DE102017129573A1

DE102017129573A1 - Korrosionssensor und Verfahren zum Korrosionsmonitoring

Info

Publication number: DE102017129573A1
Application number: DE102017129573.9A
Authority: DE
Inventors: Chol I Pak; Carsten S. Schröder
Original assignee: Qompass Solutions GmbH
Current assignee: Qompass Solutions GmbH
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2019-06-13
Also published as: EP3724635A1; WO2019115451A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Korrosionssensor und ein Verfahren zum Korrosionsmonitoring und ist anwendbar beispielsweise zur Bestimmung und Überwachung des Korrosionsfortschrittes für Bewehrungen an Stahlbetonbauteilen. Der magnetische Korrosionssensor besteht aus einem Korrosionsstab 1 und einem Referenzstab 2 aus Bewehrungsstahl, wobei die Stäbe 1, 2 an ihren Enden Permanentmagnete 3 aufweisen. Der Korrosionssensor wird in der Betondeckung eingebaut. Das Magnetfeld wird mithilfe eines Magnetfeldscanners erfasst und das Messergebnis wird an das Anzeigegerät 10 gesendet. Die Korrosionsfortschritte werden im Anzeigegerät 10 ausgewertet und angezeigt.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Korrosionssensor und ein damit verbundenes Verfahren zum Korrosionsmonitoring und ist anwendbar insbesondere zur Bestimmung und Überwachung des Korrosionsfortschritts für Bewehrungen an Stahlbetonbauteilen.
Als Korrosionsfortschritt im Stahlbeton bzw. Spannbeton wird der Fortschritt der korrodierenden Medien im Beton bezeichnet. Korrosion verursachende Medien sind Chlorid und andere chemische Substanzen, die mit der Zeit in den Beton eindringen und den Bewehrungsstahl korrodieren.
Der mit der vorliegenden Erfindung beschriebene Sensor bzw. das damit verbundene Verfahren können zum Detektieren der Korrosion auch im Fahrzeug- und Schiffbau sowie in anderen Industriebereichen angewendet werden, wo ein ferromagnetischer Stoff in einem nicht ferromagnetischen Umgebungsmaterial eingebettet ist.
Eine Messvorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren und Überwachen der Korrosion an Stahlbewehrungen ist aus der DE 102008050478 A1 bekannt. Die hier beschriebene Messvorrichtung kann tatsächliche Korrosionsfortschritte zerstörungsfrei überwachen und über Funk die Informationen weitergeben. Nachteilig ist, dass diese Vorrichtung einen Sensor mit einer im Sensorgehäuse angeordneten elektronischen Einrichtung aufweist und für schwierige Baustellen nicht robust genug ausgebildet ist. Die Stahldrähte an der Vorrichtung können durch Betonierarbeiten, zum Beispiel starkes Rütteln, Betreten, Gegenschlag, bereits vor dem Betonieren beschädigt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu vermeiden und einen Korrosionssensor sowie ein Verfahren zum Korrosionsmonitoring zu schaffen, welche die Korrosionsfortschritte im Beton realitätsecht und einfach überwachen und über Jahre hinweg ein wirtschaftliches Monitoring in einem robusten System ermöglichen.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in dem einfachen und robusten konstruktiven Aufbau des erfindungsgemäßen Korrosionssensors, wobei der Korrosionssensor einen Korrosionsstab und einen Referenzstab aufweist, wobei Korrosionsstab und Referenzstab geometrisch identisch gestaltet ausgebildet sind und aus dem gleichen Material wie die Bewehrungen bestehen und an den Stabenden permanente Magnete angeordnet sind und der Referenzstab eine Schutzschicht gegen Korrosion aufweist.
Die Stäbe des erfindungsgemäßen magnetischen Korrosionssensors bestehen aus gewöhnlichem Bewehrungsstahl und sind im selben Beton eingebettet. Deshalb tritt der identische Korrosionsvorgang schon vorher am Sensor auf, bevor die Konstruktionsbewehrungen korrodieren werden. Der Korrosionssensor ist gegen alle korrosionsverursachenden Medien anfällig. Durch den Signalvergleich vom Korrosionsstab und Referenzstab kann die Eindringtiefe der korrosiven Medien genau ermittelt werden.
Die magnetische Eigenschaft des Betons ist nahezu identisch mit der eines Vakuums. Deshalb spielen die chemischen Zusammensetzungen des Betons und der physikalische Zustand des Betons eine zu vernachlässigende Rolle für die Erfassung des Magnetfeldes und somit für die Auswertung.
Der magnetische Korrosionssensor ist sehr robust aufgebaut. Es sind keine besonderen Schutzmaßnahmen für den Einbau und das Betonieren erforderlich. Der erfindungsgemäße magnetische Korrosionssensor kann daher sehr wirtschaftlich hergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der einfachen und zuverlässigen Bestimmung und Überwachung des Korrosionsfortschrittes für in einem nicht ferromagnetischen Material eingebettete ferromagnetische Bewehrungen, durch die Realisierung der folgenden Verfahrensschritte:

- Einbettung eines Korrosionssensors mit einem Korrosionsstab und einem Referenzstab mit jeweils an den Stabenden angeordneten Permanentmagneten in ein nicht ferromagnetisches Material,
- Erfassen des Magnetfeldes von dem Korrosionsstab und dem Referenzstab mithilfe eines Magnetfeldscanners an der Oberfläche des nicht ferromagnetischen Materials,
- Vergleichen des von dem Magnetfeldscanner erfassten Signals des Korrosionsstabes mit dem Signal des Referenzstabes,
- Ermittlung des Korrosionsfortschritts durch Auswertung der erfassten Signale.

Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht in der effektiven Erfassung des Magnetfeldes, welche über die magnetische Flussdichte und/oder die magnetische Feldstärke und/oder die magnetische Kraft von Korrosionsstab und Referenzstab und/oder das Streufeld der Permanentmagnete erfolgt. Das Monitoring des Magnetfeldes geschieht zerstörungsfrei mit sehr wenig Aufwand. Eine wiederholende Untersuchung kann zum Beispiel jährlich erfolgen, indem die Messergebnisse zur Ermittlung der Zustandsveränderung miteinander verglichen werden. Die Auswertung des Korrosionsfortschritts erfolgt automatisch in einem Anzeigegerät. Deshalb ist keine Expertise für das Monitoring erforderlich.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 den konstruktiven Aufbau des erfindungsgemäßen magnetischen Korrosionssensors,
2 die Positionierung des erfindungsgemäßen magnetischen Korrosionssensors,
3 das Monitoring des Korrosionsfortschrittes mittels Sensorwagen,
4 den Verlauf der magnetischen Flussdichte von einem nicht korrodierten Stab,
5 den Verlauf der magnetischen Flussdichte eines korrodierten Stabes.

Wie aus 1 zu ersehen ist, umfasst der magnetische Korrosionssensor einen ungeschützten Korrosionsstab 1 und einen geschützten Referenzstab 2. Jeweils an den Enden des Korrosionsstabes 1 und des Referenzstabes 2 sind stabförmige Permanentmagnete 3 angeordnet. Der Korrosionsstab 1 sowie der Referenzstab 2 ist mit einem Befestigungsrahmen 4 verbunden.
Der ungeschützte Korrosionsstab 1 und der geschützte Referenzstab 2 sind identisch bis auf den Unterschied, dass der geschützte Referenzstab 2 gegen Korrosion mit einer Schutzschicht, beispielsweise aus Epoxidharz, an der Oberfläche angestrichen ist. Beide Stäbe 1, 2 liegen parallel zueinander. An beiden Enden der Stäbe 1, 2 sind Permanentmagnete 3 beispielsweise mit Epoxidharz oder Montagekleber fest angeklebt. Die Oberflächen der Magnete 3 sind mit einer Schutzschicht gegen Korrosion versehen. Die Permanentmagnete 3 sind so angeordnet, dass ein Ende des jeweiligen Stabes 1, 2 einen Nordpol, das andere Ende einen Südpol hervorruft. Der Korrosionsstab 1 und der Referenzstab 2 sind in der Mitte gebogen und an dem Befestigungsrahmen fest montiert. Der Befestigungsrahmen 4 wird an Bewehrungen 5 auf der Baustelle fixiert, wie aus 2 zu ersehen ist. Es ist vorteilhaft, den magnetischen Korrosionssensor an der Stelle zu installieren, wo eine besondere Korrosionsgefährdung vermutet werden kann bzw. eine statisch relevante Bedeutung vorhanden ist. Der Scheitelpunkt 7a der Biegung 7 des Korrosionssensors ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel 1 cm bis 2 cm von der Betonoberfläche entfernt angeordnet.
Wie in 3 dargestellt, ist ein Magnetfeldscanner, im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Sensorwagen 8 mit Rädern 8a auf der Oberfläche des Betons 6 angeordnet und mit Wegaufnehmer, einem Sensor-Array 9 sowie einer Steuereinheit mit drahtloser Kommunikationsfunktion ausgerüstet.
Der Wegaufnehmer misst den zurückgelegten Weg durch das Rad 8a. Das Sensor-Array 9 weist Magnetfeldsensoren auf, die entlang einer Linie positioniert sind. Die Steuereinheit verstärkt und digitalisiert die Signale aus dem Sensor-Array 9 und sendet die Messdaten an ein Anzeigegerät 10 über Funk. Das Anzeigegerät 10 kann ein Computer oder ein Smartphone (Mobile Device)sein, welche über eine Funkverbindung und angemessene Rechen- und Anzeigeleistung verfügen. Das Anzeigegerät 10 zeigt das Messergebnis beispielsweise in einer eindimensionalen Kurve oder in einem zweidimensionalen Magnetbild an.
Das Verfahren zur Bestimmung der Korrosionsfortschritte erfolgt wie folgt.
Der Korrosionssensor wird an der Oberflächenbewehrung montiert und einbetoniert. Die Tiefe des Gipfels bzw. des Scheitelpunktes 7a des Korrosionssensors liegt im Bereich von 0,5 cm bis 10 cm. Für eine optimale Bestimmung des Korrosionszustandes empfiehlt sich diese Tiefe im Bereich von 1 cm bis 3 cm und beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 2 cm.
Wenn Korrosion verursachende Medien, wie Chloride, Säuren an den Scheitelpunkt 7a des Korrosionssensors gelangen, fängt der ungeschützte Korrosionsstab 1 an zu korrodieren. Je nach Eindringtiefe der Korrosion verursachenden Medien wird der Korrosionsstab 1 bis zur dementsprechenden Tiefe korrodieren. Im Gegenteil dazu wird der geschützte Referenzstab 2 unversehrt bleiben. Da der Korrosionsstab 1 aus demselben Stahl wie die normale Bewehrung 5 besteht und im selben Beton 6 eingebaut wird, simuliert der Korrosionsstab 1 praktisch den gleichen Korrosionsvorgang, welcher später in der Bewehrung 5 stattfinden wird.
Der handliche Magnetfeldscanner fährt im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Sensorwagen 8 auf der Betonoberfläche quer zu dem Korrosions- und Referenzstab 1, 2 und erfasst das Magnetfeld auf der Oberfläche des Betons 6. Mithilfe der Permanentmagnete 3 fungieren die Stäbe 1, 2 wie Stabmagnete. Wenn der Stab nicht korrodiert ist, bilden sich ein Nordpol und ein Südpol an den Enden des Stabes 1, 2. Diese Variante ist in 4 dargestellt. Wenn der Stab korrodiert ist, entsteht ein zusätzliches Paar von Nordpol und Südpol an der Korrosionsstelle, wie in 5 zu ersehen ist. Das Magnetfeld von dem Korrosionsstab 1 und dem Referenzstab 2 wird mithilfe des Magnetfeldscanners erfasst und im Anzeigegerät 10 ausgewertet. Das Signal des Korrosionsstabs 1 wird mit dem Signal des geschützten nicht korrodierten Referenzstabs 2 verglichen. Dadurch wird die Aussagegenauigkeit erhöht.
Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Merkmale und Verfahrensschritte. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der genannten Mittel und Merkmale sowie Verfahrensschritte weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Korrosionsstab
2: Referenzstab
3: Permanentmagnet
4: Befestigungsrahmen
5: Bewehrung
6: nicht ferromagnetisches Material, Beton
7: der Biegung
7a: Scheitelpunkt
8: Sensorwagen
8a: Räder
9: Sensor-Array
10: Anzeigegerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008050478 A1 [0004]

Claims

Korrosionssensor zur Bestimmung und Überwachung des Korrosionsfortschritts für in einem nicht ferromagnetischen Material (6) eingebettete ferromagnetische Bewehrungen (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Korrosionssensor einen Korrosionsstab (1) und einen Referenzstab (2) aufweist, wobei Korrosionsstab (1) und Referenzstab (2) geometrisch identisch gestaltet ausgebildet sind und aus dem gleichen Material wie die Bewehrungen (5) bestehen und an den Stabenden Permanentmagnete (3) angeordnet sind und der Referenzstab (2) eine Schutzschicht gegen Korrosion aufweist.
Korrosionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Bewehrungen (5), eines Befestigungsrahmens (4), des Korrosionsstabes (1) und des Referenzstabes (2) Baustahl und das nicht ferromagnetische Material (6) Beton ist.
Korrosionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrosionsstab (1) und der Referenzstab (2) parallel zueinander angeordnet sind.
Korrosionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (3) als Stabmagnete ausgebildet und derart angeordnet sind, dass ein Ende des jeweiligen Stabes (1, 2) einen Nordpol und das andere Ende einen Südpol hervorruft.
Korrosionssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrosionsstab (1) und der Referenzstab (2) in der Mitte gebogen ausgebildet sind, wobei in eingebettetem Zustand der Scheitelpunkt (7a) der Biegung (7) den geringsten Abstand zur Oberfläche des nicht ferromagnetischen Materials (6) aufweist.
Korrosionssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt (7a) der Biegung (7) und der Oberfläche des nicht ferromagnetischen Materials (6) im Bereich von 0,5 cm bis 10 cm liegt und vorzugsweise 1 cm bis 3 cm beträgt.
Verfahren zur Bestimmung und Überwachung des Korrosionsfortschritts für in einem nicht ferromagnetischen Material eingebettete ferromagnetische Bewehrungen umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Einbettung eines Korrosionssensors mit einem Korrosionsstab und einem Referenzstab mit jeweils an den Stabenden angeordneten Permanentmagneten in ein nicht ferromagnetisches Material, - Erfassen des Magnetfeldes von dem Korrosionsstab und dem Referenzstab mithilfe eines Magnetfeldscanners an der Oberfläche des nicht ferromagnetischen Materials, - Vergleichen des von dem Magnetfeldscanner erfassten Signals des Korrosionsstabes mit dem Signal des Referenzstabes, - Ermittlung des Korrosionsfortschritts durch Auswertung der erfassten Signale.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung des Magnetfeldes über die magnetische Flussdichte und/oder die magnetische Feldstärke und/oder die magnetische Kraft von Korrosionsstab und Referenzstab und/oder das Streufeld der Permanentmagnete erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem korrodierten Korrosionsstab ein zusätzliches Paar von Nordpol und Südpol an der Korrosionsstelle erfasst und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung des Magnetfeldes mit einem Magnetfeldscanner in Form eines Sensorwagens mit Sensor-Array oder eines Handgerätes erfolgt.