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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung und Vermeidung von Korrosion einer Bewehrung aus Metall, die in einem Betonelement eingebettet ist, wobei einem Bereich um die Bewehrung eine Chloridionenkonzentration reduziert wird, indem ein die Chloridionen von der Bewehrung weg verlagernder Stromfluss zwischen der Bewehrung und einer außerhalb des Betonelements angeordneten Elektrodenvorrichtung erzeugt wird, wobei die Bewehrung des Betonelements und die Elektrodenvorrichtung elektrisch leitend mit einer Spannungserzeugungsvorrichtung verbunden sind und während eines Behandlungsschritts mit der Spannungserzeugungsvorrichtung eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Bewehrung und der Elektrodenvorrichtung vorgegeben wird, wobei die Elektrodenvorrichtung mindestens eine Elektrode aufweist, die in einem dem Behandlungsschritt vorausgehenden Montageschritt beabstandet zu einer Außenfläche des Betonelements angeordnet wird, und in einem Verfüllungsschritt ein Zwischenraum zwischen der mindestens einen Elektrode und der Außenfläche des Betonelements mit einem elektrisch leitenden Kontaktvermittlungsmaterial verfüllt wird, um einen elektrischen Widerstand zwischen der Außenfläche des Betonelements und der mindestens einen Elektrode zu verringern.
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Beton, darunter insbesondere bewehrter oder verstärkter Beton ermöglichte und ermöglicht weiterhin die Träume von Architekten umzusetzen und immer größere und technisch anspruchsvollere Bauwerke zu errichten. Mit Metallen wie Eisen- oder Stahl bewehrter Beton vereinen dabei die Druck- und Zugfestigkeit der beiden Materialien Metall und Beton. Bedingt durch den hohen pH-Wert des im Beton enthaltenen Wassers wird in dem Inneren angeordnetes Metall von einer entstehenden Metalloxidschicht auf der Oberfläche der Bewehrung vor Korrosion und damit vor der Beschädigung bewahrt. Denn mit der Schädigung der Bewehrung geht zugleich eine Schädigung des Betons einher, wodurch im schlimmsten Fall die Stabilität eines Bauwerks geschädigt werden kann, was bis hin zum Kollaps des gesamten Bauwerks führen kann.
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Für die Zerstörung dieser Passivierungsschicht aus Metalloxiden kommen mehrere Ursachen in Frage. Durch eine Carbonisierung, d.h. der Umwandlung von Calciumhydroxid, welches hauptursächlich für das alkalische Milieu innerhalb des Betons ist, in Calciumcarbonat durch Wasser und Kohlenstoffdioxid aus der Luft sinkt der pH-Wert, was eine Reduzierung oder schlimmstenfalls eine Auflösung der Passivierungsschicht der Bewehrung nach sich zieht. Als Hauptursache jedoch für die Zerstörung dieser schützenden Passivierungsschicht kann der Eintrag von Chloridionen zum Beispiel durch Diffusion in den Beton angesehen werden.
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Für bewehrten Beton können hauptsächlich drei Verfahren Anwendung finden, welche durch Chloridionen verursachte Schäden verhindern oder bereits entstandene Schäden reparieren können. Vorbeugend vor Schäden kann der bewehrte Beton mit einem kathodischen Korrosionsschutz versehen werden, wobei eine Opferelektrode oder eine permanente angelegte Spannungsquelle mit einer inerten Anode den bewehrten Beton vor Korrosion schützt. Dieses Verfahren jedoch ist besonders aufwendig sowie wartungs- und kostenintensiv. Eine Abtragung von bereits beschädigten und mit Chloridionen versetzen Bereichen ist zu einem invasiv und aufwendig und es entsteht das Problem der Anbindung von neu aufgetragenem Beton an Bereiche mit älteren Betonschichten. Weiterhin kann durch einen wasserundurchdringlichen Überzug, welcher auf die Oberfläche des bewehrten Betons aufgetragen wird, die kathodische Reduktion von Sauerstoff in Gegenwart von Wasser verhindert werden, in Folge dessen die Korrosion nachlässt. Dies ist zusätzlich durch ein Korrosionsmonitoring zu überwachen, was zu zusätzlichen laufenden Kosten führt.
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Als weitere Möglichkeit kann eine elektrochemische Chloridextraktion angewendet werden um schädigende Chloridionen aus einem Bereich um die Bewehrung eines Betonelements zu entfernen. Hierbei wird für einen zeitlich begrenzten Rahmen durch eine angelegte elektrische Spannung zwischen der Bewehrung als Kathode und einer weiteren außerhalb des Betonelements angeordneten Elektrodeneinrichtung als Anode eine Migration von Chloridionen aus dem Beton in Richtung der Elektrodeneinrichtung ermöglicht. Die Chloridionen werden dabei von der negativ geladenen Kathode abgestoßen und migrieren in Richtung der positiv geladenen Anode. Hierbei wird vorteilhafterweise der gesamte bewegliche Gehalt an Chloridionen aus dem Beton entfernt. Durch die Diffusion von Chloridionen in das Betonelement gebildete chloridhaltige multinäre Salz das sogenannten Friedelsche Salz bleibt dabei unbeweglich und kann nicht über eine elektrochemische Extraktion entfernt werden. Dabei wird allgemein angenommen, dass derart gebundenes Chlorid nicht zu der Korrosion der Bewehrung beiträgt. Es ist jedoch zu beachten, dass das Chlorid in dem Friedelschen Salz durch eine fortschreitende Carbonisierung mit Carbonat substituiert wird und die Chloridionen damit wieder in einer mobilen und korrosionsfördernden Form vorliegen können.
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Die über eine Spannungserzeugungseinrichtung angelegte Spannung zwischen der Kathode und der Anode kann typischerweise zwischen 30 V und 48 V mit einer Stromdichte von bis zu 10 A/m2 im Beton liegen. Diese Methode funktioniert wie eine temporäre Form des kathodischen Korrosionsschutzes mit höheren Spannungen und Stromdichten. Dabei wird über einen vordefinierten Zeitraum von Tagen oder Wochen eine Spannung während eines Behandlungsschritts angelegt, wobei mehrere durch eine Pausenphase unterbrochene Zyklen aneinandergefügt werden können.
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Als herausfordernd stellt sich eine geeignete Anbindung zwischen der Elektrodenvorrichtung und der Oberfläche des Betons auf Grund seiner oft rauen und porösen Oberflächenbeschaffenheit dar. Für eine optimale Chloridionenmigration ist die Anbindung der Elektrodenvorrichtung auf die Betonoberfläche möglichst flächenmäßig groß zu gestalten. Aus dem Stand der Technik sind mehrere Lösungsansätze für derartige Kontaktvermittlungsmaterial bekannt, welche jedoch meist über den Verlauf des Behandlungsschritts austrocknen und durch den Verlust von Feuchtigkeit des Kontaktvermittlungsmaterials der elektrische Widerstand ansteigt. Um über die Behandlungsdauer einen möglichst gleichbleibenden Stromfluss zu ermöglichen ist es deshalb erforderlich, das Kontaktvermittlungsmaterial ständig nachträglich erneut zu befeuchten. Bekannt ist unter anderem die Verwendung von verschieden zusammengesetzten Mörteln, welche eine leitfähige Komponente aufweisen. In der Patentschrift
ES 2292353 A1 ist ein derartiger Mörtel offenbart. Weiterhin sind mit wässrigen Salzlösungen getränkte Vlies- oder Cellulosematerialien bekannt, welche jedoch häufig Inhomogenitäten und/oder Instabilität unter den gegebenen Bedingungen oder den Verlust von Wasser aufweisen, wie es beispielsweise in der Patentanmeldung
WO 93/21130 A1 thematisiert ist.
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Eine unzureichende Anbindung der Oberfläche des Betons und der Elektrodeneinrichtung kann einerseits zu einer lokal verstärkten Entstehung von korrosionsförderndem Wasserstoff und andererseits zu einem Absinken des pH-Werts führen, wodurch an dem ohnehin durch Korrosion vorgeschädigten Betonelement weitere Schäden auftreten können.
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Als Aufgabe der Erfindung wird es deshalb angesehen, dass ein Verfahren zur Reduzierung und Vermeidung von Korrosion einer von einem Betonelement umhüllter Bewehrung aus Metall bereitgestellt wird, wobei eine elektrisch leitende Anbindung zwischen der Oberfläche des Betonelements und der Elektrodeneinrichtung in möglichst einfacher und effizienter Weise erreicht werden kann.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem Verfüllungsschritt der Zwischenraum mit einem elektrisch leitenden Hydrogel als Kontaktvermittlungsmaterial befüllt wird, wobei das Hydrogel während des Behandlungsschritts nicht nachträglich befeuchtet wird. Vorzugsweise weist das Kontaktvermittlungsmaterial eine gleichbleibende hohe Leitfähigkeit und eine optimale Benetzung der gegebenenfalls rauen oder porösen Betonoberfläche auf. Für eine gleichbleibende Leitfähigkeit ist das Kontaktvermittlungsmaterial vorzugsweise unter den gegebenen Bedingungen des Verfahrens wie dem Stromfluss und in Kontakt mit Chloridionen stabil und weist einen nur insignifikanten Verlust von Wasser auf.
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Unter einem Hydrogel wird ein hydrophiles Gel aus einem wasserunlöslichen polymeren Netzwerk verstanden. Das Hydrogel ist daher in der Lage Wassermoleküle zu binden und unter einer Zunahme des eigenen Volumens aufzuquellen, ohne jedoch eine strukturelle Änderung des polymeren Netzwerks zu vollziehen. Das polymere Netzwerk kann dabei auch ein Superabsorber sein. Durch die Hydrophilie des Hydrogels kann das Hydrogel das gebundene Wasser unter geeigneten Bedingungen für mehrere Wochen binden, ohne dass eine erneute Zugabe on Wasser nötig ist.
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Durch die Verwendung eines Hydrogels zur leitfähigen Anbindung der Betonoberfläche mit der Elektrodenvorrichtung kann eine zeitlich lange Behandlungsdauer von mehreren Wochen in dem Behandlungsschritt erreicht werden, ohne dass eine signifikante Menge des in dem Hydrogel gebundenen Wassers aus der Struktur entweicht. Ein möglichst gleichbleibender Wassergehalt in dem verwendeten Hydrogel geht mit einer gleichbleibenden hohen Leitfähigkeit sowie einem gleichbleibenden Widerstand einher. Somit kann mit einer gleichbleibenden und hohen Chloridionenmigration aus dem Bereich der Bewehrung des Betonelements in das Hydrogels eine gleichbleibende und effektive Entfernung der Chloridionen aus dem Betonelement erreicht werden. Die Leitfähigkeit von Hydrogelen kann durch die Ketten-Ketten-Wechselwirkungen entweder aufgrund der Viskosität bei hohen Frequenzen oder der Kation-Anion-Wechselwirkung bei niedrigen Frequenzen beeinflusst werden. Weiterhin kann die elektrochemische Chloridionenmigration bei niedrigeren Spannungen durchgeführt werden als bei konventionellen Kontaktvermittlungsmaterialien, was den Prozess nicht nur sicherer in der Anwendung macht, sondern auch wirtschaftlicher ist.
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Durch den nur insignifikanten Wasserverlust aus dem Hydrogel kann der Behandlungsschritt somit durchgeführt werden, ohne dass eine regelmäßige Wartung, Austausch, Befeuchtung oder anderweitige Instandsetzungen des Hydrogels durchgeführt werden müssen. Dies senkt neben den Wartungs- und Betriebskosten während des Behandlungsschritts ebenfalls die Gesamtkosten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Hydrogele weisen darüber hinaus eine hohe Biokompatibilität und meist keine oder nur eine geringe Toxizität auf und sind damit für den Anwender einfach und sicher in der Handhabung. Das erfindungsgemäße Hydrogel kann mit einem handelsüblichen, nichtionischen Gelbildner ohne Verlust der Gesamtleistung verdünnt werden. Darüber hinaus sind Hydrogele wie Gelbildner kostengünstig in der Herstellung sowie in der Anschaffung.
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Die Verwendung eines Hydrogels ermöglicht weiterhin eine optimale Anhaftung und optimale Anbindung an die poröse Oberfläche des Betonelements. Durch die wässrige Beschaffenheit des Hydrogels kann sich das Hydrogel optimal an die raue und oft zerklüftete Oberfläche es Betonelements anpassen und diese nahezu komplett bedecken. Das Hydrogel kann somit für einen vollständigen und homogenen Kontakt sorgen, um einen elektrischen Widerstand zwischen der Außenfläche des Betonelements und der mindestens einen Elektrode zu verringern und dabei das Auftreten von Inhomogenitäten in der Stromverteilung in der Fläche zu minimieren. Neben der Anbindung an die Oberfläche des Betonelements ermöglicht die Beschaffenheit des Hydrogels darüber hinaus auch eine optimale und vollständige Ummantelung der mindestens einen Elektrode und damit eine möglichst große Anbindungsfläche der mindestens einen Elektrode mit der Oberfläche des Betonelements. Somit kann erreicht werden, dass eine möglichst große Anzahl von Chloridionen aus einem Bereich der Bewehrung des Betonelements in Richtung der Elektrodenvorrichtung und damit in das Hydrogel migrieren kann.
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Durch die Verwendung eines Hydrogels als Kontaktvermittlungsmaterial kann das Hydrogel auf die Oberfläche des Betonelements aufgetragen werden und haftet an der Silikatoberfläche des Betons an. Somit ist ebenfalls eine Auftragung des Hydrogels auf geneigten oder vertikalen Flächen wie beispielsweise Decken möglich. Auf diese Weise kann auf eine aufwendige Konstruktion oder Zusatz verzichtet werden, welche das Hydrogel an der Oberfläche des Betonelements während der Auftragung hält oder die Anhaftung erst ermöglicht. Somit ist es möglich, dass zuerst das Hydrogel auf die Oberfläche des Betonelements angeordnet wird und die mindestens eine Elektrode nachfolgend in das aufgetragene Hydrogel eingedrückt wird und dort festgelegt werden kann. Die mindestens eine Elektrode kann anschließend mit weiterem Hydrogel bedeckt und eingehüllt werden um eine möglichst optimale und großflächige Anbindung zu erreichen. Durch den stark alkalischen pH-Wert des Hydrogels kann der säurebedingten Korrosion der Betonoberfläche vorgebeugt und diese reduziert beziehungsweise verhindert werden. Hydroxidionen enthaltende Hydrogele können darüber hinaus durch Diffusion getrieben Hydroxide aus dem Hydrogel durch Carbonationen aus dem Betonelement substituieren, wodurch zumindest oberflächlich einer fortschreitende Carbonisierung des Betonelements vorgebeugt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass in einem dem Verfüllungsschritt vorausgehenden Verschalungsschritt eine Verschalung zur Umhüllung des die Bewehrung einhüllenden Betonelements errichtet wird, sodass der entstehende Zwischenraum zwischen der Oberfläche des Betonelements und der Verschalung mit dem Kontaktvermittlungsmaterial verfüllt werden kann.
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Für eine einfache Handhabung und Auftragung insbesondere von großen Mengen an Hydrogel kann eine Verschalung eingesetzt werden. Dabei kann ein einem Verschalungsschritt eine das zu schützen Betonelement vollständig oder teilweise umhüllende Verschalung errichtet werden. Die Verschalung kann in einem geeigneten Abstand zu der Oberfläche des Betonelements angebracht werden, sodass in dem, dem Verschalungsschritt nachfolgenden Verfüllungsschritt das Hydrogel in einfacher Weise in den Zwischenraum zwischen der Oberfläche des Betonelements und der Verschalung verfüllt werden kann. Das Hydrogel kann dabei als fertiges Hydrogel oder in Form der für die Darstellung verwendeten Monomere verfüllt werden und erst nach dem Auftragen polymerisieren.
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Die Verschalung kann aus einem formstabilen und für das verwendete Hydrogel undurchlässigen Material realisiert sein. Darunter fallen beispielsweise Verschalungen aus Holz, Kunststoffen oder anderweitig Materialen als elektrische Isolatoren oder Materialien mit einer geeigneten Bandlücke. Eine Verschalung aus einem nicht leitenden Material kann neben der als Form wirkenden Komponente einen wirksamen Schutz vor der angelegten Spannung während des Behandlungsschritts dienen.
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Vorzugsweise kann die Elektrodenvorrichtung vor der Verfüllung des Zwischenraums in dem Zwischenraum angeordnet werden, sodass diese nach dem Verfüllen mit dem Hydrogel vollständig umhüllt und elektrisch leitfähig mit der Oberfläche des Betonelements verbunden ist. Der Zwischenraum kann dabei vollständig oder nur teilweise mit dem Hydrogel verfüllt werden. Weiterhin kann der Zwischenraum auch mit einer Mischung zweier oder mehrerer Hydrogele und oder Zusätze wie Gelbildnern verfüllt werden.
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Neben isolierenden Materialien als Verschalung kann die Verschalung auch aus einem leitfähigen Material aufgebaut sein, wodurch die Verschalung als Elektrodenvorrichtung und damit als positiv geladene Anode geschalten werden kann. Dies ermöglicht eine einfache Anordnung der Anode, welche während des Verfüllungsschritts ihre Position beibehält und nicht verrutschen kann.
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Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass in dem Montageschritt die Spannungserzeugungseinrichtung mit einem Pol der Bewehrung als Kathode und mit einem Pol der Elektrodenvorrichtung als Anode verbunden wird, sodass die Kathode und die Anode über den Beton und das Hydrogel elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
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Die Verbindung der Spannungserzeugungseinrichtung mit der Kathode und der Anode kann vor dem Verfüllungsschritt oder nach dem Verfüllungsschritt erfolgen. Die als Kathode geschaltete Bewehrung oder die als Anode geschalte Elektrodenvorrichtung kann dabei mit einem Pol, oder wenn die gewünschte Stromdichte nicht erreicht werden kann mit mehreren Polen mit der Spannungserzeugungseinrichtung verbunden sein.
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Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass das Kontaktvermittlungsmaterial während des Behandlungsschritts in einem von der Verschalung umschlossenen Bereich belassen wird.
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Für eine optimale Extraktion von Chloridionen aus dem Bereich um die Bewehrung eines Betonelements weist das verwendete Kontaktvermittlungsmaterial eine gleichbleibende elektrische Leitfähigkeit und einen gleichbleibenden Widerstand auf. Hydrogele sind durch Ihre Struktur in der Lage Wasser in großen Mengen in der Struktur einzulagern und zu binden. Somit kann bei der Verwendung von Hydrogelen durch den nur insignifikanten Wasserverlust auch innerhalb von mehreren Wochen eine gleichbleibende Leitfähigkeit erhalten werden. Somit kann das in dem Zwischenraum zwischen der Oberfläche des Betonelements und der Verschalung verfüllte Hydrogel selbst bei mehreren während des Behandlungsschritts durchgeführten Zyklen in dem Zwischenraum belassen werden, ohne dass ein Austausch auf Grund eines Wasserverlust von Nöten wäre. Dadurch können nicht nur die Wartungskosten, sondern auch die Personalkosten geringgehalten werden, da innerhalb des gesamten Behandlungsschritts weder ein Austausch noch ein Bewässern des Hydrogels durchgeführt werden muss.
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Es ist auch möglich und erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass in den Behandlungsschritt zwischen der Kathode und der Anode eine elektrische Spannung für einen Zeitraum von mehr als 7 Tagen und vorzugsweise zwischen 7 Tagen und 28 Tagen angelegt wird. Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Hydrogels auch über einen derart langen Behandlungszeitraum keine störende Veränderung der Eigenschaften des Hydrogels auftritt und eine im Wesentlichen gleichbleibende elektrische Leitfähigkeit erwartet werden kann, sodass sich der während der Behandlungsdauer erzwungene Stromfluss ebenfalls nicht oder nur geringfügig verändert, obwohl das Kontaktvermittlungsmaterial nicht mehr befeuchtet oder anderweitig nachträglich behandelt werden muss. Auf diese Weise kann ohne einen größeren Wartungsaufwand eine ausreichend lange Behandlungsdauer vorgegeben werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren sehr kostengünstig und wirtschaftlich durchgeführt werden kann.
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Zwischen der Elektrodenvorrichtung als Anode und der Bewehrung des Betonelements als Kathode kann während des Behandlungsschritts eine elektrische Spannung angelegt werden. Der Behandlungsschritt bezeichnet dabei die gesamte Zeitdauer der Behandlung des Betonelements, wobei die Behandlungsdauer auch mehrere Zyklen aufweisen kann, welche von Ruhephasen unterbrochen sind, in welchen keine Spannung zwischen der Kathode und der Anode angelegt ist. Vorzugsweise weist dabei ein Zyklus eine Zeitdauer zwischen 7 und 28 Tagen auf, wobei der Zyklus insbesondere eine Zeitdauer von 14 bis 21 Tagen aufweist. Die Ruhephasen zwischen den einzelnen Zyklen können dabei insbesondere 7 Tage betragen.
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Des Weiteren ist es möglich und erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass die elektrische Spannung in dem Behandlungsschritt zwischen 1 V und 48 V vorgegeben wird.
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Die Verwendung eines Hydrogels als Kontaktvermittlungsmaterial ermöglicht es in dem Behandlungsschritt, auf Grund der hohen Leitfähigkeit des Hydrogels, die Extraktion der Chloridionen bereits mit einer geringen Spannung zu betreiben. Vorzugsweise beträgt die zwischen der Kathode und der Anode angelegte Spannung zwischen 1 V und 48 V. Die angelegte Spannung kann so verändert werden, dass die Spannung bei jedem Zyklus einen anderen Wert aufweist, oder die Chloridionenextraktion mit einem konstanten Spannungswert während aller Zyklen betrieben wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die elektrische Spannung in dem Behandlungsschritt über den Zeitraum der Behandlung konstant gehalten wird.
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Die Spannung kann während es Behandlungsschritts über einen oder mehreren Zyklen konstant gehalten werden. Auf Grund der hohen Leitfähigkeit des Hydrogels welche auch über mehrere Wochen stabil bleibt, ist keine Nachregelung der Spannung von Nöten um eine gleichbleibende Chloridionenmigration aus dem Betonelement in Richtung der Anode zu ermöglichen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Korrosionsschutzanordnung zur Reduzierung und Vermeidung von Korrosion einer Bewehrung aus Metall, die in einem Betonelement eingebettet ist, wobei in einem Bereich um die Bewehrung eine Chloridionenkonzentration reduziert wird, indem ein die Chloridionen von der Bewehrung weg verlagernder Stromfluss zwischen der Bewehrung und einer außerhalb des Betonelements angeordneten Elektrodenvorrichtung erzeugt wird, wobei die Bewehrung des Betonelements und die Elektrodenvorrichtung elektrisch leitend mit einer Spannungserzeugungseinrichtung verbunden sind und mit der Spannungserzeugungseinrichtung eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Bewehrung und der Elektrodenvorrichtung vorgegeben wird, wobei die Elektrodenvorrichtung mindestens eine Elektrode aufweist, die beabstandet zu einer Außenfläche des Betonelements angeordnet ist, und ein Zwischenraum zwischen der mindestens einen Elektrode und der Außenfläche des Betonelements mit einem elektrisch leitenden Kontaktvermittlungsmaterial verfüllt ist, um einen elektrischen Widerstand zwischen der Außenfläche des Betonelements und der mindestens einen Elektrode zu verringern.
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Aus der Praxis sind, wie bereits eingangs beschrieben, verschiedene Korrosionsschutzanordnungen bekannt, welche eine Vorrichtung zur Reduzierung und Vermeidung von Korrosion einer Bewehrung aus Metall in einem Betonelement thematisieren. Insbesondere die Diffusion von Chloridionen in das Betonelement kann durch die Zerstörung der Passivierungsschicht der Metallbewehrung zu einer Schädigung der Bewehrung und damit zu einer Beschädigung des die Bewehrung umgebenden Betonelements führen. Durch das Anlagen einer elektrischen Spannung zwischen der Bewehrung als Kathode und einer externen Elektrodenvorrichtung als Anode können Chloridionen durch Migration aus einem Bereich um die Bewehrung in Richtung der Elektrodenvorrichtung und damit aus einem Bereich um die Bewehrung wandern. Zur Kontaktierung der externen Elektrodenvorrichtung ist zwischen der Elektrodenvorrichtung und der Oberfläche des Betonelements ein leitfähiges Kontaktvermittlungsmaterial angeordnet, wodurch eine geeignete Anbindung der Elektrodenvorrichtung an die Betonelementoberfläche erreicht werden kann.
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Als Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird es deshalb angesehen eine Korrosionsschutzanordnung für die Bewehrung eines Betonelements bereitzustellen, welche einfach und nur mit geringen Modifikationen einen wirksamen Korrosionsschutz bietet.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Kontaktvermittlungsmaterial ein Hydrogel ist. Unter einem Hydrogel wird ein hydrophiles Gel aus einem wasserunlöslichen polymeren Netzwerk verstanden. Das Hydrogel ist daher in der Lage Wassermoleküle zu binden und unter einer Zunahme des eigenen Volumens aufzuquellen, ohne jedoch eine strukturelle Änderung des polymeren Netzwerks zu vollziehen. Das polymere Netzwerk ist dabei in der Lage das gebundene Wasser über einen Zeitraum von mehreren Wochen zu binden. Im Gegensatz zu anderen konventionellen Kontaktvermittlungsmaterialien muss das Hydrogel während der Verwendung nicht angefeuchtet werden und behält dennoch durch einen nur insignifikanten Verlust von Wasser seine hohe Leitfähigkeit bei. Dies ermöglicht es eine gleichbleibende Chloridionenextraktion zu erreichen, ohne dass eine Nachregelung der Spannung über den Zeitraum der Extraktion von Nöten ist.
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Durch die wässrige Beschaffenheit des Hydrogels kann sich das Hydrogel darüber hinaus optimal an die raue und oft zerklüftete Oberfläche des Betonelements anpassen und diese nahezu komplett bedecken. Weiterhin ist durch die Verwendung eines geeigneten Hydrogels auch eine Auftragung auf schräge oder vertikale Flächen möglich, wobei das geeignete Hydrogel auf der Oberfläche anhaftet.
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Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass die Verschalung Polycarbonat aufweist. Für die Aufbringung des Hydrogels auf die Oberfläche des Betonelements kann eine Verschalung an dem Betonelement angeordnet sein. Die Verschalung ist dabei vorzugsweise aus einem für das Hydrogel undurchlässigen Material ausgebildet, sodass das Hydrogel in dem durch die Verschalung und der Oberfläche des Betonelements ausgebildeten Zwischenraum angeordnet werden kann. Die Verschalung ist vorzugsweise aus einem Polycarbonat ausgebildet. Durch Ihre Beständigkeit gegenüber Wasser und vielen anderen Verbindungen und Lösungen sind Polycarbonate als Verschalung geeignet, welche von dem Hydrogel und gegebenenfalls weiteren in dem Hydrogel zugesetzten Zusätzen nicht angegriffen oder zersetzt werden. Verschalungen aus Polycarbonat weisen neben einer hohen Härte und Festigkeit auch eine gute isolierende Eigenschaft gegenüber elektrischer Spannung auf. Somit kann mit einer Verschalung aus Polycarbonat verhindert werden, dass Personen unbeabsichtigterweise mit dem Hydrogel oder der Elektrodenvorrichtung und damit mit der angelegten Spannung in Berührung kommen können.
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Die Verschalung ermöglicht es insbesondere bei großen Mengen des aufzutragenden Hydrogeles, dass eine schnelle und einfache Anordnung des Hydrogels an der Oberfläche erreicht werden kann. Die Elektrodenvorrichtung kann vorzugweise in dem Zwischenraum angeordnet werden, sodass die Elektrodenvorrichtung in dem Hydrogel eingebettet und von allen Seiten von dem Hydrogel umgeben ist.
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Die Verschalung aus Polycarbonat kann leitfähige Zusätze wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhrchen oder Kohlenstoff aufweisen, sodass die Verschalung als Elektrodenvorrichtung bzw. als Anode geschaltet werden kann. Weiterhin kann das Polycarbonat selbst in dem Polycarbonat eingebettete Elektroden beispielsweise in Form eines Netzes aus geeigneten leitfähigen Metalloxiden aufweisen, wodurch eine einfache Anbringung und Montage der Elektrodenvorrichtung erreicht werden kann.
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Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass das Hydrogel ein Hydroxid aufweist. Beton enthält meist einen alkalischen Puffer, in Form eines Überschusses von Calciumhydroxid, wodurch der Beton einen hohen pH-Wert in den Porenlösungen erhält. Deshalb kann sich in dem alkalischen Milieu auf der Bewehrung ein oxidischer Überzug bilden, welcher die Bewehrung vor Korrosion schützt. Durch das Eindringen von Wasser und Kohlenstoffdioxid wird der Calciumhydroxid des Puffersystems in Calciumcarbonat umgewandelt, wodurch der pH-Wert sinkt und die Passivierungsschicht zerstört wird. Durch die Korrosion wird der Querschnitt der Metallbewehrung verkleinert, wobei die dabei entstehenden Korrosionsprodukte eine Volumenvergrößerung bewirken. Dies kann zu einem Aufsprengen des die Bewehrung umgebenden Betonelements und damit zu seiner Zerstörung führen.
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Hydrogele, welche Hydroxidionen enthalten, können nach der Auftragung auf die Oberfläche dazu führen, dass entstandenes Calciumcarbonat wieder zu alkalischem Calciumhydroxid überführt werden kann und somit das Puffersystem wiederaufgebaut wird. Das Hydrogel kann dabei vorzugsweise als Poly-(acrylamid-co-diallyldimethylammoniumhydroxid) eingesetzt werden.
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Es ist auch möglich und erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass die Elektrodenvorrichtung eine netzartige Struktur aufweist. Die Elektrodenvorrichtung kann eine netzartige Struktur aus einem Metalloxid wie beispielsweise Titanoxid ausgebildet sein, wobei auch andere leitfähige Metalle, Mischverbindungen oder Metalllegierung zum Einsatz kommen können. Die netzartige Struktur kann aus mehreren miteinander verbundenen Litzen bestehen um ein flexibles Netz zu erzeugen, welches einfach an die Gegebenheiten des Betonelements angepasst werden kann. Neben Litzen aus einem leitfähigen Material kann das Netz auch weitere nicht leitfähige Litzen enthalten, welche beispielweise für die Stabilität des Netztes verantwortlich sein können. Die Netzelektrode kann weiterhin einen leitfähigen Überzug aus einem Metall insbesondere aus Platin oder Gold oder einem anderen leitfähigen Element oder Verbindung aufweisen, um die Leitfähigkeit der Elektrode zu ermöglichen oder weiter zu erhöhen.
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Neben der Verwendung einer Elektrodenvorrichtung als netzartige Struktur kann die Elektrodenvorrichtung auch als leitfähige Graphitelektrode, aus Kohlenstoffnanoröhrchen, Metallpulver oder Stahl ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Korrosionsschutzanordnung mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 betrieben wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Reduzierung und Vermeidung von Korrosion einer Bewehrung aus Metall sowie der Korrosionsschutzanordnung zur Reduzierung und Vermeidung von Korrosion einer Bewehrung aus Metall sind anhand der nachfolgenden Abbildungen dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs während eines Behandlungsschritts,
- 3 eine schematische Schnittzeichnung eines Betonelements mit einer innenliegenden Bewehrung, einer Spannungserzeugungsvorrichtung, einer Elektrodenvorrichtung sowie einem Hydrogel,
- 4 eine schematische Schnittzeichnung mit dem Betonelement und der innenliegenden Bewehrung, sowie Verschalung, und
- 5 eine schematische Lewis-Struktur des erfindungsgemäßen Hydrogels.
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In 1 ist das Verfahren zur Reduzierung und Vermeidung von Korrosion einer Bewehrung aus Metall, die in einem Betonelement eingebettet ist schematisch dargestellt.
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Die Figur zeigt die nacheinander folgenden Verfahrensschritte während der Extraktion von Chloridionen aus dem Betonelement. Das Verfahren zur Reduzierung des Chloridgehalts innerhalb eines Bereiches um die Bewehrung des Betonelements beinhaltet dabei einen Montageschritt 1, einen Verfüllungsschritt 2 sowie einen Behandlungsschritt 3.
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In dem Montageschritt 1 wird die Elektrodenvorrichtung beabstandet zu einer Oberfläche des Betonelements angeordnet. Anschließend wird die Spannungserzeugungseinrichtung mit der Elektrodenvorrichtung sowie der Bewehrung des Betonelements verbunden, wobei die Elektrodenvorrichtung als positiv geladene Anode und die Bewehrung als negativ geladene Kathode geschalten ist. In einem nach dem Montageschritt 1 durchgeführten Verfüllungsschritt 2 wird die Oberfläche des Betonelements mit einem Hydrogel als Kontaktvermittlungsmaterial bedeckt, sodass das Kontaktvermittlungsmaterial die Oberfläche des Betonelements und die Elektrodenvorrichtung bedeckt und miteinander verbindet. Durch die hohe Leitfähigkeit des aufgetragenen Hydrogels ist eine geeignete elektrisch leitfähige Anbindung der Betonoberfläche und der Elektrodenvorrichtung ermöglicht. Zwischen dem Montageschritt 1 und dem dem Montageschritt 1 folgenden Verfüllungsschritt 2 kann in einem optionalen Verschalungsschritt eine Verschalung beabstandet zu dem Betonelement angeordnet werden um das Kontaktvermittlungsmaterial in einer einfachen Weise einfüllen zu können.
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In dem dem Verfüllungsschritt 2 nachfolgenden Behandlungsschritt 3 wird zwischen der Anode und der Kathode über die Spannungserzeugungseinrichtung eine Spannung angelegt. Durch die angelegte Spannung migrieren die beweglichen und ungebundenen Chloridionen aus dem Bereich der Bewehrung des Betonelements in Richtung der positivgeladenen Anode in das Hydrogel. Somit kann die durch Chloridionen verursachte Korrosion reduziert werden.
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In 2 ist eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs während des Behandlungsschritts 3 gezeigt. Der schematisch dargestellte Graph zeigt dabei die elektrische Spannung als Funktion der Zeit während des Behandlungsschritts 3. Der Behandlungsschritt 3 weist zwei Zyklen auf, welche von einer Ruhephase 4 unterbrochen sind. In einem ersten Zyklus 5 wird zwischen der Anode und der Kathode eine Spannung vom 30 V für einen Zeitraum von 21 Tagen angelegt, wobei die Spannung über den Zeitraum des ersten Zyklus 5 konstant vorgegeben wird. Während der dem ersten Zyklus 5 nachfolgenden Ruhephase 4 wird die Spannung für einen Zeitraum von 7 Tagen keine Spannung angelegt. Zur vollständigen Migration von Chloridionen aus dem Bereich der Bewehrung des Betonelements wird in einem der Ruhephase 4 folgenden zweiten Zyklus 6 die Spannung über einen Zeitraum von weiteren 21 Tagen auf 40 V vorgegeben.
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In 3 und 4 ist jeweils eine schematische Schnittzeichnung einer Korrosionsschutzanordnung zur Reduzierung und Vermeidung von Korrosion einer Bewehrung 7 aus Metall gezeigt. Die Bewehrung 7 ist dabei in dem Betonelement 8 eingebettet und von diesem umhüllt. In einem Abstand zu dem Betonelement 8 ist eine Elektrodenvorrichtung 9 angeordnet. Die Bewehrung 7 und die Elektrodenvorrichtung 9 ist dabei mit der außerhalb des Betonelements 8 angeordneten Spannungserzeugungseinrichtung 10 verbunden, wodurch zwischen der Bewehrung 7 als Kathode und der Elektrodenvorrichtung 9 als Anode eine Potentialdifferenz in dem Behandlungsschritt 3 vorgegeben werden kann. Die Elektrodenvorrichtung 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Elektrode mit einer netzartigen Struktur ausgestaltet, welche beabstandet zu der Oberfläche des Betonelements 11 angeordnet ist. Um eine leitfähige Verbindung zwischen der netzartigen Elektrodenvorrichtung 9 und der Oberfläche des Betonelements 11 herzustellen ist die Oberfläche des Betonelements 11 mit dem Kontaktvermittlungsmaterial 12 in Form eines Hydrogels 13 bedeckt, wobei das Hydrogel 13 die Oberfläche 11 und die Elektrodenvorrichtung 9 verbindet. Während in 3 das Hydrogel 13 auf die Oberfläche 11 aufgetragen ist und aufgrund seiner Beschaffenheit daran haftet, ist in 4 beabstandet zu der Oberfläche des Betonelements 11 die Verschalung 14 angeordnet, sodass ein Zwischenraum 15 zwischen der Verschalung 14 und der Oberfläche des Betonelements 11 in einfacher Weise mit dem Hydrogel 13 verfüllt werden kann.
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In 5 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemä0en Hydrogels 13 dargestellt. Das dargestellte Hydrogel Poly-(acrylamid-co-diallyldimethylammoniumhydroxid ist ein CoPolymer, welches einen Acrylamidbaustein und einen Diallyldimethylammoniumbaustein aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Montageschritt
- 2
- Verfüllungsschritt
- 3
- Behandlungsschritt
- 4
- Ruhephase
- 5
- Erster Zyklus der Behandlungsphase
- 6
- Zweiter Zyklus der Behandlungsphase
- 7
- Bewehrung
- 8
- Betonelement
- 9
- Elektrodenvorrichtung
- 10
- Spannungserzeugungseinrichtung
- 11
- Oberfläche des Betonelements
- 12
- Kontaktvermittlungsmaterial
- 13
- Hydrogel
- 14
- Verschalung
- 15
- Zwischenraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- ES 2292353 A1 [0007]
- WO 93/21130 A1 [0007]
