigt ist, wird der Sanierungsprozeß automatisch für die betreffende Rasterfläche unterbrochen, damit keine Chlorgasentwicklung an der Anode auftreten kann. Gleichzeitig wird die Chloridmenge, die der Aufnahme kapazität des Ionenaustauschers entspricht, als Rechenwert in den Prozeß ein bezogen.

Eine Verringerung der Gleichstromleistung an einer Elektrode wird durch Puls weitenmodulation erreicht. Die Pulsweitenmodulation umfaßt eine Zwei-Punkt- Regelung mit den Zuständen Ein und Aus. Über die Variation des zeitlichen Verhältnisses der Ein- und Aus-Phasen wird eine effektive Leistung am Ver braucher, das heißt den Rasterflächen erreicht. Über konventionelle Längsreg ler ist eine Verringerung des Gleichstrombedarfes durch Reduzieren der Gleichstromleistung nicht möglich, da die nicht benutzte Energie im Regler in Wärme umgesetzt wird. Das wird durch die Anwendung der Pulsweitenmodula tion gemäß der Erfindung verhindert. Mit Hilfe der Pulsweitenmodulation und aufgrund des modularen Aufbaues, der die einzelne Ansteuerung jeder Raster fläche ermöglicht, wird der Energiebedarf jeder Rasterfläche optimal erfaßt, so daß die eingespeiste Leistung auf die Bedürfnisse angepaßt werden kann.

Die für alle Elektroden der Sanierungsfläche verfügbare Gleichspannung wird vom Steuerrechner geschaltet, in die Elektroden gespeist und entsprechend dem Energiebedarf mit geringsten Leistungsverlusten als pulsweitenmodulierte Rechteckspannung geregelt, so daß sich eine individuelle Effektivspannung bzw. ein individueller Effektivstrom zwischen Anode und Kathode ergibt, die bzw. der mit jedem Regelzyklus neu gemessen und optimal auf die kinetischen Verhältnisse an jeder Elektrode angepaßt wird. Weiterhin kann das an der Re ferenzelektrode gemessene und um den ohmschen Widerstand des Betons zwischen Bewehrung und Referenzelektrode verfälschte kathodische Potential über die Messung und Auswertung der Steilheit der Ausschaltflanke am Puls weitenregelungsmodul an jeder Elektrode über den Steuerrechner korrigiert werden (IR-Kompensation).

Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann infolge des modularen Aufbaus der eingesetzten Vorrichtung jede Rasterfläche oder jede Gruppe von Rasterflächen so behandelt werden, wie es der tatsächliche Schädigungsgrad erfordert. Jede Rasterfläche oder jede Gruppe von Rasterflächen kann durch die Laufzeitkontrolle je nach Fortgang der Sanierung individuell weiterbehandelt werden. Durch den Einsatz der Pulsweitenmodulation wird eine verlustarme Leistungszuführung und Leistungssteuerung individuell für jede Rasterfläche in Abhängigkeit von ihrem Bedarf erreicht, so daß eine optimale Sanierung ermög licht wird. Überdies sind keine großflächigen Sicherheitsvorhalte zur Vermei dung von Verfahrensüberhitzungen notwendig, da jede Rasterfläche in Abhän gigkeit vom jeweiligen kathodischen Referenzpotential behandelt wird. Damit werden Verfahrensreserven ausgenutzt und außerdem garantiert, daß keine Beschädigungen am Bauwerk auftreten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß aufgrund der automatischen Verfahrensabschaltung, sobald die Chloridauf nahmefähigkeit des Ionenaustauschers erschöpft ist, die Entwicklung von um weltschädigendem Chlorgas verhindert wird, so daß sich das Verfahren durch eine im Vergleich zu den Methoden des Standes der Technik hohe Umweltver träglichkeit auszeichnet.

Des weiteren ist die Erfindung durch eine bessere Bewehrungsanalyse in Ver bindung mit kleinflächigen Elektroden gekennzeichnet, wodurch das Verfahren auf die Mantelfläche der wirksamen Bewehrung und nicht wie die Verfahren des Standes der Technik auf die Betonoberfläche der wirksamen Bewehrung bezo gen ist. Aufgrund von bekannten Elektrodenflächen sowie Stromdichtevertei lungen kann das Verfahren individuell angepaßt und optimiert werden.

Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen

Fig. 1 ein Flußdiagramm ist, das das erfindungsgemäße Verfahren veranschau licht und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeigt.

Das in Fig. 1 veranschaulichte erfindungsgemäße Verfahren besteht aus fol genden Schritten: Nach Abschluß der notwendigen Vorbereitungen, die eine Beurteilung des Bauwerkzustandes beispielsweise hinsichtlich des Abstandes der Bewehrungselemente, die Einteilung der Betonoberfläche in einzelne Ra sterflächen, die Montage der Verbundelektroden sowie eine ausreichende Be feuchtung des Betons umfassen, werden Kontrollmessungen zur Überprüfung der elektrischen Kontakte, Bestimmung des Ruhepotentials und der Änderung des Stromes infolge der externen Spannung (ΔI_AK), das heißt des Extraktions stroms durchgeführt.

Die Stromänderung ΔI_AK ist eine Funktion der Klemmspannung zwischen Anode und Kathode (E_AK) und der Zeit. Entsprechen diese Werte den Vorgaben kön nen die weiteren Verfahrensschritte durchgeführt werden, anderenfalls müssen die Werte erneut angepaßt werden.

Im folgenden Verfahrensschritt werden über die Steuerelektronik die Aus gangswerte eingestellt. Das sind die Klemmspannung zwischen Anode und Ka thode (E_AK, maximal 40 V), die minimale Klemmspannung ohne externe Span nung (E_AK,min, z. B. 20 V), die off-Klemmspannung zwischen Anode und Katho de (E_AK,Aus), die Frequenz der Pulsweitenmodulation (f_PWR, wobei f_PWR = t_An + t_Aus), die Anschaltzeit der externen Spannung (t_An), die Ausschaltzeit der exter nen Spannung (t_Aus), das minimale kathodische Referenzpotential (E_Ref,min) den Chloridgehalt zu Sanierungsbeginn (CI_Start, z. B. 3,0 M%, bezogen auf die Ze mentmasse) und den Ziel-Chloridgehalt (CI_End, z. B. 0,3 M%, bezogen auf die Zementmasse).

Nach dem Festlegen der Meß-, Regel- und Abbruchkriterien wird der Rasterflä che Gleichstrom zugeführt. Dabei wird durch den Steuerrechner permanent ge prüft, ob das Referenzpotential an der Kathode (E_Ref) größer als das als Schwellenwert festgelegte kathodische Referenzpotential (E_Ref,min) (beispiels weise -1070 mV vs. Cu/CuSO₄) ist. Wenn das der Fall ist, wird der Korrektur wert der Anschaltzeit (t_An,korr) größer gestellt als die festgelegte Anschaltzeit (t_An) der externen Spannung, so daß die Gleichstromzufuhr fortgesetzt werden kann.

Ist E_Ref,min erreicht oder unterschritten, kann abgeschaltet werden, und es wird geprüft, ob die off-Klemmspannung zwischen Anode und Kathode (E_AK,Aus) klei ner als die minimal festgelegte Klemmspannung ohne externe Spannung (E_AK,min) ist. Wenn das vor Ablauf von t_Aus der Fall ist, wird der Korrekturwert der Ausschaltzeit (t_Aus,korr) kleiner als die Ausschaltzeit (t_Aus) der externen Span nung gestellt, so daß die Gleichstromzufuhr fortgesetzt werden kann. Ist E_AK,Aus größer als E_AK und das Referenzpotential an der Kathode (E_Ref) gleich dem mi nimal festgelegten kathodischen Referenzpotential (E_Ref,min) so wird anschlie ßend geprüft, ob eine Spannungsänderung am Chloridsensor (ΔE_CI), das soge nannte "Durchbruchpotential", welches im Millivolt-Bereich liegt, ungleich Null ist.

Ist ΔE_CI ungleich Null wird das Verfahren unterbrochen, der Ionenaustauscher erneuert und anschließend das Verfahren unter erneuter Prüfung von ΔE_CI fort geführt. Ist ΔE_CI gleich Null und die Differenz zwischen dem Chloridgehalt bei Sanierungsbeginn (CI_Start) und dem Ziel-Chloridgehalt (CI_End) gleich der Summe der entfernten Chloridmenge, wird die Änderung des Referenzpotentials nach Abschalten der externen Spannung, z. B. minimal 100 mV/4 Stunden, bestimmt. Wenn der Wert nicht unterschritten wird, ist das Sanierungsziel erreicht, so daß das Verfahren abgeschlossen ist. Anderenfalls wird das Verfahren fortgesetzt.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur An steuerung eines Elektrodensystems für die elektrochemische Sanierung von korrosionsgeschädigtem Stahlbeton besteht aus Verbundelektrode 1, die auf einer etwa 0,6 × 0,6 m² großen Rasterfläche 2 der zu sanierenden zweidimen sionalen Stahlbetonoberfläche angebracht ist. Die im Beton 3 enthaltene Stahl bewehrung 4 ist an die Masseleitung 5 angeschlossen. Die Verbundelektrode, die einen Sensorausgang und einen Steuereingang aufweist, ist an Sensorelek tronik 6 über eine Sensorleitung 7 zur Meßwertaufnahme und an Steuerelektro nik 8 über eine Steuerleitung 9 zur Leistungsregelung angeschlossen sowie mit einem Gleichstrombus 10 verbunden. Die Elektronikmodule 6, 8 sind über Netzwerkelektronik 11 und ein Ethernet-Netzwerk 12 mit einem Steuerrech ner 13 verbunden.

Claims

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektrodensystems für die elektrochemi sche Sanierung von korrosionsgeschädigtem Stahlbeton, das die Schritte

1. Unterteilung der zu sanierenden zweidimensionalen Fläche eines Bauwerkes aus Stahlbeton in beliebig viele, gleich große Rasterflächen;
2. elektrochemische, physikalische und chemische Charakterisierung, bestehend aus Messung des Ruhepotentials, galvanischer Pulsmessung, Erfassung des Bewehrungsverlaufes, der Betondeckung, des Poren raums, der Feuchte, des Chloridgehaltes und der Carbonatisierungstiefe;
3. Montage der Verbundelektroden an den Rasterflächen;
4. Festlegen von Kontrollmessungen an jeder Rasterfläche zur Be stimmung des Ruhepotentials (E_Ref), der Kontrolle der elektrischen Kon takte und zur Bestimmung der zeitlichen Änderung des Stromes in Folge der externen Spannung (ΔI_AK);
5. Festlegen der Startwerte, die die Klemmspannung zwischen Anode und Katode (E_AK), die minimale Klemmspannung ohne externe Spannung (E_AK,min), die Frequenz der Pulsweitenmodulation (f_PWR), die Anschaltzeit der externen Spannung (t_An), die Ausschaltzeit der externen Spannung (t_Aus), das minimale katodische Referenzpotential (E_Ref,min) den Chlorid gehalt zu Sanierungsbeginn (CI_Start) und den Ziel-Chloridgehalt (CI_End) um fassen, an jeder Rasterfläche;
6. Festlegen von Meß-, Regel- und Abbruchkriterien für jede einzelne Rasterfläche;
7. Zuführung von Gleichstrom zu der Rasterfläche unter permanenter Überwachung des Referenzpotentials während der Laufzeit der Sanie rung, der Spannungsänderung am Chloridsensor sowie unter Erfassung und Auswertung der Ausschaltflanke beim Abschalten der Klemmspan nung, wobei die zugeführte Gleichstromleistung während der Laufzeit der Sanierung durch Pulsweitenmodulation so eingestellt wird, daß sie dem Energiebedarf der zu sanierenden Rasterfläche entspricht, umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu sanie renden zweidimensionalen Flächen eines Bauwerkes aus Stahlbeton in 0,6 × 0,6 m² große Rasterflächen unterteilt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachung der Spannungsänderung am Chloridsensor die permanente Abfrage einer Hilfselektrode umfaßt, um so die Sättigung des Ionenaus tauschers zu ermitteln.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abbruchkriterien, die während der gesamten Laufzeit der Sanierung an jeder Rasterfläche überwacht werden, aus der Gruppe ausgewählt werden, die die im Ionenaustauscher enthaltene Gesamtchlo ridmenge, die der Differenz zwischen dem Chloridgehalt zu Sanierungs beginn (CI_Start) und dem Ziel-Chloridgehalt (CI_End) im Beton entspricht; das 100 mV-Kriterium, das zur Abschätzung der Alkalitätsreserve dient; und die eingetragene Ladungsmenge umfaßt.