DE60120365T2

DE60120365T2 - Methode zum schutzen von bewehrungsstäben in armiertem beton

Info

Publication number: DE60120365T2
Application number: DE60120365T
Authority: DE
Inventors: Kevin Gareth GLASS; Bharti Reddy; Robert Nicholas BUENFELD; Franklyn Robert VILES
Original assignee: Imperial College of Science Technology and Medicine
Current assignee: Imperial College of Science Technology and Medicine
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2021-01-27
Also published as: PL356337A1; PT1259468E; AU780689B2; EP1259468B8; DE60144449D1; MXPA02007212A; CN1398243A; BR0107940A; DK1688403T3; EP1688403B1; AU2005211622B2; AU2005211622A1; AU2868201A; ATE328853T1; EP1259468B1; HK1052334A1; EP1259468A1; US6685822B2; CZ20022593A3; ATE505446T1

Description

Anwendungsbereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz gegen Korrosion der Stahlarmierung in Stahlbeton und neuen Stahlbeton mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit.
Hintergrund der Erfindung
Stahlarmierungen in Beton sind normalerweise durch einen passiven Film gegen Korrosion geschützt, der sich auf dessen Oberfläche in der alkalischen Umgebung in dem Beton ausbildet. Im Laufe der Zeit kann jedoch die Alkalinität durch die Einwirkung des atmosphärischen Kohlendioxids verloren gehen und Korrosion kann das Ergebnis dieses Verlustes an Alkalinität oder der Verunreinigung des Betons mit aggressiven Ionen wie zum Beispiel Chlorid sein. Beide Prozesse machen den passiven Schutzfilm instabil.
Wenn der Beton hochalkalisch ist, toleriert er einen kleinen Pegel von Chloridionen, ohne dass eine Korrosion des Stahls initiiert wird. Der Chloridgehalt, der die Korrosionsinitiierung zum Ergebnis hat, kann elektrisch erkannt werden und ist durch eine markante Erhöhung des elektrischen Stromes gekennzeichnet. Es wurde berichtet, dass Chloridgehalte über 0,2 Gewichts-% von Zement in vielen Stahlbetonkonstruktionen Korrosion initiieren.
Daher wurde zuvor vorgeschlagen, Chlorid durch einen elektrochemischen Prozess zu entfernen. Der Prozess wurde in der WO 98/35922 und in den Europäischen Patenten Nr. 200.428 und 398.117 beschrieben und umfasst das Leiten eines elektrischen Stromes durch den Beton durch Aufbringen einer Spannung zum Beispiel von 3 bis 15 Volt zwischen einer externen vorübergehenden Katode und der Stahlarmierung in dem Beton als Katode. Der Effekt besteht darin, Chloridionen zur Migration durch den Beton zu der Oberfläche und in eine Elektrolytschicht zu veranlassen, die an der Oberfläche positioniert wurde.
Es wurde zuvor berichtet, dass in chloridverunreinigtem Beton eingeschlossene Luftlunker ein die Korrosionsinitiierung beeinflussender Faktor sind. Beton enthält typischerweise etwa 1,5 Volumen-% an eingeschlossener Luft. Durch das Vorhandensein von Lunkern an der Stahloberfläche erhöht sich das Risiko, dass die örtliche Umgebung durch das Vorhandensein von Chloridionen so verändert wird, dass Bedingungen erzeugt werden, bei denen der passive Film unstabil ist. Die festen Hydrationsprodukte von Zement, die an diesen Standorten nicht vorhanden sind, würden ansonsten gegen solche Veränderungen beständige, korrosionshemmende Eigenschaften aufweisen.
Durch die Erfindung zu lösendes Problem.
Die Effekte des Verlustes von Alkalinität durch die Wirkung von Kohlendioxid in der Atmosphäre, Chloridverunreinigung und Vorhandensein von Lunkern in dem Beton bedeuten, dass im Laufe der Zeit die Stahlarmierung korrosionsanfällig wird. Die vorliegende Erfindung stellt ein Mittel zur Verringerung dieses Problems bereit, wobei die Beständigkeit von Stahl gegen Korrosion durch die Steuerung der Menge an Luftlunkern in dem Beton und durch Bereitstellung einer Schicht aus festem Alkali auf der Stahloberfläche erhöht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Stahlbeton vorgesehen, bei dem der Inhalt an Fehlstellen bzw. Lunkern in dem Beton an der Oberfläche der Stahlarmierung unter 0,8%, vorzugsweise unter 0,5%, noch vorteilhafter unter 0,2% der Fläche des Stahls beträgt, und bei welchem auf der Stahloberfläche eine Ablagerung aus festem Alkali vorhanden ist.
Vorteilhafter Effekt der Erfindung
Die Bereitstellung der Schicht von Alkali und der niedrige Inhalt an Fehlstellen bzw. Lunkern haben ei nen korrosionshemmenden Effekt. Durch die Kombination wird der Chlorid-Schwellenwert für chloridinduzierte Korrosion von Pegeln in dem Bereich von 0,2% Gewichts-% des Zements auf über 0,5% und sogar über 1,5% oder 2% angehoben. Dadurch steigert sich die Beständigkeit Stahlbeton bedeutend.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht die in den Beispielen verwendete Vorrichtung.
2 zeigt die Kalibrierung zwischen den Lunkern an einer gegossenen Oberfläche und den Lunkern an der Stahl-Beton-Schnittstelle.
3 und 4 zeigen die in Beispiel 1 erhaltenen Ergebnisse.
5 zeigt die in Beispiel 2 erhaltenen Ergebnisse.
6 zeigt die in Beispielen 3 und 4 erhaltenen Ergebnisse.
7 zeigt die in Beispiel 4 erhaltenen Ergebnisse.
8, 9 und 10 sind rückgestreute Elektronenbilder, die in einem Rasterelektronenmikroskop von einem polierten Schnitt durch den Stahl in dem Beton erhalten wurden.
8 stellt das Ergebnis für das Vergleichsbeispiel 6 dar.
9 stellt das Ergebnis für Beispiel 7 dar und
10 stellt das Ergebnis für Beispiel 8 dar.
11 ist ein Schaubild, welches die in Beispiel 9 geleitete Last darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der Begriff festes Alkali umfasst Verbindungen, deren gesättigte Lösung in Wasser einen pH-Wert über 10 aufweist. Solche Verbindungen halten den passiven Film stabil und sind gegen einen pH-Wert-Abfall von Werten beständig, bei denen Korrosion auftreten kann, typischerweise unter 8,5. Beispiele umfassen Kalziumhydroxid, Kaliziumsilikathydratgel, verschiedene Kalziumaluminathydrate und Lithiumhydroxid.
Der Begriff Zement umfasst in der vorliegenden Spezifikation alle Bindemittel in dem Beton.
Der Begriff Lunker umfasst alle Hohlräume, die keine festen Phasen des Betons enthalten, deren Maximaldurchmesser wenigstens 100 Mikrometer beträgt. Um Zweifeln vorzubeugen: die Lunker sind nicht notwendigerweise kugelförmig und können kugelig oder unregelmäßig sein.
Vorzugsweise weist die Alkalischicht von 1 bis 500 Mikrometer Dicke, vorzugsweise nicht mehr als 100 Mikrometer Dicke, und am vorteilhaftesten nicht mehr als 80 Mikrometer Dicke auf. Vorzugsweise bedeckt die Schicht mindestens 20%, noch vorteilhafter mindestens 60%, am vorteilhaftesten mindestens 70% des Stahls.
Der Stahlbeton weist vorzugsweise einen Chlorid-Schwellenwert von wenigstens 0,5, vorzugsweise mindestens 0,8 Gewichts-% von Zement auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein Stahlbeton, bei dem der Inhalt von Lunkern an der Stahloberfläche unter 0,8%, vorzugsweise unter 0,5% der Fläche des Stahls beträgt, eine oder mehrere Opferanoden auf, die mit der Armierung verbunden sind, um einen Strom zu erzeugen, der die Bildung von Alkali an der Oberfläche des Stahls bewirkt, jedoch die Entladung von Wasserstoffgas verhindert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Prozess zur Verringerung von Korrosion der Stahlarmierung in Beton, bei dem der Inhalt von Lunkern an der Stahloberfläche unter 0,8%, vorzugsweise unter 0,5% der Fläche des Stahls beträgt, das Leiten eines elektrischen Gleichstroms zwischen einer Anode und der Armierung als die Katode, um eine Schicht aus festem Alkali an der Stahloberfläche zu bilden, wobei die Schicht eine Dicke von wenigstens einem Mikrometer aufweist und wenigstens 20% der Stahloberfläche, vorzugsweise mindestens 60% des Stahls abdeckt.
Der Prozess kann wie in dem Europäischen Patent Nr. 264.421 oder dem U.S.-Patent Nr. 4,865,702 mit zusätzlichen Schritten bewirkt werden, um den Beton zu durchnässen, vorzugsweise zu sättigen, um Porenlösung in den eingeschlossenen Lunkern an der Stahloberfläche zu positionieren.
Der Prozess der Erfindung kann bei Beton angewandt werden, der entweder frisch positioniert oder gealtert und karbonisiert ist.
Es ist ein Prozess zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Stahlarmierungen in Stahlbeton offenbart, der Folgendes umfasst:
Durchnässen, vorzugsweise Sättigen des Betons mit Wasser, um das Wasser zum Eindringen in den Beton zu veranlassen, und Leiten eines elektrischen Gleichstroms zwischen einer externen Anode und der Stahlarmierung als die Katode, und Fortsetzung des Leitens des elektrischen Stromes für eine genügende Zeitdauer, um eine Schicht aus festem Alkali, zum Beispiel Kalziumhydroxid mit einer Dicke von wenigstens einem Mikrometer auf der Oberfläche der Armierung zu bilden.
Praktischerweise sind zur Steigerung der Bildung von Kalziumhydroxid oder anderem Alkali einer oder mehrere der nachfolgenden Schritte enthalten:

(i) eine zusätzliche Quelle von Kalziumionen ist in der betonbildenden Mischung oder auf dem Stahl vor dem Gießen des Betons vorhanden
(ii) in der betonbildenden Mischung ist ein Mittel zur Unterstützung der Migration von Kalziumionen vorhanden
(iii) in der betonbildenden Mischung ist ein Mittel zur Veränderung der Morphologie des Kalziumhydroxids vorhanden
(iv) ein festes Alkali wird vor dem Gießen des Betons auf die Armierung aufgebracht, wobei der Werkstoff und seine Anwendung so konzipiert sind, dass sie gegen jeden bedeutenden Verlust ihrer hemmenden Eigenschaften beständig sind, wenn sie vor dem Gießen des Betons mit der Luft in Kontakt stehen
(v) in der betonbildenden Mischung ist ein Mittel zur Verringerung von eingeschlossenen Luftlunkern enthalten
(vi) ein Werkstoff wird vor dem Gießen des Betons auf die Armierung aufgetragen, der mit der Porenlösung in dem Beton reagieren wird, um festes Alkali auf der Armierung niederzuschlagen.

Die in der betonbildenden Mischung enthaltene zusätzliche Quelle von Kalziumionen kann ein Kalziumsalz, zum Beispiel Kalziumnitrat oder -nitrit sein.
Mit der zusätzlichen Quelle an Kalziumionen ist zusätzlich zu den Quellen an Kalziumionen, die üblicherweise in dem Portlandzement vorhanden sind, Kalziumaluminatzement und Pozzolanzement gemeint, die bei der Zementherstellung verwendet werden. Geeignete Mengen sind so bemessen, dass sie eine Menge von Kalziumionen von wenigstens 0,1% und vorzugsweise von 1 bis 5% pro Gewichts-% von Zement in dem Beton bereitstellen.
Das Mittel zur Unterstützung der Migration von Kalziumionen kann jedes beliebige Mittel sein, welches die Löslichkeit von Kalziumionen steigert, zum Beispiel ein Sequestrierungsmittel wie zum Beispiel Ethylendiamintetraessigsäure.
Das Mittel zur Veränderung der Morphologie von Kalziumhydroxid kann ein Polysaccharid oder eine Verbindung wie zum Beispiel Diethylenglykolether sein.
Die Schicht aus Alkali, die Kalziumhydroxid sein kann, kann auf die Armierung mittels eines Überzugsprozesses wie zum Beispiel mit elektrostatischem Spritzen aufgetragen werden. Dadurch wird ein Reservoir von Alkali auf der Armierung bereitgestellt, welches die Alkalinität aufrechterhält.
Ein Werkstoff, der festes Alkali auf dem Stahl niederschlagen kann, wenn er mit der Porenlösung des Betons in Kontakt gebracht wird, ist Kalziumnitrat. Dieses wird mit den Natrium- und Kaliumhydroxiden in der Po renlösung reagieren, um sparsam lösliches Kalziumhydroxid zu erzeugen.
Weiterhin ist ein Prozess zum Verringern von Korrosion von Stahlarmierungen in Stahlbeton offenbart, der Folgendes umfasst:
Durchnässen des Betons mit Wasser, um das Wasser zum Eindringen in den Beton zu veranlassen, und Leiten eines elektrischen Gleichstroms zwischen einer Anode und der Stahlarmierung als Katode, um eine Schicht aus festem Alkali, zum Beispiel Kalziumhydroxid mit einer Dicke von wenigstens einem Mikrometer auf der Stahloberfläche zu bilden.
Weiterhin ist ein Prozess zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit von Stahl in Stahlbeton offenbart, der vor dem Gießen des Betons das Aufbringen von festem Alkali auf den Stahl umfasst, vorzugsweise um eine Schicht von mindestens einem Mikrometer und weniger als 500 Mikrometer Dicke auf der Stahloberfläche zu bilden und dann den Beton zu gießen.
Das feste Alkali kann vor Ort durch Aufbringen eines Werkstoffes gebildet werden, der mit der Porenlösung des Betons reagiert, um das feste Alkali zu bilden.
Die Erfindung ist durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, wovon 1–5 Teil der beanspruchten Erfindung sind, wobei die anderen zwecks Vollständigkeit enthal ten, jedoch nicht Teil der beanspruchten Erfindung sind.
In allen Beispielen wurde der zur Initiierung von Korrosion von in Beton eingebettetem Stahl (Chlorid-Schwellenwert) erforderliche Chloridgehalt unter Verwendung der in 1 dargestellten Vorrichtung gemessen.
Betonprüfstücke, die eine zentral positionierte Weichstahlstange (1) mit 20 mm Durchmesser enthielten, wurden in eine 150 mm-Würfelgießform gegossen.
Vor dem Gießen wurden die Weichstahlstangen gereinigt, um Oxidschuppen zu entfernen, und die Stangenenden wurden unter Verwendung eines zementartigen Überzuges (2) maskiert, um Alkali auf den Stahl in dem maskierten Bereich aufzubringen, und schließlich mit einer Wärmeschrumpfisolierabdeckung abgedeckt. Der zu dem Beton freiliegende Bereich der Stange wies 100 mm Länge auf.
Die Betonprüfstücke wurden unter Verwendung von Zement mit 275 kg/cm³ hergestellt.
Bei dem Zement handelte es sich (i) um gewöhnlichen Portlandzement oder (ii) schwefelbeständigen Portlandzement oder (iii) eine 70:30-Mischung nach Gewicht von gewöhnlichem Portlandzement und pulverisierter Flugasche (PFA) oder (iv) eine 35:65-Mischung nach Gewicht von gewöhnlichem Portlandzement und gemahlener, granu lierter Hochofenschlacke (GGBS). Zusätzlich zu dem Zement wurde Feinzuschlag mit 680 kg/m³ (Sand der Qualität M) und 10 mm-Zuschlag mit 1230 kg/m³ verwendet. Das Verhältnis von freiem Wasser zu Zement betrug 0,4.
Diese Betonmischkonzeption wurde ausgewählt, weil es durch die Veränderung des Verdichtungsgrades möglich war, unter Laborbedingungen den typischerweise in wirklichen Betonstrukturen aufgefundenen, eingeschlossenen Luftinhalt zu reproduzieren. Nach Härten während eines Minimums von einem Monat in Kunststoff eingewickelt, wurde die Abdeckung eines jeden Prüfstückes auf 15 mm verringert, indem eine Scheibe von einer Seite des Würfels parallel zu den Stahlstangen abgeschnitten wurde. Ein Sperrüberzug wurde auf die verbleibenden gegossenen Oberflächen aufgebracht. Die Prüfstücke wurden mit Wasser gesättigt und dann in einen Tank (4) eingetaucht, der eine Kochsalzlösung (3) enthielt. Das Ende des Stahls, welches von dem Prüfstück hervorstand, wurde elektrisch mit einer externen Katode (10) verbunden, die aus einem aktivierten Titansieb bestand, welches in die Kochsalzlösung in dem Tank eingetaucht war. Die Lösung 3 in dem Tank wurde durch eine Belüftungsvorrichtung (5) belüftet und unter Verwendung einer Pumpe (nicht dargestellt) umgewälzt. Der zwischen der Armierung und der Katode fließende Strom wurde gemessen. Die Katode hielt den Stahl auf einem Potential von annähernd –120 mV (gegenüber einer gesättigten Kalomelelektrode). Bei dieser Anordnung diffundierten Chloridionen von der Lösung in dem Tank durch den Beton in Richtung des Stahls. Schließlich reichte der Chloridgehalt in dem Stahl aus, um Korrosion zu initiieren. Dies wurde durch einen sehr scharfen Anstieg des Stromes zwischen dem Stahl und der Katode von einigen wenigen Milliampère zu mehreren Zehnteln oder mehreren Hundertsteln Milliampère angezeigt. Die Prüfstücke wurden nachfolgend von dem Tank entfernt und gespalten, um den Zustand der Stahloberfläche visuell zu untersuchen. Dies wurde fotografiert. Die prozentuale Fläche der Lunker wurde auf einer gegossenen externen Oberfläche des Betons mengenmäßig erfasst, und in vielen Fällen wurden die Lunker auf der Stahloberfläche unter Verwendung eines Bildanalysesystems in schwarze Pixel in einem Bitmap umgewandelt, die als ein Prozentsatz der Gesamtanzahl von Pixeln ausgedrückt werden konnten. Der Prozentsatz an Lunkern an der Schnittstelle (der Stahloberfläche) wird mit demjenigen an der gegossenen Oberfläche in 2 verglichen.
Die Chloridprofile wurden durch Schleifen gemessen, um Staubmuster mit Steigerungsstufen von 1 mm Tiefe innerhalb von 2 Stunden des Entfernens der Betonprüfstücke von dem Tank zu erzeugen. Der Chloridgehalt eines jeden Musters wurde durch säurelösliche Extraktion in einer Salpetersäurelösung gemessen, woraufhin eine potentiometrische Titration gegen Silbernitrat folgte. Dadurch ergab sich das Chloridprofil (Chlorid in Abhängigkeit von Tiefe) zu dem Zeitpunkt, als die Prüfstücke von dem Tank entfernt wurden.
Ein durch die Gleichung gegebenes Diffusionsprofil wurde dann diesen Daten angepasst: C(xt) = CSerfc(x/2Dt)
Wobei C(xt) der Chlorgehalt in Abhängigkeit von der Distanz x und Zeit t ist, C_S der Chloridgehalt an der Betonoberfläche, und D der offensichtliche Diffusionskoeffizient ist. Dieses Modell wurde dann zur Berechnung des Chloridgehaltes in der Tiefe des Stahls zu dem Zeitpunkt verwendet, an dem Korrosionsinitiierung durch Strommessungen erkannt wurde.
Es wurden an dieser grundlegenden Versuchdurchführung Ergänzungen vorgenommen, um die Beispiele zu erzeugen.
Beispiel 1 Effekt von eingeschlossenen Luftlunkern an dem Stahl auf den Chlorid-Schwellenwert.
Die Verdichtungszeit der Prüfstücke wurde verändert, um eine variable Menge an eingeschlossener Luft in dem Beton, und somit eine variable Anzahl von eingeschlossenen Luftlunkern an der Stahl-Betonschnittstelle zu belassen.
3 zeigt die berechneten Chloridprofile zum Zeitpunkt der Korrosionsinitiierung für ein gut verdichtetes und ein schlecht verdichtetes Prüfstück. Ebenfalls enthalten sind die Zeiten der Korrosionsinitiierung und Fotos des Zustandes der Stahl-Betonschnittstelle. Es ist wesentlich weniger eingeschlossene Luft an dem Stahl in den gut verdichteten Prüfstücken enthalten, sein Chlorid-Schwellenwert ist viel höher, und seine Zeit bis zur Korrosionsinitiierung war viel länger.
4 zeigt die Chlorid-Schwellenwerte für diese Prüfstücke in Abhängigkeit von der prozentualen Fläche der Stahl-Betonschnittstelle, die mit Lunkern bedeckt war.
Dies zeigt, dass bei etwa 0,8% Lunkern der Chlorid-Schwellenwert beginnt, sich schnell zu erhöhen, wobei der Schwellenwert bei weiterer Verringerung des Lunkerinhaltes auf über 2 Gewichts-% des Zementes ansteigen kann.
Beispiel 2 Elektrochemische Behandlung von gehärtetem Beton: Effekt auf den Chlorid-Schwellenwert.
Chlorid-Schwellenwerte wurden auf Betonprüfstücken bestimmt, die elektrochemisch behandelt und gealtert wurden. Dies wurde nach dem Gießen und Härten, jedoch vor dem Verringern der Abdeckung und weiteren Prüfstückherstellung und dem Testen durchgeführt.
Die elektrochemische Behandlung bestand aus dem Leiten eines Stromes von 4 Ampère/m² von Stahl zu den in dem Beton eingebetteten Stahlstangen für 10 Tage. Dies wurde durch die Positionierung der Prüfstücke in einem Tank erreicht, der Wasser und eine Anode enthielt. Der pH-Wert des Wassers wurde unter Verwendung einer kleinen Menge von Salpetersäure auf einen Wert von 6 verringert. Die Alterung für 7 Tage bestand aus der Positionierung der Prüfstücke in Wasser bei 40°C für 40 Minuten, woraufhin jeden Tag Trocknen bei Raumtemperatur folgte. Der Prozess der Alterung und der Beimischung von Salpetersäure in den für die elektrochemische Behandlung verwendeten Tank wurde durchgeführt, um den pH-Wertanstieg zu begrenzen, der durch den Strom an der Katode induziert worden wäre.
Die Chlorid-Schwellenwertdaten sind in 5 gegeben, und umfassen auch die zu Vergleichszwecken an die Daten in 4 angepasste Trendlinie. Die elektrochemische Behandlung hatte einen deutlichen Anstieg des Chlorid-Schwellenwertes zum Ergebnis, wobei Werte über 2% bei 3 der 4 Prüfstücke erhalten wurden.
Ein Hinweis auf den pH-Wert in dem Stahl wurde unter Verwendung von annähernd 2 Gramm von Betonmustern erhalten, die durch Schleifen aus der Nähe des Stahls entfernt worden waren. Es wurden Muster von einem Prüfstück entfernt, welches elektrochemisch behandelt worden war, wobei ein Prüfstück, welches keine Behandlung erhielt, nur gealtert worden war. Diese Muster wurden entionisiertem Wasser in einer Zentrifugenröhre beigemischt, die abgedichtet, geschüttelt und für 20 Tage in einem abgedichteten Gehäuse stehengelassen wurde, von welchem Kohlendioxid entfernt worden war. Das Verhältnis Muster-zu-Wassergewicht betrug 2:5. Diese Muster wurden dann zentrifugiert, und der pH-Wert der Lösung wurde gemessen. Die elektrochemisch behandelten Prüfstücke erzeugten ein Muster mit einem pH-Wert von 12,71, während die unbehandelten Prüfstücke ein Muster mit einem pH-Wert von 12,69 erzeugten.
Diese pH-Wertunterschiede sind vernachlässigbar. Somit bestand der Haupteffekt der elektrochemischen Behandlung und Alterung nicht darin, den absoluten pH-Wert zu erhöhen. Der Niederschlag von Hydroxiden wie zum Beispiel Kalziumhydroxid auf dem Stahl und dem Standort der eingeschlossenen Luftlunker würde jedoch die Beständigkeit gegenüber einem Abfall des pH-Wertes unter einen Wert von annähernd 12,5 erhöhen.
Dadurch zeigt sich, dass ein elektrischer Strom den Chlorid-Schwellenwert für eine gegebene Lunkerfläche an dem Stahl beim Beginn der Behandlung erhöhen wird. Die Ergebnisse sind in 5 enthalten.
Beispiel 3 Auf Beton angewandte elektrochemische Behandlung vor dem Härten: Effekt auf den Chlorid-Schwellenwert.
Ein abbindendes Betonprüfstück wurde elektrochemisch behandelt. Die Behandlung begann innerhalb von 0,5 Stunden nach dem Gießen des Betons.
Die elektrochemische Behandlung bestand aus dem Halten des Stahls bei –900 mV auf der gesättigten Kalomelelektrode (SCE) für die ersten 18 Stunden. Der Strom wurde dann für die nächsten 24 Stunden konstant auf 500 mA/m² gehalten, und wurde dann für die nächsten 90 Stunden auf 300 mA/m² reduziert. Der Rest der Herstellung und des Testens der Prüfstücke war so, wie oben in dem allen Beispielen gemeinsamen Abschnitt Versuchsdurchführung beschrieben.
Die geleitete Gesamtlast betrug Ampèretage pro m² Stahl für die gehärteten Prüfstücke. Unerwarteterweise ergab die vor dem Härten auf den Beton angewandte Behandlung einen bedeutenden Vorteil mit einer viel geringeren Last.
Die Ergebnisse sind in 5 enthalten und zeigen, dass der Chlorid-Schwellenwert mit einer relativ kleinen Last bei einem Lunkerinhalt von etwa 1% erhöht wurde.
Beispiel 4. Effekt des Überziehens des Stahls mit Kalziumhydroxid, welches in Diethylenglykolether in Form einer Suspension vorhanden ist, vor dem Gießen des Betons, auf den Chlorid-Schwellenwert.
Es wurden Chlorid-Schwellenwerte bei Stahl enthaltenden Betonprüfstücken bestimmt, der mit einer Suspension von Kalziumhydroxid in Diethylenglykolether überzogen wurde. Dieser Überzug wurde nach der Reinigung des Stahls, jedoch vor dem Gießen des Betons aufgetragen. Dieser Überzug wurde ausgewählt, um eine Beständigkeit gegenüber einem Abfall des pH-Wertes nach dem Gießen des Betons zu präsentieren. Weiterhin würde die Karbonisierung des Überzuges durch das Nichtvorhandensein von Wasser begrenzt werden.
Die Chlorid-Schwellenwertdaten sind in 6 gemeinsam mit der zu Vergleichszwecken an die Daten von 4 angepassten Trendlinie gezeigt. Die Lunker an der Stahloberfläche konnten auf Grund des Betonüberzuges nicht genau gemessen werden. Daher werden diese Daten gegen den Prozentsatz an Lunkern an der gegossenen Oberfläche geplottet. Der Überzug hatte eine Erhöhung des Chlorid-Schwellenwertes für einen gegebenen eingeschlossenen Luftlunkerinhalt zum Ergebnis. Die Ergebnisse sind in 6 dargestellt.
Dadurch zeigt sich, dass ein Überzug aus festem Alkali auf dem Stahl den Chlorid-Schwellenwert für eine gegebene Lunkerfläche auf dem Stahl erhöhen wird.
Beispiel 5. Verwendung des Super-Weichmachers Conplast M4 zur Verringerung des eingeschlossenen Luftlunkerinhaltes.
Chlorid-Schwellenwerte wurden auf Betonprüfstücken bestimmt, bei denen ein sulfonierter Melaminformaldehyd-Superweichmacher verwendet wurde, der als Conplast M4 bekannt ist und von Fosroc International erhalten wurde, um den eingeschlossenen Luftlunkerinhalt durch Verbesserung der Herstellbarkeit im Gegensatz zu seiner allgemeinen Verwendung als ein Wasserreduktionsmittel oder ein Mittel zur Minimierung des Bedürfnisses nach Betonrüttelhilfen zu verringern. 1% Gewichts-% Conplast M4 des Zements wurde der Zementmischung vor dem Gießen des Betonprüfstückes beigemischt. Dieser Superweichmacher wurde ausgewählt, weil er in Beton nicht reagiert, um Gas zu erzeugen.
Die Chlorid-Schwellenwertdaten sind in 7 gemeinsam mit der zu Vergleichszwecken an die Daten von 4 angepassten Trendlinie gegeben. Der Superweichmacher hatte eine Verringerung an Lunkern und eine Erhöhung des Chlorid-Schwellenwertes im Vergleich zu demjenigen zum Ergebnis, der durch Betonverdichtung ohne Vorhandensein von Superweichmacher erreicht werden könnte.
Dadurch zeigt sich, dass ein Superweichmacher die Lunkerfläche auf dem Stahl verringern und den Chlorid-Schwellenwert erhöhen kann.
Versuchsdetails für die Versuchsdurchführung mittels Rasterelektronenmikroskop
Die Details sind den Beispielen 6, 7, 8 und 9 gemeinsam.
Zylindrische Betonprüfstücke mit 72 mm Durchmesser wurden mit einem zentral positionierten Stahlband gegossen (17 mm breit bei 70 mm Länge, eingebettet in den Beton). Der Beton mit einem Verhältnis von freiem Wasser zu Zement von 0,4 enthielt gewöhnlichen Portlandzement mit 275 kg/m^–3 (OPC), Feinzuschlag mit 680 kg/m^–3 (Sand der Qualität M) und 10 mm-Zuschlag mit 1230 kg/m^–3 (Kies aus dem Tal der Themse). Die Prüfstücke wurden für 2 Wochen gehärtet. Die Stücke wurden für 2 Wochen gehärtet. Die Musterherstellung bestand aus dem Schneiden eines Stahl enthaltenden Segmentes, Trocknen, Vakuumtränkung mit Harz, Läppen, Einwickeln und Polieren.
Vorversuche zur Erzeugung eines polierten Querschnittes von Stahl in Beton für eine Rasterelektronenmikroskopuntersuchung hatten einen Haarriss an der Schnittstelle zum Ergebnis. Solche Probleme stellten Schwierigkeiten bei anderen Untersuchungen dar. Mögliche Gründe von Defekten sind Schneid- und Polierwerkstoffe mit unterschiedlicher Härte, kleinen Unterschieden bei der Ausdehnung, wenn die Muster ofengetrocknet waren, Trockenschrumpfung der Zementpaste und Laugen von löslichen Arten während dem Polieren. Eine Anzahl von Schritten wurde unternommen, um diese Effekte zu begrenzen. Ein dünnes (50 μm) Stahlband wurde zur Begrenzung nachteiliger Effekte von Schneiden und Polieren verwendet. Die Muster wurden während dem Polieren fest unterstützt, und es wurden Schleifmedien auf Ölbasis verwendet. Die Notwendigkeit des Trocknens wurde verringert, wenn die Muster in einem Rasterelektronenmikroskop mit niedrigem Unterdruck bei einem Druck von 9 Pa untersucht wurden. Begrenztes Trocknen der Muster wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Die niedrigen Unterdruckbedingungen bedeuteten auch, dass ein leitender Überzug des Musters nicht erforderlich war. Als Ergebnis konnten Muster mit einer guten Stahl-Betonschnittstelle einheitlich produziert werden.
Es wurde ein JEOL 5410LV-Rasterelektronenmikroskop verwendet. Die Instrumentenparameter für das Rasterelektronenmikroskop waren Folgende:
Beschleunigungsspannung = 20 kV;
Strahlladungsstrom = 55 ☐A;
Strahlpunktgröße (SS) Einstellung = 12.
Beispiel 6 ist zu Vergleichszwecken vorhanden.
Zum Vergleich wurde ein Kontrollprüfstück (PS1) ohne Beimischungen zu dem obigen Versuchsverfahren gegossen.
Dieses ist in 8 dargestellt, wobei in dem Rasterelektronenmikroskop ein rückgestreutes Elektronenbild eines polierten Schnittes durch den Stahl in Beton erhalten wurde. Die grauen Skalen in diesen Bildern sind von der Elektronendichte des Werkstoffes abhängig. Die Phasen, die von Interesse sind, die in Bezug auf ihre Helligkeit eingestuft sind, sind der Stahl (am hellsten) > unhydratisierte Zementkörnchen > Kalziumhydroxid > Gel (vorwiegend Kalziumsilikathydrat (CSH) und aluminiumtragende Hydrate und Aggregate > Porosität und Lunker (am dunkelsten). Es gibt keinen direkten Hinweis auf irgendeine bevorzugte Bildung von Kalziumhydroxid an dem Stahl.
Beispiel 7. Verwendung eines Reaktanten zur Bildung von festem Alkali durch Reaktion mit der Porenlösung.
Kalziumnitrat wurde in entionisiertem Wasser aufgelöst, um eine gesättigte Lösung zu bilden. Die Stahloberfläche wurde durch Nassschleifen in entionisiertem Wasser gereinigt, so dass das Wasser die Stahloberfläche benetzte, anstatt zu schrumpfen, um Tropfen zu bilden. Der Stahl wurde dann in die Kalziumnitratlösung eingetaucht und danach ofengetrocknet, und ein Prüfmuster wurde wie oben beschrieben hergestellt und getestet. Das Ergebnis ist in den Fotoreferenzen CT1-1 gegeben. Dies zeigt, dass Kalziumnitrat auf dem Stahl die Bildung von festem Alkali auf dem Stahl fördern kann.
Die Ergebnisse sind in 9 dargestellt, wobei es sich um ein rückgestreutes Elektronenbild handelt, welches in dem Rasterelektronenmikroskop eines polierten Schnittes durch den Stahl in Beton erhalten wurde.
Es ist ein allgemeiner Hinweis vorhanden, dass sich mehr Kalziumhydroxid in der Nähe von Stahl gebildet hat. Annähernd 50% der Stahloberfläche sind von Kalziumhydroxid bedeckt, und die Dicke des Kalziumhydroxids beträgt etwa 20 Mikrometer.
Das mit A gekennzeichnete Merkmal ist relativ rein (frei von Kieselerdeverunreinigung) und kann das Ergebnis der Reaktion eines Kristalls von Kalziumnitrat mit der Porenlösung des hydratisierenden Zementes sein.
Beispiel 8. Verwendung eines Reaktanten in der Betonmischung zur Bildung von festem Alkali durch Reaktion mit der Porenlösung, und elektrochemische Behandlung.
Ein Prüfstück (ETC1-2) wurde mit einer auf dem Umfang des Prüfstückes, welches das Stahlband umgab, angeordneten Titansiebgegenelektrode gegossen. Ein Luggin-Kapillargefäß, welches mit gesetztem Agar-Gel (2% Agar) und Kaliumchlorid (3%) gefüllt war, wurde teilweise in den Beton zwischen dem Stahl und der Gegenelektrode eingebettet. Eine wässrige Lösung, die 5% Gewichts-% Kalziumnitrat des Zements enthielt, wurde der Betonmischung vor dem Gießen beigemischt. Eine gesättigte Kalomelelektrode wurde nach dem Gießen des Prüfstückes an der Luggin-Sonde befestigt. Dann wurde eine elektrischer Strom durch Halten des Potentials des Stahles auf –800 mV im Verhältnis zu der gesättigten Kalomelelektroden-Referenzelektrode unter Verwendung eines Potentiostats zu dem Stahl geleitet, während sich der Beton innerhalb von 0,5 Stunden nach dem Gießen des Betons setzte und aushärtete. Die geleitete Gesamtlast betrug Ampèretage pro m² Stahl.
Dadurch zeigt sich, dass ein elektrischer Strom eine Schicht von Kalziumhydroxid an der Stahloberfläche erzeugen kann, wenn der Betonmischung Kalziumnitrat beigemischt wird.
Die Ergebnisse sind in 10 dargestellt, wobei es sich um ein rückgestreutes Elektronenbild handelt, welches in dem Rasterelektronenmikroskop eines polier ten Schnittes durch den Stahl in dem Beton erhalten wurde.
Es ist ein klarer Hinweis auf die Bildung einer Schicht von Kalziumhydroxid auf dem Stahl vorhanden. Annähernd 70% der Stahloberfläche sind von der Schicht bedeckt, und die Dicke der Schicht beträgt etwa 10 Mikrometer.
In der Zementpaste ist im Allgemeinen auch mehr Kalziumhydroxid vorhanden.
Beispiel 9. Verwendung von Zink als Opferanode, und eines Reaktanten in der Betonmischung, um ein festes Alkali durch Reaktion mit der Porenmischung zu bilden.
Es wurde ein Prüfstück gegossen, welches eine Zinkscheibe mit 45 mm Durchmesser und 5 mm Dicke enthielt. Das Zink war an der Kante angeordnet, und der Stahl war an dem Mittelpunkt des Betonprüfstückes angeordnet. Eine wässrige Lösung, die 5% Gewichts Kalziumnitrat des Zements enthielt, wurde der Betonmischung vor dem Gießen beigemischt. Das Zink wurde mit dem Stahl durch eine Strommessvorrichtung verbunden. Der Strom wurde in Abhängigkeit von Zeit aufgezeichnet, und die in Abhängigkeit von der Zeit geleitete Last wurde berechnet.
Die geleitete Last ist in 11 dargestellt, welche die Anzahl von Coulombs pro m² von Stahl gegenüber der Zeit darstellt, und mit der in Beispiel 8 geleiteten Last verglichen werden kann.
In 11 ist die zu dem Prüfstück geleitete Last dargestellt, welches auf –800 mV (SCE)(ETC1-2) gehalten wurde, und zwar durch die elektrochemische Behandlung im Vergleich zu der geleiteten Last, wenn ein Prüfstück mit einer direkt in dem Beton positionierten Zinkanode verbunden wurde.
Dies zeigt, dass eine Opferanode zum Leiten einer Last zu dem Stahl verwendet werden kann.

Claims

Stahlbeton, bei dem der Inhalt an Fehlstellen bzw. Lunker in dem Beton an der Oberfläche der Stahlarmierung unter 0,8% der Fläche des Stahls beträgt, und bei welchem um die Stahloberfläche eine Ablagerung aus festem Alkali vorhanden ist.
Stahlbeton nach Anspruch 1, wobei die Ablagerung eine Schicht aus festem Alkali auf der Stahloberfläche ist.
Stahlbeton nach Anspruch 2, wobei die Schicht eine Dicke von 1 bis 100 Mikrometer aufweist und wenigstens 20% der Stahloberfläche abdeckt.
Stahlbeton nach Anspruch 3, wobei die Schicht wenigstens 60% der Stahloberfläche abdeckt.
Stahlbeton nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Chlorid-Schwellenwert wenigstens 0,5 Gewichts-% des Zements beträgt.
Stahlbeton nach Anspruch 2, wobei eine oder mehrere Opferanoden mit der Stahlarmierung verbunden sind, wobei der galvanische Effekt ausreichend ist, um einen Strom zu erzeugen, der die Bildung von Alkali an der Oberfläche des Stahls bewirkt, jedoch die Entladung von Wasserstoffgas verhindert.
Stahlbeton nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Inhalt der Lunker in dem Beton an der Oberfläche der Stahlarmierung unter 0,5% der Fläche des Stahls beträgt.
Verfahren zum Verringern der Korrosion von Stahlarmierungen in Beton, wobei das Verfahren das Bilden eines Stahlbetons, in welchem die Lunker an der Stahloberfläche unter 0,8% der Fläche des Stahls betragen, und Leiten eines elektrischen Gleichstroms zwischen einer Anode und der Armierung als die Katode umfasst, um eine Schicht aus festem Alkali an der Stahloberfläche zu bilden, wobei die Schicht eine Dicke von wenigstens einem Mikrometer aufweist und wenigstens 20% der Stahloberfläche abdeckt.
Verfahren zum Verringern der Korrosion von Stahlarmierungen in Stahlbeton, wobei das Verfahren vor dem Gießen des Betons das Aufbringen von Alkali auf den Stahl, um eine Schicht zu bilden, das Gießen des Betons und Steuern der Gießbedingungen aufweist, so dass der Inhalt der Lunker in dem Beton an der Stahloberfläche unter 0,8% der Fläche der Stahloberfläche beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Inhalt an Lunkern in dem Beton an der Stahloberfläche unter 0,5% der Fläche der Stahloberfläche beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Alkalischicht eine Dicke von wenigstens einem Mikrometer aufweist und wenigstens 20% der Stahloberfläche bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schicht an festem Alkali eine Dicke von wenigstens einem Mikrometer auf dem Stahl aufweist.