DE102017100746B3

DE102017100746B3 - Indikatorträger zur Bestimmung der Karbonatisierungstiefe an mineralischen Baustoffen und Verfahren zur Bestimmung der Karbonatisierungstiefe

Info

Publication number: DE102017100746B3
Application number: DE102017100746.6A
Authority: DE
Inventors: Jens Kronemann; Nico Vogler; Jens Lehmann; Tatjana Bohlmann
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2037-01-17

Abstract

Es wird ein Indikatorträger zur Bestimmung einer Karbonatisierungstiefe eines Betonelements vorgeschlagen, umfassend ein Hydrogel; und eine im Hydrogel homogen verteilte Indikatorsubstanz, wobei die Indikatorsubstanz einen pH-Indikator mit einem Farbumschlag zwischen einem pH Wert 7 und einem pH Wert 12 umfasst, der ausgewählt ist unter Phenolphtalein, Alizaringelb und Thymolblau. Es wird ferner ein entsprechendes Verfahren unter Verwendung des Indikatorträgers vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Bestimmung der Karbonatisierunsgtiefe von Betonbauteilen und betrifft die Hochschul- und Wissenschaftsforschung, das Baugewerbe, Prüfanstalten und Gutachter von Ingenieurbauwerken aus Beton, sowie die Überwachung und Instandsetzung von Ingenieurbauwerken.
Die Korrosion von Bewehrungsstahl ist eine der häufigsten Ursachen für Stahlbetonschäden, wobei es zu Abplatzungen der über der Bewehrung liegenden Betondeckung bzw. zum Versagen der Bewehrung durch einen verminderten Querschnitt des Stahls kommen kann. Eine Bewehrungskorrosion tritt dann auf, wenn der Beton um die Bewehrung karbonatisiert ist, Feuchtigkeit vorhanden ist und/oder Chloride in ausreichender Menge bis zur Bewehrung eingedrungen sind.
An bestehenden Stahlbetonbauteilen sind für die Ermittlung der Karbonatisierungstiefe baupraktisch bisher zwei Methoden gebräuchlich. Zum einen erfolgt ein Aufstemmen des Betons bis zur Bewehrung im interessierenden Bereich und anschließendes Aufsprühen eines Indikators (typischerweise Phenolphtalein) auf die Bruchflächen. Zum anderen durch das Ziehen eines Bohrkerns aus dem Stahlbetonbauteil. Anschließend wird durch Aufbrechen des Bohrkerns und anschließendes Aufsprühen des Indikators auf die frische Bruchfläche die Karbonatierungstiefe ermittelt. Einen Überblick über Farbindikator-Schnelltests bietet Henkel, J.,(2014) „Bunte Bauschäden: Farbindikator-Schnelltests zur qualitativen Prüfung typischer Betoneigenschaften und -schäden“. Märkisches Forum Baustoffpraxis-Baustoffdiagnostik, Henningsdorf 27.2.2014. (Aufgefunden am 1.02.2017 unter der Adresse:
http://iv-bau.de/140227%20Forum%20III%20Farbindikator-Schnelltests.pdf)
Die vorbekannten Lösungen sind jedoch nur teilweise zufriedenstellend und erfordern einen hohen technischen Aufwand. Außerdem verursachen sie einerseits die großräumige Zerstörung der zu untersuchenden Bauteile und andererseits eine Exposition gegenüber karzinogenem Aerosol, welches beim Aufsprühen des Phenolphtaleins entsteht.
Vor diesem Hintergrund wird ein Indikatorträger nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Bestimmung der Karbonatisierungstiefe von mineralischen Baustoffen, insbesondere von Beton gemäß Anspruch 7 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
Dabei wird ein Indikatorträger zur Bestimmung einer Karbonatisierungstiefe eines Betonelements vorgeschlagen, der ein Hydrogel und eine im Hydrogel homogen verteilte Indikatorsubstanz umfasst. Die Indikatorsubstanz ist ein pH-Indikator mit einem Farbumschlag zwischen pH 7 und pH 10. Der pH-Indikator ist beispielsweise ausgewählt unter Phenolphtalein, Alizaringelb, Thymolblau oder vergleichbaren Indikatorfarbstoffen, beispielsweise Thymolphtalein.
Vorteile ergeben sich aus dem visuell deutlich wahrnehmbaren Farbumschlag dieser Indikatorsubstanzen im Hydrogel.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Form des Indikatorträgers ausgewählt unter einem Zylinder, einer Spindel, einem Konus oder einer Platte.
Vorteile dieser Formen ergeben sich aus dem problemlos herstellbaren Kontakt zwischen der untersuchten Betonfläche und dem Indikatorträger.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Indikatorträger weiter ein Stütz- und/oder Halteelement, wobei das Stütz- oder Halteelement zumindest teilweise vom Hydrogel umschlossen ist.
Vorteile ergeben sich aus einer erleichterten Handhabbarkeit des Indikatorträgers.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Hydrogel des Indikatorelements eine Agarose und/oder einen Agar.
Vorteile dieser Hydrogele sind ihre leichte Herstellbarkeit.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der vorgeschlagene Indikatorträger Agar Agar als Hydrogel und Phenolphtalein als Indikatorsubstanz, wobei eine Konzentration des Agar Agar zwischen 1 % und 10%, insbesondere zwischen 2 % bis 5 % beträgt und eine Konzentration des Phenolphtalein zwischen 0,5 % bis 5 %, insbesondere zwischen 0,5 bis 2 %, bevorzugt 1% beträgt.
Die bezeichneten Konzentrationen liefern einen stabilen Gelkörper mit gut sichtbarem Farbumschlag.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Hydrogel ausgewählt unter: einem Agar Agar, einer Gelatine, einem Polyvinylalkohol oder einem teilhydrolisierten Polyvinylalkohol, beispielsweise Mowiol, oder vergleichbare Materialien.
Vorteile der genannten Hydrogele sind vor allem ihre leichte Herstellbarkeit und geringe Kosten.
Ferner wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Karbonatisierungstiefe eines Betonelementes, an einer Bruchfläche oder einem Bohrloch vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Indikatorträgers umfassend ein Hydrogel und eine pH-Indikatorsubstanz; in-Kontakt-bringen des Indikatorträgers mit der Bruchfläche oder einer Wandung des Bohrlochs; Trennen von Indikatorträger und Bruchfläche oder Bohrlochwandung; und Bestimmen der Karbonatisierungstiefe anhand eines erfolgten Farbumschlages des Indikatorträgers nach Kontakt mit der Bruchfläche bzw. mit dem Bohrloch.
Vorteil dieses Verfahrens ist dessen Robustheit und das verminderte Risiko einer Exposition gegenüber krebserzeugenden Indikator-Substanzen.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das soeben beschriebene Trennen während bzw. innerhalb von 1 Minute nach dem in-Kontakt-bringen des Indikatorträgers mit der Betonfläche.
Vorteile ergeben sich aus Zeitersparnis und deutlichem Kontrast des erfolgten Farbumschlages.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist eine pH-Indikatorsubstanz mit einem relevanten Farbumschlag im pH Wert-Bereich von 7 bis 12 zu wählen.
Diese Indikatoren liefern mit unbewaffnetem Auge gut wahrnehmbare Kontraste der Region mit Farbumschlag neben dem farblich unveränderten Abschnitt des Indikatorträgers.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiterhin ein Dokumentieren des Farbumschlages des Indikatorträgers.
Vorteilhaft kann das Dokumentieren mittels Fotografie oder Scan erfolgen.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden.
Wie dargestellt, löst die vorgeschlagene Auflage die Aufgabe, die Karbonatisierungstiefe an mineralischen Baustoffen insbesondere an Stahlbetonbauteilen minimalinvasiv und trägergebunden (aerosolfrei) zu bestimmen.
Der Kern der Erfindung ist die trägergebundene (aerosolfreie) Anwendung von Indikatoren zur Bestimmung der Karbonatisierungstiefe an mineralischen Baustoffen.
Vorteilhaft erfolgt die Bestimmung der Karbonatisierungstiefe ohne großräumige Beschädigungen an Bauteilen bzw. Baukörpern. Das ist besonders von Vorteil im Bereich der Überwachung und Instandsetzung von denkmalgeschützten Beton- und Stahlbetonbauwerken.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, Indikatoren zur Bestimmung der Karbonatisierungstiefe an mineralischen Baustoffen in Trägermaterialien (z.B. Agar Agar) einzubinden. Zur Entwicklung eines stiftförmigen Probekörpers, hier Karbostick genannt, wurde diese Technologie genutzt, um Phenolphtalein in Agar zu implementieren. Bei der Anwendung des Karbosticks sind Aerosolbildungen verhindert. Erste Ergebnisse sind in den folgenden Figuren dargestellt.
Die beiliegenden Figuren veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Figuren sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechend ähnliche Teile.
1 zeigt im Teilbild A einen zur Anwendung bereitgehaltenen Indikatorträger, der – einem Eis am Stiel vergleichbar – einen Gelkörper auf einem Halte- und Befestigungsstäbchen (Holzspatel) trägt. Der Durchmesser des Gelkörpers ist so bemessen, dass er in eine Bohrung in dem zu prüfenden Betonelement eingebracht werden kann. Im Teilbild B ist gezeigt, wie der Indikatorträger seitlich gegen die Bohrlochwandung gedrückt, bzw. an dieser abgerollt wird.
Im Teilbild C ist der nach einer Haltezeit von 1 Minute wieder entnommene Indikatorträger und der darauf feststellbare Farbumschlag zu sehen. Bereiche nicht karbonisierten Betons, die einen alkalischen pH-Wert aufweisen, haben den Indikator (Phenolphtalein) im Hydrogel zum Farbumschlag gebracht. Eine bereits karbonisierte Randzone blieb farblich unverändert.
In 2 ist gezeigt, wie beim Abrollen des Indikatorträgers über eine Bruchfläche deren Karbonisierungstiefe ermittelt wird. Der Indikatorträger wird – wie in Teilbild A gezeigt – auf die frische Bruchfläche aufgelegt und angedrückt. Nach der vorbestimmten Haltezeit wird der Indikatorträger weiter abgerollt und erneut angedrückt gehalten. An Hand der nach dem Abnehmen (Teilbild B) eingetretenen Verfärbung zeichnet sich die Zone zwischen nicht karbonisiertem und bereits karbonisiertem Beton deutlich ab. Die Karbonisierungstiefe kann durch einfaches Ausmessen des Abstandes zwischen äußeren Rand der Andruckfläche bis zum verfärbten Bereich bestimmt werden.
5 g Phenolphtalein (p.a.) werden in ca.80 mL 99% Ethanol gelöst und dieses mit 99% Ethanol auf 100 ml aufgefüllt. 3 g Agar-Agar (reinst) werden in 80mL VE-Wasser eingerührt. Das homogene Gemisch wird bei ca. 92–95 °C unter ständigem Rühren bis zum vollständigen Klären aufgekocht und auf ca. 65° C abgekühlt. Dann werden 20 ml 5% Phenolphtalein-Lösung zugerührt und sofort in Reagenzgläser, in die zuvor jeweils ein Holzspatel eingestellt wurde gegossen. Nach dem Erstarren des Gels, das anhand der Eintrübung erkennbar ist, werden die Reagenzgläser gekühlt und luftdicht verschlossen aufbewahrt. Unmittelbar vor der Benutzung wird ein Indikatorträger aus dem Reagenzglas entnommen und in ein frisch in das zu prüfende Betonbauteil eingebrachtes Bohrloch gesenkt. Hierzu wird typischerweise – je nach Größtkorn – eine Bohrung von 8–12 mm Durchmesser in das Betonbauteil eingebracht, dessen Karbonatisierungstiefe ermittelt werden soll. Das Bohrloch wird mittels Druckluft ausgeblasen und mit Ethanol gespült. Die Reinigungsprozedur kann wiederholt werden. Danach wird der Indikatorträger in das Bohrloch eingebracht und an der Wandung abgerollt oder angepresst.
Analog hierzu wird eine zu prüfende frische Bruchfläche mit Druckluft abgeblasen, mit Ethanol gespült und der Test durch Auflegen eines, z.B. plattenförmigen, Indikatorträgers durchgeführt.
Im Vergleich zur bisherigen Vorgehensweise bei der Bestimmung der Karbonatisierungstiefe ergeben sich zwei wesentliche Vorteile. Zum einen werden durch die Verwendung der Auflage karzinogene Aerosole von Phenolphtaiein vermieden und zweitens kommt es durch den Einsatz der stabförmigen Auflage zu signifikant geringeren Veränderungen (Phenolphthalein erzeugt bei einem pH-Wert unterhalb von 8,2 einen Farbumschlag – purpur auf der zu untersuchenden Oberfläche) bzw. Schädigungen (Aufstemmen der Bauteiloberfläche vor der Anwendung des Indikators am Bauwerk). Besonders bei Bewertungen von denkmalgeschützten Stahlbetonbauteilen ist die minimalinvasive Methode der bisherigen Vorgehensweise vorzuziehen. Durch den geringeren zeitlichen und finanziellen Aufwand zur Erstellung und Wiederverschließung der Bohrlöcher ist die neue Methode auch wirtschaftlicher gegenüber der urspünglichen Bestimmung der Karbonatisierungstiefe mit großräumigen Abtragungen an den zu untersuchenden Bauteilen.
Ein weiterer Vorteil ist die gute Dokumentationsfähigkeit der Ergebnisse. Die Auflage kann nach dem Test in einem Transportbehälter gelagert werden und z.B. hochauflösend eingescannt werden.
Im wissenschaftlichen Bereich sind Analysen zur Karbonatisierung an mineralischen Baustoffen unverzichtbar. Durch die neue Methode des trägergebundenen Phenolphtaleins wird auch zukünftig die Bestimmung der Karbonatisierungstiefe mit diesem Indikator möglich sein, ohne dabei den Anwender einer Gesundheitsgefährung auszusetzen. Durch die Weiterverwendung von Phenolphtalein in einer sicheren Auflage ist auch eine Vergleichbarkeit zu jahrzentelangen Erfahrungen mit diesem Indikator möglich.
Wie vorstehend beschrieben, wird folgendes vorgeschlagen:

1. Die Anwendung von Indikatoren in Auflagen (Gel-gebundener Indikator) zur Bestimmung der Tiefe einer Karbonatisierung an mineralischen Baustoffen;
2. Die aerosolfreie Anwendung der Indikatoren;
3. Eine Stickform und eine Padform der gelgebundenen Auflage;
4. CarboStick; Minimalinvasiver Schnelltest zur Bestimmung der Karbonatisierungstiefe (Stickform zur Anwendung im Bohrloch);
5. CarboPad; Herkömmlicher Schnelltest (Padform zur Anwendung an Bruchflächen);
6. Eine gute Dokumentationsfähigkeit durch Transportfähigkeit der Auflage.

Claims

Indikatorträger zur Bestimmung einer Karbonatisierungstiefe eines Betonelements, umfassend – ein Hydrogel; und – eine im Hydrogel homogen verteilte Indikatorsubstanz, wobei die Indikatorsubstanz einen pH-Indikator mit einem Farbumschlag zwischen einem pH Wert 7 und einem pH Wert 12 umfasst, der ausgewählt ist unter Phenolphtalein, Alizaringelb, und Thymolblau.
Indikatorträger nach Anspruch 1, wobei eine Form des Indikatorträgers ausgewählt ist unter einem Zylinder, einer Spindel, einem Konus und einer Platte.
Indikatorträger nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend ein Stütz- und/oder Halteelement, wobei das Stütz- oder Halteelement zumindest teilweise vom Hydrogel umschlossen ist.
Indikatorträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Hydrogel eine Agarose und/oder einen Agar umfasst.
Indikatorträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Hydrogel Agar Agar und Phenolphtalein enthält, eine Konzentration des Agar Agar zwischen 1 % und 10 % beträgt und eine Konzentration des Phenolphtalein zwischen 0,5 % bis 5 % beträgt.
Indikatorträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Hydrogel ausgewählt ist unter: einem Agar Agar, einer Gelatine, einem Polyvinylalkohol oder Mowiol.
Verfahren zur Bestimmung einer Karbonatisierungstiefe eines Betonelementes, an einer Bruchfläche oder einem Bohrloch umfassend: – Bereitstellen eines Indikatorträgers, umfassend ein Hydrogel und eine im Hydrogel homogen verteilte pH-Indikatorsubstanz mit einem Farbumschlag zwischen einem pH Wert 7 und einem pH Wert 12; – in-Kontakt-bringen des Indikatorträgers mit der Bruchfläche oder einer Wandung des Bohrlochs; – Trennen von Indikatorträger und Bruchfläche oder Bohrlochwandung; – Bestimmen der Karbonatisierungstiefe anhand eines Farbumschlages des Indikatorträgers.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Trennen innerhalb von 1 Minute nach dem in-Kontakt-Bringen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die pH-Indikatorsubstanz ausgewählt ist unter Phenolphtalein, Alizaringelb und Thymolblau.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, weiter umfassend: – Dokumentieren des Farbumschlages des Indikatorträgers.