DE19634533A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von physikalischen und chemischen Parametern in mineralischen festen Medien - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein zerstörungsarmes Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von physikalischen und chemischen Parametern in mineralischen festen Medien ausgehend von der Oberfläche.

Die Bestimmung von physikalischen und chemischen Parametern in mineralischen festen Medien bereitet in der Praxis oft Schwierigkeiten, insbesondere bei der Beurteilung des Istzustandes von Betonbauteilen, Natursteinwerken oder Lagerstätten von mineralischen Stoffen.

Erfahrungen mit Instandsetzungsmaßnahmen, insbesondere an Betonbauwerken aus der Vergangenheit haben deutlich gemacht, daß frühzeitiges Erkennen und Beseitigen von Schäden ganz wesentlich zur Kostenreduzierung beitragen kann.

Wenn der pH-Wert im Beton auf Werte unter etwa 9,5 absinkt, beginnt die Depassi­ vierung der Bewehrung und der Stahl verliert seine korrosionsschützende Schutz­ schicht. Der Vorgang der Depassivierung wird im allgemeinen durch das Eindringen von Kohlendioxid aus der Luft und die damit ausgelöste Carbonatisierung des Calciumhydroxids in Gang gesetzt. Sie hängt von der Dichtigkeit des Betons ab. Hierbei findet eine chemische Umwandlung von Calciumhydroxid in Calciumcarbonat statt. Eine weitere Ursache für die Korrosion der Bewehrung im Beton, die un­ abhängig und unbeeinflußt von einer wirksamen Passivierungsschicht aus Calciumhy­ droxid abläuft, ist die durch Chloridionen induzierte "Chloridkorrosion". Die Chloridio­ nen (Cl⁻) stammen hierbei vorwiegend aus den Auftaumitteln (Streusalz).

Beide Korrosionsformen, die kohlendioxidinduzierte und die chloridinduzierte Korrosion, können beim Baustoff Beton sowohl getrennt, als auch gemeinsam vor­ kommen. Voraussetzung für den Ablauf der Korrosion des Stahls ist ein hinrei­ chendes Sauerstoffangebot, zusätzlich ein ausreichender Feuchtigkeitsgehalt im Beton, der bei Außenbauteilen, wie z. B. im Brückenbau, immer vorhanden ist. Sichtbare Folgen einer Bewehrungskorrosion im Beton sind: sich auf der Bauteilober­ fläche abzeichnende Bewehrung, Rostfahnen auf der Bauteiloberfläche und ein Absprengen der Betonoberfläche. Tiefergehende Korrosionsschäden können bis zur Störung des Betonverbundes reichen, d. h. eine Beeinträchtigung der Bauwerksstatik ist möglich.

Gemäß Hiller E./Springerschmid R. "Verbessertes Verhalten zur Bestimmung der Carbonatisierungstiefe in Bohrlöchern" Beton- und Stahlbetonbau 90 (1995), Heft 4, S. 108 ff. wird zur Feststellung der Carbonatisierungstiefe folgendermaßen vorgegangen:

• 1. in einzelnen Schritten von nur wenigen Millimetern Tiefe wird trocken gebohrt, das Bohren unterbrochen und auf die Lochsohle eine Indikatorflüssigkeit gesprüht oder
• 2. die Bohrung wird in einem Arbeitsgang ausreichend tief erstellt und danach die Bohrlochwandung mit Indikatorflüssigkeit besprüht.

Aus der zugehörigen Tiefe, in der ein Farbumschlag erfolgt, wird die Carbonatisie­ rungstiefe abgeleitet.

Deutscher Ausschuß für Stahlbeton, Heft 401 "Anleitung zur Bestimmung des Chloridgehaltes von Beton", Beuth Verlag GmbH (1989) beschreibt Bestimmung des Chloridgehaltes von Beton:

"Um festzustellen, wie tief Chloridionen in einen Stahlbeton eingedrungen sind, müssen

• - entweder Bohrkerne (D = 100 mm) entnommen, in Scheiben zersägt und diese dann gebrochen, getrocknet und gemahlen werden, oder aber
• - es wird Betonmehl direkt entnommen. Dazu verwendet man einen Schlagbohr­ hammer (Bohrlochdurchmesser je nach Größtkorn des Betons zwischen 20-40 mm) mit einer Absaugvorrichtung und einen Bohrer, der einen axialen Saugkanal hat.

Das Betonmehl (Korngröße kleiner 0,09 mm) wird getrocknet und mit verdünnter, kalter (Baustelle) oder heißer (Laboratorium) Salpetersäure aufgeschlossen. Bei der einfachsten Prüfung werden Chloridionen qualitativ als weißes Silberchlorid durch Zugabe von Silbernitratlösung zur Aufschlußlösung nachgewiesen. Die halbquantita­ tive Bestimmung erfolgt durch Entfärbung von Papierstreifen, welche mit Silber­ chromat imprägniert sind (Quantab-Verfahren). Im Laboratorium wird der Chlorid­ gehalt quantitativ durch potentiometrische Titration, Direktpotentiometrie oder Photometrie ermittelt. Nach Heißaufschluß des Betons erreicht man mit jedem der drei Verfahren eine Genauigkeit von zum Beispiel Cl_Z = 0,4 ± 0,06 beziehungsweise Cl_B = 0,06 ± 0,01%.

Aus den quantitativen bestimmten Chloridgehalten der Einzelproben, welche aus unterschiedlicher Tiefe entnommen wurden, kann die Chloridverteilung im Beton an der Entnahmestelle angegeben werden."

Üblicherweise wird in einzelnen Schritten von nur wenigen Millimetern Tiefe trocken gebohrt, z. B. 5 mm Schritten, das Bohren unterbrochen, mit einem Industrie­ staubsauger das Bohrmehl aufgesaugt und anschließend die Teilprobe des jeweiligen Abschnittes im Labor auf den Chloridgehalt analytisch untersucht.

Zur Feststellung des Chloridgehaltes am Bauwerk wird gemäß U.S. Department of Transportation, Strategic Highway Research Program Implentation, Focus, December 1995, "Alaska DOT Finds Big Payoff in Switching to Chloride Test Kit", S. 1 das Bohrmehl mit vorgefertigten Lösungen in Kontakt gebracht und die Chloridionen- Aktivität nach einer Minute als Spannung gemessen.

Eine alternative Vorgehensweise besteht darin, Bohrkerne je nach Untersuchungs­ genauigkeit in beliebig viele Scheiben zu sägen oder spalten und den Chloridgehalt im Baustoff im Labor analytisch zu bestimmen.

Die Untersuchungen der Carbonatisierungstiefe und des Chloridgehaltes des Standes der Technik finden zeitlich und räumlich getrennt statt. Bei den bekannten Verfahren zur Bestimmung der Carbonatisierungstiefe und des Chloridgehaltes sind, beispiels­ weise bei Betonbauteilen, jeweils getrennte und verschiedene Arbeitsschritte erfor­ derlich.

Die bekannten Verfahren beschreiben im Hinblick auf das Bauteil im wesentlichen eine Probennahme, die nicht als zerstörungsarm bezeichnet werden kann. Die Fest­ stellung der Carbonatisierungstiefe wird durch den Umschlagspunkt eines Indikators (Phenolphthaleinlösung in 70%igem Alkohol) bestimmt. Dieser Meßpunkt sagt ohne weitere Untersuchungen wenig über das Carbonatisierungsverhalten des Bauteils aus. Eine direkte chemische Untersuchung findet nicht statt. Würde man nach den bekannten Methoden den Carbonatisierungsverlauf über den gemessenen pH-Wert hinaus extrapolieren, müßten mehrere Bestimmungen zu unterschiedlichen Zeiten für einen Probenbereich erfolgen. Gleiches gilt für die Chlorid-Bestimmung.

Eine chemische Untersuchung kann nicht am Bauwerk erfolgen und damit müssen die Probestellen am Bauwerk "blind" gewählt werden, also ohne Kenntnis, ob die Probenahmestellen für das Betonbauteil repräsentativ sind.

Die im Schlagbohrverfahren ermittelten bzw. die in Scheiben gesägten Bohrkerne ermöglichen lediglich eine schichtweise Bestimmung des mittleren Chloridgehaltes (sog. Schichtintegral). Somit kann nur ein Durchschnittswert über den gesamten Querschnitt der Probe angegeben werden. Bei dem Aufschluß im Labor wird der Gesamtchloridgehalt bestimmt. Von Interesse für die chloridinduzierte Korrosion ist jedoch im wesentlichen das wasserlösliche, ungebundene, örtlich eng begrenzte, also für die Korrosion aktive Chlorid in der Nähe der Bewehrung. Die einzelnen "Chloridlagerstätten" können nicht detektiert werden. Bei Meßaufgaben beispiels­ weise an Natursteinoberflächen wird entsprechend vorgegangen.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein vereinfach­ tes zerstörungsarmes Verfahren und eine vielseitig anwendbare Vorrichtung zur Bestimmung von physikalischen und chemischen Parametern in mineralischen festen Medien, insbesondere zur Beurteilung des Istzustandes von Betonbauteilen zur Verfügung zu stellen, die die obengenannte Nachteile des Standes der Technik überwinden.

Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung von physikalischen und chemischen Parametern in mineralischen festen Medien, insbesondere zur Beurteilung des Istzustandes von Betonbauteilen ausgehend von der Oberfläche durch kontinuierliches schlagfreies Bohren unter kontinuierlichem Austrag des Bohrmehls aus dem Bohrloch mittels einer, sich in einem Kreislauf befindlichen Meßflüssigkeit, Trennung der Grobbestandteile des Bohrmehls von der Meßflüssigkeit, Zuführung der, die löslichen Bestandteile des Bohrmehls enthaltenden Meßflüssigkeit zu einer Meßeinrichtung zur Bestimmung von chemischen und/oder physikalischen Parametern, Bestimmung der Meßwerte in Abhängigkeit von der Bohrtiefe und Rückführung der Meßflüssigkeit in das Bohrloch.

Als feste mineralische Medien im Sinne der vorliegenden Erfindung dienen beispielsweise Betonbauteile, Natursteinwerke oder auch Lagerstätten von mineralischen Stoffen.

Erfindungsgemäß wurde ein transportables Bohrverfahren und eine dafür geeignete Vorrichtung entwickelt, mit welchen man aus dem beim Bohren entstehenden Bohr­ mehl mit Hilfe einer sich im Kreislauf befindenden Meßflüssigkeit, die auch die Analyseflüssigkeit und Spüllösung darstellt, und entsprechenden Sensoren, die Konzentrationsänderungen von Bestandteilen oder anderen physikalischen Größen kontinuierlich messen. Die Konzentrationsbestimmung wird der Bohrtiefe des Bohrers direkt zugeordnet. Insbesondere werden zwei oder mehr für die oberflächennahe Betonsituation wichtige Parameter gleichzeitig bestimmt.

• 1. Im vorliegenden Verfahren wird vorzugsweise bei Betonbauteilen die Wasser­ stoff-Ionen-Konzentration, die dem pH-Wert entspricht, bestimmt. Das Verfah­ ren berücksichtigt den Parameter pH-Wert im Hinblick auf die Carbonatisierung des Betons, bei der eine chemische Umwandlung des Calciumhydroxides mit Hilfe des Kohlendioxids in Calciumcarbonat stattfindet. Bei der Carbonatisie­ rung sinkt der pH-Wert auf Werte unter etwa 9,5. Aus der Zuordnung des pH-Wertes zur jeweiligen Bohrtiefe läßt sich die Dicke der carbonatisierten Zone bestimmen: Diese wird definiert als die Betonrandzone unterhalb eines pH-Wertes von 9,5. Die Bewehrung, die in dieser Zone liegt, wird nicht mehr durch eine alkalische Korrosionsschutzschicht, die sogenannte Passivschicht, umgeben. Diese wirksame Passivschicht bildet sich im alkalischen Milieu an der Grenzfläche der Bewehrung bei einem pH-Wert des Betons über pH = 9,5. Sinkt dieser pH-Wert, beginnt gegebenenfalls die Bewehrung des Betons in diesem Bereich zu rosten. Mit Hilfe der Feststellung der Carbonatisierungs­ tiefe und des Kurvenverlaufs können, wenn sich die Bewehrung im Beton befindet, Aussagen über die künftige Korrosionsgefahr gemacht werden.
• 2. Im vorliegenden Verfahren wird weiterhin vorzugsweise bei Betonbauteilen gleichzeitig die Chlorid-Ionen-Konzentration in derselben Meßlösung bestimmt. Das Verfahren berücksichtigt hier den Parameter Chlorid im Hinblick auf die chloridinduzierte Korrosion (Lochfraß - Chloridkorrosion) der Bewehrung.

Beide Korrosionsmechanismen sind voneinander unabhängig. Beide Bestimmungen oder weitere Bestimmungen werden durch Aufschluß des Bohrmehls aus demselben Bohrloch gewonnen. Hierbei wird beispielsweise ein im Durchmesser etwa 17 mm großes Bohrloch erbohrt, so daß die Anforderung an ein zerstörungsarmes Verfahren erfüllt ist. Bei Verwendung eines Hohlbohrers verbleibt ein Kern von beispielsweise 12 mm Durchmesser, der für zusätzliche Untersuchungen eine weitere Beurteilungs­ grundlage bilden kann.

Das Bohrverfahren ermöglicht damit am Bauwerk im On-Line-Verfahren beispielswei­ se die gleichzeitige Bestimmung des pH-Wertes und des Cl -Gehaltes in Abhängigkeit von der Bohrtiefe. Ausgehend von der Bauteiloberfläche ist damit eine kontinuierliche Feststellung der Carbonatisierung wie auch der Cl -Verteilung gegeben. Sind weitere Parameter von Interesse, so ist eine Bestimmung durch Änderung oder Auswahl anderer dem Medium und dem Meßziel angepaßter Sensoren grundsätzlich möglich.

In der Fig. 1 wird eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Bohrverfahrens und der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung wiedergegeben.

Die Fig. 2 beschreibt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß einzusetzenden, gegebenenfalls abschraubbaren Teils des Hohlbohrers mit den dazugehörigen Schnittzeichnungen.

In der Fig. 3 wird eine Halterung beziehungsweise Anordnung der Abdichtung des Bohrfußes dargestellt.

Die Fig. 4a gibt einen Querschnitt der Anordnung der Abdichtung des Bohrfußes entlang des Schnitts D-D in Fig. 3 gemäß einer ersten Ausführungsform (Acrylglas) wieder.

Die Fig. 4b gibt einen Querschnitt der Anordnung der Abdichtung des Bohrfußes entlang des Schnitts D-D in Fig. 3 gemäß einer zweiten Ausführungsform (hart­ gummiartiger Fuß) wieder.

In der Fig. 5 wird das Prinzip der Meßanordnung für das Verfahren nach der Durchflußmessung dargestellt.

In der Fig. 6 wird beispielhaft an einem Betonbauteil der Verlauf des pH-Werts in Abhängigkeit der Bohrtiefe wiedergegeben.

In der Fig. 7 wird beispielhaft an einem Betonbauteil der prozentuale Gewichtsanteil an Chloridionen, bezogen auf die Zementmenge in Abhängigkeit der Bohrtiefe wieder­ gegeben.

Während des Bohrvorganges wird in einem praktisch geschlossenen System (s. Prin­ zipskizze des Bohrverfahrens, Fig. 1) eine Meßflüssigkeit umgepumpt. Sie wird dabei über folgende Meßstationsanordnung geführt:

• 1. Die Meßflüssigkeit wird mit Hilfe der Pumpe 6 dem Hohlbohrer 14, zugeleitet und durchströmt ihn bis zur Bohrkrone 33; das beim Bohren entstehende Bohrmehl wird in der umlaufenden Meßflüssigkeit dispergiert, während die wasserlöslichen Bestandteile rasch in Lösung gehen.
• 2. Anschließend wird die Meßflüssigkeit zum Entlüftungsbehälter 5 transportiert und dort entlüftet. Die Luftblasen in der Trennvorrichtung 10, hier ein Hydro­ zyklon 10′ und im Kreislauf stören den Betrieb der Elektroden. Daher ist der gesonderte Entlüftungsbehälter 5 erforderlich, um die Pumpe 6, vorzugsweise eine Kreiselpumpe, störungsfrei betreiben zu können und um einen konstanten Durchfluß sowie eine automatische Entlüftung der Trennvorrichtung 10 auch beim Überkopfbohren zu ermöglichen.
• In dem Entlüftungsbehälter 5 befindet sich vorzugsweise ein spezielles Einbau­ teil (Entlüftungseinrichtung), in dem die Luft nach oben in den Entlüftungs­ behälter 5 geführt wird.
• 3. In der Trennvorrichtung 10, hier ein Hydrozyklon 10′, befindet sich zwischen der Außenwand und der Leiteinrichtung 11 eine Trennplatte, die ein Umlaufen der Luftblasen verhindert und vor der eine weitere Entlüftungsmöglichkeit vor­ gesehen ist. Im Bereich zwischen äußerer Wand der Trennvorrichtung 10, ins­ besondere des Hydrozyklons 10′ und der Leiteinrichtung 11 wird durch die tangential einlaufende und dann umlaufende Meßflüssigkeit diese in Rotation versetzt. Infolge der Zentrifugalkräfte der Rotation streben die Bohrmehl­ partikel der Wandung zu und sinken dort in den Absetzkonus 12 ab (so daß sie nicht pumpenzerstörend wirken können). Während dieser Zeit - vom Auf­ schließen des Betons durch den Hohlbohrer 14 bis zum Abscheiden des Bohr­ mehls im Absetzkonus 12 - gehen die im Beton vorhandenen Cl⁻-Ionen sowie die Wasserstoff-Ionen in Lösung. Die Cl⁻-Elektroden (Cl⁻-Elektrode und zuge­ hörige Referenzelektrode) sind empfindlich gegenüber "ruhenden Flüssig­ keiten"; daher muß die sie umgebende Meßflüssigkeit einerseits immer in ausreichender Bewegung und grobpartikel- und luftblasenfrei sein.
• 4. Die vom "groben" Bohrmehl befreite Meßflüssigkeit umspült, angeregt durch die Zentrifugalkräfte des Hydrozyklons 10′, die Elektroden E₁ (pH), E₂ (Cl⁻) und E_Ref. Da der pH-Wert und Cl⁻-Gehalt im selben flüssigen Medium gemessen werden, ist auszuschließen, daß die elektrischen Meßströme sich gegenseitig beeinflussen.
• 5. Nach dem Durchströmen der Trennvorrichtung 10, insbesondere des inneren Bereichs des Hydrozyklons 10′ wird die Meßflüssigkeit von der Zentrifugal­ pumpe 6 angesaugt und gegebenenfalls über einen Durchflußmesser 7 wieder dem Bohrloch beziehungsweise dem Hohlbohrer 14 zugeleitet. Damit ist der Flüssigkeitskreislauf geschlossen.

Bei der Messung mit ionensensitiven Elektroden ist zu beachten, daß immer eine ausreichende "Ionenstärke" in der Bohrflüssigkeit vorhanden ist. Die Einstellung dieser Ionenstärke geschieht nach an sich bekannten Verfahren über eine Proben­ konditionierlösung (Ionic Strength Adjustor, abgekürzt ISA-Lösung). Als Meßlösung ist insbesondere vollentsalztes Wasser mit ISA-Lösung geeignet.

Anstelle der ionenselektiven Elektroden im Hydrozyklon 10′ können auch elektro­ chemische Sensoren für Durchflußanalysen verwendet werden, zum Beispiel in den Schlauchleitungen am Ausgang des Bohrfußes. Hierbei werden im Durchfluß die zu messenden Ionen, wie in Fig. 5 dargestellt, jeweils getrennt durch einen eigenen Durchflußkanal (52, 53, 54) geführt. In diesem Fall findet keine gegenseitige Be­ einflussung der Meßsignale statt. Diese Lösung hat den Vorteil, daß gegebenenfalls auf eine Zugabe von ISA-Lösung verzichtet werden kann. Des weiteren kann ebenso die Kreislaufführung der Meßflüssigkeit entfallen, wenn eine exakt definierte Durch­ flußmenge zum Kühlen des Bohrers, Spülen und Aufschließen des Bohrmehls über die Bohrerschneide vorbeigeführt und zum Schluß in einem Behältnis gesammelt wird. Ist die Kreislaufführung entbehrlich, so könnte gegebenenfalls der Hydrozyklon 10′ ebenso entfallen.

Diese Meßmethode im Durchfluß hat den Vorteil, daß die Maxima und Minima der Konzentration (Chlorid) noch exakter und genauer erfaßt werden können.

Um das Bohrgehäuse auf rauher, unebener Oberfläche mit dem Vakuumfuß fixieren zu können, wurden in eine Trägerplatte 31 je innere und äußere Dichtung unten zwei konzentrische Aufnahmenuten eingefräst und in diese Moosgummiprofile 32 einge­ klebt (s. Fig. 3, 4a und 4b). Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens an nicht planen, sehr rauhen oder insbesondere gekrümmten Oberflächen wie Säulen, kann diese Platte aus elastisch verformbarem Material, beispielsweise hartgummiähnlich ausgebildet sein, um eine gute Anpassung an die Oberfläche zu erreichen, siehe Fig. 4b. Der Druck im Bohrfuß kann aufgezeichnet werden, um auf die Dichtigkeit des Mediums zu schließen. Der Zwischenraum zwischen den Moosgummiprofilpaaren 32 oder den seitlichen weichgummiartigen Dichtlippen 32′, die an die Trägerplatte angegossen sind, ist mit einem plastischen Material 33 ausgefüllt. Dieses dauer­ plastische Material bildet die eigentliche Abdichtung, da es sich infolge seiner plastischen Verformbarkeit dicht an den Untergrund anschmiegen kann. Die Moos­ gummiprofile 32 oder die seitlichen weichgummiartigen Dichtlippen 32′ an die Trägerplatte angegossen, haben hierbei die Aufgabe einer variablen, elastischen seitlichen Stützung des plastischen oder variablen Materials. Das auf das Medium 19 gepreßte plastische Material 33 wird von Zeit zu Zeit mit einer Trennhilfe bestrichen, um ein Ankleben zu verhindern. Die vorgesehene Meßstellenoberfläche ist in den Fig. 4a beziehungsweise 4b mit einem insbesondere nicht-UV-Licht­ beständigen Abdichtungsmittel 45, vorzugsweise einem Anstrich versehen, um nach der Messung eine schnelle Verwitterung zu gewährleisten. Mit dieser Abdichtung werden Störeinflüsse aus den benachbarten seitlichen Oberflächenbereichen, wie beispielsweise aus Chloridionen und Akalien, auf die untersuchte Fläche ausge­ schlossen.

Handelsübliche Diamant-Kleinkern-Bohrkronen erfordern hohe Umdrehungszahlen und Anpreßdrücke, die bei dem erfindungsgemäßen Bohrverfahren aufgrund der sonst auftretenden Dichtungsprobleme im Bohrschaft vermieden werden sollten. Die handelsüblichen Diamant-Kleinkern-Bohrkronen ergaben aufgrund zahlreicher Untersuchungen keinen guten Bohrerfolg, so daß eine Eigenentwicklung der Diamant-Kleinkern-Bohrkrone erfolgte.

Um die schnelle Auswechselbarkeit des Verschleißteils "Diamant-Kleinkern- Bohrkrone" zu gewährleisten sowie einen leichteren Auswurf des erbohrten Kernes zu ermöglichen, wurde der in Fig. 2 dargestellte, abschraubbare Teil des Hohlbohrers 14 entwickelt. Als Schaftmaterial 22 wurde Edelstahl verwendet, um weitere Einflüsse auf die zu bestimmenden Kenngrößen auszuschließen. Eine Diamant- Bohrkrone 23 ist mit dem Bohrschaft 22 verbunden. Die Bohrkrone weist vorzugsweise die in der Schnittansicht A-A dargestellten Vertiefungen auf. Der Hohlschaft 22 weist eine konisch verlaufende Innengestaltung mit einem kleineren Innendurchmesser im Bereich der Bohrkrone 23 und im Bereich des Schraubgewindes vergrößerten Innendurchmesser auf. Hierdurch wird eine Auswurföffnung 21 gebildet, die es erlaubt, die verbleibenden Bohrkerne möglichst unzerstört aus dem Bohrer 14 zu entfernen.

Die Meßflüssigkeit wird durch den hohlen Bohrschaft 22 den Innentaschen in der Diamantbohrkrone 23 zugeleitet. Diese Wasserzufuhr-Nuten ermöglichen ein reibungsloses und ungehindertes Zufließen zur rotierenden Kronenschneide. Die Vertiefungen bewirken, daß das entstandene Bohrmehl ständig fortgespült wird. Durch diesen Vorgang wird eine gleichmäßige Bohrmehlqualität erzeugt, die einen einfachen chemischen Aufschluß innerhalb des Meßlösungskreislaufes ermöglicht. Es sind so eine große Zahl von Bohrungen mit einem Hohlbohrer 14 möglich. Im normalen Beton üblicher Dichte ergibt sich eine Bohrtiefengeschwindigkeit von ca. 1 bis 2 cm/min.

Aus dem Bohrer 14 dürfen keine Stoffe freigesetzt werden, die beispielsweise eine reduzierende Eigenschaft haben (Beeinflussung der Meßergebnisse). Um diese Einflüsse auf die Messung auszuschließen, kann vorzugsweise ein Kunststoffbinde­ mittel für die Herstellung der Diamantbohrkrone 23 verwendet werden. Darüber hinaus bereitet der Diamantbohrer 14 den erbohrten Beton in einer für den Aufschluß notwendigen Feinheit (Korngröße) auf. Ein Nachmahlen ist für den Aufschluß nicht mehr notwendig. Durch Zumischen von feinem Korund zum Bohrkronenmaterial schneiden sich die Diamanten selbst frei.

Nach dem Bohren wird das System vorzugsweise mit einer leicht sauren Lösung gereinigt.

Alle Meß- und Kenngrößen werden vorzugsweise während des Bohrvorganges in zeitgleichen Abständen kontinuierlich aufgezeichnet.

Für die Wegmessung wurde hier auf eine gehäuseisolierte robuste Bauart nach dem Prinzip der Ohm′schen Widerstandsmessung mit Schleiferprinzip zurückgegriffen.

Mit dem erfindungsgemäßen Bohrverfahren wird der pH-Wert, vorzugsweise kontinuierlich, bestimmt. Der pH-Wert der im geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Meßflüssigkeit wird in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Damit kann eine tiefenabhängige pH-Wert-Kurve ermittelt und dargestellt werden (s. Fig. 6). In der Beispielkurve ist der pH-Wert = 10 in einer Tiefe von 0,60 mm festgestellt worden.

Die Cl⁻-Gehalt-Bestimmung mit dem erfindungsgemäßen Bohrverfahren kann zeitgleich in der selben Bohrung und in der selben Meßflüssigkeit wie die pH-Wert- Messung stattfinden. Der Cl⁻-Gehalt in der Meßflüssigkeit wird mittels ionenselektiver Elektroden bestimmt (s. Fig. 7).

Nimmt man beispielsweise den Zement als im Beton homogen verteilt an, so kann der gemessene Cl⁻-Gehalt auf den Zementgehalt des Betons bezogen werden. Voraussetzung ist, daß der Zementgehalt je m³ Beton bekannt ist oder ausreichend genau abgeschätzt werden kann. Zum jeweiligen Zeitpunkt der Cl⁻-Bestimmung ist die zugehörige Bohrtiefe durch Wegmessung bekannt, und dadurch kann mittels pro­ grammierter Rechenroutinen der Cl⁻-Gehalt auf den Beton- oder Zementgehalt bezo­ gen werden. Das mit dem Verfahren erbohrte Bohrmehl, also das aufgeschlossene und in die Meßflüssigkeit eingegangene Volumen, ergibt sich aus den geometrischen Abmessungen der gebohrten Fläche und der Bohrtiefe. Bei dem Bohrverfahren wird vorzugsweise der direkt gemessene Chloridgehalt in mg/l ermittelt. Bezieht man die gefundene Chloridkonzentration der Meßflüssigkeit auf das Volumen, das von der Bohrlochgeometrie bestimmt wird, kann der Cl⁻-Gehalt des Mediums in Abhängigkeit von der Bohrtiefe durch das konstante Volumen der Meßflüssigkeit abgeleitet werden.

Zur Beobachtung des Durchflusses der Meßflüssigkeit im Umlauf kann das Pumpvolu­ men festgehalten und bei der Auswertung berücksichtigt werden. Aus der im Umlauf des Systems befindlichen Menge an Meßflüssigkeit wird auf die erbohrte Cl⁻-Menge geschlossen. Diese Menge der Meßflüssigkeit ist eine versuchstechnische Konstante. Für beispielsweise 500 ml wäre der Meßwert "mg Cl⁻/l" mit dem konstanten Wert 0,50 zu multiplizieren, um auf die erbohrte Cl⁻-Masse zu schließen. Es ist also grundsätzlich möglich, aus den Meßwerten "mg Cl⁻pro Liter", die mit der Cl⁻- Elektrode ermittelt werden und der Bohrtiefe den Cl⁻-Gehalt, bezogen beispielsweise auf den Beton bzw. den Zementgehalt, zu errechnen.

Die Auswerteinrichtung besteht vorzugsweise aus einem Analog-Digital-Wandler, gegebenenfalls mit einem Zwischenspeicher, einem tragbaren Rechner und dazugehöriger Software. Die Software ermöglicht die Signalaufnahme und die Auswertung. Die ausgewerteten und ausgedruckten Endergebnisse werden entsprechend den Fig. 6 und 7 dargestellt.

Die erfindungsgemäßen Ergebnisse belegen, daß das Bohrverfahren, insbesondere für eine rasche und reproduzierbare Betonuntersuchung der oberflächennahen

zur Abschätzung des Risikos der Korrosionsbildung an Betonstahl und somit zur Abschätzung des aktuellen Zustandes eines Betonbauteils und zur Unterstützung der vor Ort zu treffenden Entscheidungen im Zusammen­ hang mit laufenden Instandsetzungsmaßnahmen gut geeignet ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre zum technischen Handeln ist es möglich, jederzeit - insbesondere auch kurz vor Ablauf der Gewährleistungsfrist, insbesondere für ein Betonteil - anhand der aktuellen Betonqualität die Korrosionsgefährdung des Stahls abzuschätzen. Es ist möglich, mit dem Verfahren künftig schon bei der Bau­ werksabnahme die obere Betonzone hinsichtlich zu erwartender Korrosionsgefähr­ dung zu beurteilen, um ggf. bereits frühzeitig Gewährleistungsansprüche geltend machen zu können, da nicht ausreichend dichte Betone "Cl⁻-Lagerstätten", beispiels­ weise aus dem Anmachwasser des Frischbetons ausbilden, die mit dem Verfahren gut detektierbar sind.

Das Verfahren ist für den Bauherrn von wirtschaftlicher Bedeutung, denn das entwickelte Bohrverfahren liefert einen Beitrag zur Kostensenkung bei der Zustandsanalyse der Bauteile. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre zum tech­ nischen Handeln können beispielsweise 4 Bohrungen je Stunde durchgeführt werden. Die Bohrungen werden vorzugsweise mit einem Lochdurchmesser von rund 17 mm zerstörungsarm bis zur einer Tiefe von 45 mm ausgeführt. Die Kleinbohrkerne von rund ⌀ 12 mm können eine weitere Beurteilungsgrundlage bilden. Die entstandenen Bohrlöcher sind dauerhaft verschließbar. Die Schädigung des Bauwerks wird also so gering wie möglich gehalten.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung lassen sich aus den Kurvenverläufen (s. Fig. 6 und 7) über die Betone Aussagen treffen, die mit den herkömmlichen Methoden nur bedingt oder gar nicht möglich sind:

Dichtigkeit des Betons gegenüber CO₂-Diffusion (Dichtheitsgradient entspricht der "Kurvensteilheit"). Aus dem Krümmungsradius der Kurven kann ein Maß und ein Bewertungskriterium für die Dichtigkeit normal bewitterter Oberflächen gefunden werden.

Mit der Erfindung sind für die Bauwerke schnellere und genauere Prognosen möglich.

Die in den Elektroden entstehenden elektrischen Meßwerte werden vorzugsweise durch elektronische Datenerfassung aufgenommen. Ein zugehöriger Drucker dient der Ausgabe der Meßwerte in Diagrammform. Das Verfahren und die dazugehörigen Geräte können auch stromnetzunabhängig durch Batterien betrieben werden. Dies verschafft die Möglichkeit eines Meßbetriebes an Bauwerken, die an Stromversor­ gung nicht angeschlossen sind. Die Ergebnisse sind unmittelbar an der Baustelle verfügbar. Dies ist besonders wichtig bei Instandsetzungsarbeiten.

Auf dem Medium, insbesondere dem Betonbauteil können Meßpunkte entsprechend den aktuellen Meßwerten vor Ort festgelegt werden. Anhand der Meßwerte (Meß­ protokolle) kann vor Ort entschieden werden, ob weitere Bohrungen (Messungen) erforderlich sind. Die erforderlichen Zusatzbohrungen sind sofort auf der Baustelle durchführbar.

Das Verfahren erlaubt, bei kontinuierlicher Messung, die Cl⁻-Konzentration auf den Zementgehalt durch Umrechnungen zu beziehen. Die Meßergebnisse, ausgegeben in Form von Kurven (Bohrtiefe/pH-Wert bzw. Bohrtiefe/CL⁻-Verteilung), lassen eine abschätzende Vorhersage des zeitlichen Fortschrittes, z. B. der Carbonatisierungs­ front, zu. Ist beispielsweise die durchschnittliche Tiefenlage der oberen Bewehrung (Betondeckung) bekannt, kann bestimmt werden, wann wahrscheinlich ein kritischer Zustand für die Bewehrung des Bauwerks erreicht wird.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur Bestimmung von physikalischen und chemischen Parametern in mineralischen festen Medien, insbesondere zur Beurteilung des Istzustandes von Betonbauteilen ausgehend von der Oberfläche des Mediums umfassend einen Hohl­ bohrer 14 mit einer Auswurföffnung 21, Bohrschaft 22 und Bohrkrone 23, einen Weggeber 15 zur Bestimmung der Bohrtiefe, Einrichtungen zur Kreislaufführung einer Meßflüssigkeit, umfassend einen Entlüftungsbehälter 5, eine Umwälzpumpe 6, eine Trennvorrichtung 10 zur Trennung der Grobbestandteile des Bohrmehl von der Meßflüssigkeit und Meßeinrichtungen zur Bestimmung von chemischen und/oder physikalischen Parametern in Abhängigkeit von der Bohrtiefe.

Eine entsprechende Vorrichtung ist in der Fig. 1 wiedergegeben.

Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Hohlbohrer 14 an einer Hohlwelle mit angesetztem Gewinde befestigt, mit einem hohlen Bohrschaft 22 und wenigstens einer, insbesondere zwei Innentaschen und wenigstens einer, insbesondere zwei Außentaschen einer Diamantbohrkrone 23 ausgestattet, wobei der Außendurchmesser der Bohrkrone 23 größer ist, als der Außendurchmesser des Bohrschaftes 22. Die unterschiedlichen Durchmesser erlauben den Durchfluß der Meßflüssigkeit und tragen zu einem problemfreien kontinuierlichen Bohren bei. Eine entsprechende Anordnung ist in der Fig. 2 und insbesondere in den Schnittansichten der Bohrkrone 23 wiedergegeben. Die Kreisringform im Schneidebereich sollte geschlossen sein, um beispielsweise ein Überkopfbohren zu ermöglichen.

Die Trennvorrichtung 10 zum Abtrennen der Grobbestandteile des Bohrmehls von der Meßflüssigkeit umfaßt vorzugsweise einen Hydrozyklon 10′ mit einem Absetz­ konus 12 für Bohrmehl.

Bevorzugte Meßeinrichtungen zur Bestimmung insbesondere von Betonparametern in Abhängigkeit der Bohrtiefe sind ionenselektive Elektroden, insbesondere zur Messung des pH-Wertes und des Chloridgehalts. Jedoch sind auch prinzipiell andere Elektroden und damit Meßparameter gleichermaßen für gleiche oder andere Medien geeignet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine wie oben definierte Vorrichtung, die weiterhin einen Vakuumfuß 18 aus einer Grundplatte 31, insbesondere aus Acrylglas oder thermoplastischem oder elastischem hartgummiähnlichem Material, Dichtlippen 32, seitliche weichgummiartige Dichtlippen 32′ an die Trägerplatte angegossen, einen Durchtritt 33 des Bohrers 14, eine Vakuumfläche 34 und Anschlußmöglichkeiten 35 zur Evakuierung der Vakuum­ fläche 34 umfassen (Fig. 4a und 4b).

Bei der Ausführungsform Fig. 4b ist an der Ober- und Unterseite der hartgummiartigen Trägerplatte eine Gewebebewehrung 36 sinnvoll.

Mit Hilfe der vorgenannten Merkmale ist es möglich, an beliebig geneigten oder gekrümmten Oberflächen eine schnelle, zerstörungsarme Bestimmung von Parametern, insbesondere Betonparametern vorzunehmen.

Durch Austausch der ionenselektiven Elektroden und Anpassen der ISA-Lösung in der Meßflüssigkeit an andere Meßaufgaben ist es ohne weiteres möglich, auch andere, insbesondere wasserlösliche Inhaltsstoffe in Lösung zu bringen, um somit auch den Konzentrationsverlauf weiterer Stoffe in Abhängigkeit der Bohrtiefe des Mediums festzustellen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Bestimmung von physikalischen und chemischen Parame­ tern in mineralischen festen Medien, insbesondere zur Beurteilung des Istzustandes von Betonbauteilen ausgehend von der Oberfläche durch kontinuierliches schlagfreies Bohren unter kontinuierlichem Austrag des Bohrmehls aus dem Bohrloch mittels einer, sich in einem Kreislauf befind­ lichen Meßflüssigkeit, Trennung der Grobbestandteile des Bohrmehls von der Meßflüssigkeit, Zuführung der, die löslichen Bestandteile des Bohr­ mehls enthaltenden Meßflüssigkeit zu einer Meßeinrichtung zur Bestim­ mung von chemischen und/oder physikalischen Parametern, Bestimmung der Meßwerte in Abhängigkeit von der Bohrtiefe und Rückführung der Meßflüssigkeit in das Bohrloch.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Bohren einen Hohlbohrer (14) mit einem hohlen Bohrschaft (22) und wenigstens einer, insbesondere zwei Innentaschen und wenigstens einer, insbesondere zwei Außentaschen einer Diamantbohrkrone (23) ausge­ stattet, einsetzt, wobei der Außendurchmesser der Bohrkrone (23) größer ist, als der Außendurchmesser des Bohrschaftes (22).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Bohrkrone (23) kleiner ist als der Innendurchmesser des Bohrschaftes (22).

4. Verfahren nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrmehl enthaltende Meßflüssigkeit über den äußeren Abfluß zwischen der Außenfläche des Bohrers (10) und der Bohrlochinnenfläche abgezogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf der Meßflüssigkeit einen Entlüftungsbehälter (5), eine Umwälzpumpe (6), eine Trennvorrichtung (10) zur Trennung der Grobbestandteile des Bohrmehls von der Meßflüssigkeit, einen Absetzkonus (12) für Bohrmehl, einen Hohlbohrer (14) aus Bohrschaft (22) mit Bohrkrone (23) umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Trennung der Grobbestandteile des Bohrmehls von der Meßflüssigkeit einen Hydrozyklon (10′) einsetzt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Meßwerte mit ionenselektiven Elektroden oder im Durchfluß, insbesondere den pH-Wert und den Chlorid-Wert gleichzeitig bestimmt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als Meßflüssigkeit Wasser, insbesondere vollentsalztes Wasser gegebenenfalls mit Probenkonditionierlösung (ISA) einsetzt.

9. Vorrichtung zur Bestimmung von physikalischen und chemischen Parame­ tern in mineralischen festen Medien, insbesondere zur Beurteilung des Istzustandes von Betonbauteilen ausgehend von der Oberfläche umfas­ send einen Hohlbohrer (14) aus Bohrschaft (22) und Bohrkrone (23), einen Weggeber (13) zur Bestimmung der Bohrtiefe, Einrichtungen zur Kreislaufführung einer Meßflüssigkeit, umfassend einen Entlüftungsbe­ hälter (5), eine Umwälzpumpe (6), eine Trennvorrichtung (10) zur Trennung der Grobbestandteile des Bohrmehls von der Meßflüssigkeit und Meßeinrichtungen zur Bestimmung von chemischen und/oder physikalischen Parametern in Abhängigkeit der Bohrtiefe.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl­ bohrer (14) mit einem hohlen Bohrschaft (22) und wenigstens einer, insbesondere zwei Innentaschen und wenigstens einer, insbesondere zwei Außentaschen einer Diamantbohrkrone (23) ausgestattet ist, wobei der Außendurchmesser der Bohrkrone (23) größer ist, als der Außendurch­ messer des Bohrschafts (22).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Innen­ durchmesser der Bohrkrone (23) kleiner ist als der Innendurchmesser des Bohrschaftes (22).

1 2. Vorrichtung nach Anspruch 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (10) einen Hydrozyklon (10′) mit einem Absetzkonus (12) für Bohrmehl umfaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßein­ richtungen ionenselektive Elektroden, insbesondere zur Messung des pH- Werts oder des Chloridgehalts umfassen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, umfassend weiterhin einen Vakuumfuß (18) aus einer Grundplatte (31), insbesondere aus Acrylglas oder hart­ gummiartig ausgebildet, Dichtlippen (32), seitlichen weichgummiartigen Dichtlippen (32′) an die Trägerplatte angegossen, einen Durchtritt (33) des Bohrers (14), eine Vakuumfläche (34) und Anschlußmöglichkeiten (35) zur Evakuierung der Vakuumfläche zwischen den inneren und äußeren Abdichtungselementen (32) und (33).