DE69832103T2

DE69832103T2 - Verfahren zur elektrochemischen behandlung von spannbeton

Info

Publication number: DE69832103T2
Application number: DE69832103T
Authority: DE
Inventors: Masanobu Ashida; Kouichi Nishi-Kubiki-gun ISHIBASHI
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: EP1111159A1; DE69832103D1; CA2342620A1; KR20010074880A; WO2000014361A1; ATE307943T1; EP1111159B1; EP1111159A4; CA2342620C; KR100462928B1; US6524465B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektochemischen Behandlung von durch Betonrippenstahl oder PC-Stahlspannglieder verstärkte Spannbetonstrukturen. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur elektrochemischen Behandlung zur Regeneration von karbonisierten Betonstrukturen mit niedriger Beton-Alkalität, Betonstrukturen, die Chloridionen enthalten und Betonstrukturen, die einen Betonzuschlagsstoff enthalten, in denen im Beton eine Alkali-Zuschlagstoff-Reaktion auftreten kann.
STAND DER TECHNIK
Die Kombination von Beton mit hoher Druckfestigkeit und Stahl mit hoher Zugfestigkeit verleiht Betonstrukturen, wie in Spannbetonstrukturen, ein gutes dynamisches Gleichgewicht zwischen Druckfestigkeit und Zugfestigkeit, und wird deshalb bei verschiedenen wichtigen Baustrukturen, insbesondere bei Brücken und vielen großen und langen Strukturen, wie Straßen, Eisenbahneinrichtungen und Lagerhäusern, weit verbreitet verwendet.
Außerdem besitzt Beton im allgemeinen eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber der Umgebung, wie Wasser, Feuer und Sonnenlicht. Da die hohe Alkalität von Beton bei einem pH-Wert von 11 bis 13 es dem darin befindlichen Stahl ermöglicht, einen passiven Film auf der Oberfläche auszubilden, der ihn vor Korrosion schützt, wurden Betonstrukturen, wie z.B. Spannbeton, als dauerhafte und beständige Strukturen angesehen.
Die Langlebigkeit von Betonstrukturen wird jedoch nun in Frage gestellt, weil Betonstrukturen sich in ihrer Beständigkeit aufgrund verschiedener Faktoren verschlechtern, obwohl sie als haltbare Strukturen angesehen wurden.
Als Karbonisierung von Beton und Chloridangriff bezeichnete Erscheinungen tragen zur Verschlechterung von Betonstrukturen bei.
Die Karbonisierung ist eine Erscheinung, bei der aus der Hydratation von Zement resultierendes Calciumhydroxid mit atmosphärischem Kohlendioxid unter Erhalt von Calciumcarbonat reagiert, was von einem Abfall der Beton-Alkalität vom normalen pH-Wert von 11 bis 13 aufgrund des Carbonats begleitet wird. Wenn der pH-Wert auf ca. 10 sinkt, bei dem Stahl aufgrund der Zerstörung des passiven Films auf dem Stahl zu korrodieren beginnt, verlieren Betonstrukturen ihre Festigkeitsgleichgewicht und verschlechtern sich in ihrer Dauerhaftigkeit drastisch.
Eine solche Verschlechterung von Betonstrukturen ergibt ein Rosten des Stahls im Beton und ein Brechen des Stahls und ist sowohl im Hinblick auf strukturelle als auch visuelle Aspekte ein ernsthaftes Problem.
Mittlerweise spritzt an den Meeresküsten und dergleichen Seewasser auf Betonoberflächen von Betonstrukturen. Wenn das Salz im Seewasser zum Stahl innerhalb des Betons durch die Betonporen penetriert, zerstören Chloridionen den passiven Film auf dem Stahl und induzieren so die Korrosion.
Wenn unzureichend entsalzter Seesand als Zuschlag im Beton verwendet wird, enthält der Beton außerdem von Anfang an eine große Menge an Chloriden, was dazu führt, dass Stahl keinen ausreichend passiven Film zur Verhinderung von Korrosion ausbilden kann.
Mit der Ausbildung von Rissen am Beton und der Korrosion des Stahls verschlechtern sich Betonstrukturen, wie vorstehend erwähnt, in ihrer Dauerhaftigkeit.
Solche verschlechterten Betonstrukturen wurden hauptsächlich mittels der sogenannten Teilrestaurierung (sectional restoration) repariert, die ein "Abkratzen" von Beton vorn Rost auf dem Stahl oder ein "Abkratzen" von Rissen oder Störstellen am Beton und nachfolgendes Einfüllen von neuem Beton oder Mörtel umfasst.
Eine Teilrestaurierung repariert nur sichtbare Verschlechterungen, wie z.B. Rost am Stahl und Rissbildung und Abblättern von Beton, und ist keinesfalls auf Beton mit einer nicht-identifizierbaren Verschlechterung anwendbar, nämlich Beton, der durch eine unsichtbare Verschlechterung, die latent vor sich geht, gefährdet ist.
Um die primären Ursachen einer Karbonisierung von verstärkten Betonstrukturen und einen Chloridangriff zu beseitigen, wird die Anwendung von elektrochemischen Ausbesserungsverfahren beschrieben (JP-A-1-176287 und JP-A-2-302384).
Eines dieser Verfahren umfasst das kontinuierliche Zuführen von Gleichstrom zwischen dem von karbonisiertem Beton umgebenen Stahl und einer Elektrode, die auf der Betonoberfläche angeordnet ist oder durch alkalischen Beton mit einer Alkalität mit einem pH-Wert von 11 oder darüber umgeben ist, und realkalisiert nachteilig karbonisierten Beton auf einen pH-Wert von 10 oder darüber durch Wanderung alkalischer Substanzen, wie z.B. von Natrium- oder Kaliumhydroxid, aus der alkalischen Umgebung.
Das andere Verfahren ist für Chlorid-verunreinigten Beton brauchbar und entfernt Chloridionen im Beton von der Oberfläche durch kontinuierliches Zuführen von Gleichstrom zwischen dem im Beton eingebetteten Stahl und einer Elektrode an der Oberfläche des Betons.
Weil diese Verfahren aber eine Spannung verwenden, die höher ist als die der Wasserstoff-Entwicklung, weisen sie den Nebeneffekt auf, dass das Wasser in Betonhohlräumen an der Oberfläche des Stahls als Kathode kontinuierlich zu Wasserstoffgas elektrolysiert wird.
PC-Stahlspannglieder, die üblicherweise aus Stahl hoher Zugfestigkeit bestehen, und im Beton unter hoher Spannung gehalten werden, verspröden metallographisch, wenn sie Wasserstoffgas absorbieren und in ihrer Struktur einlagern, und brechen aufgrund von Wasserstoff-Versprödung. Als Ergebnis versagen Spannbetonstrukturen dynamisch und brechen gegebenenfalls zusammen. Tatsächlich werden einige Zusammenbrüche von Spannbetonstrukturen in der Vergangenheit der Wasserstoff Versprödung von PC-Stahlspanngliedern zugeschrieben.
Obwohl ein elektrochemisches Ausbesserungsverfahren zur Ausbesserung von Betonstrukturen das geeignetste ist, war es bei der Anwendung elektrochemischer Ausbesserungsverfahren bei Spannbetonstrukturen bisher aufgrund des Wasserstoffversprödung genannten Nebeneffektes erforderlich, Sorgfalt anzuwenden.
Um eine Wasserstoffgasentwicklung an der Kathode zu verhindern, wurde der Versuch unternommen, Gleichstrom bei einer Spannung von ca. 1,0 V oder darunter zuzuführen. Dieses Ausbesserungsverfahren kann jedoch den Beton nicht reformieren und kann nur eine Korrosion des Stahls verhindern, was bedeutet, dass es notwendig ist, Gleichstrom permanent zuzuführen. Deshalb besteht im Hinblick auf die Instandhaltung und Dauerhaftigkeit der Elektrifizierungsausrüstung und die praktische Durchführbarkeit ein Problem.
US 5 312 526 beschreibt eine elektrochemische Behandlung einer Betonstruktur, die eingebettete Stahlelemente aufweist, zur Einstellung der Stahl-an-Beton-Bindungsfestigkeit.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Auf dieser Grundlage haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt, um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, und haben gefunden, dass in PC-Stahlspanngliedern eingelagerter Wasserstoff während der elektrochemischen Behandlung bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr rasch diffundiert, und dass deshalb ein elektrochemisches Ausbesserungsverfahren bei Spannbetonstrukturen ohne das schlechteste Ergebnis, nämlich Bruch der PC-Stahlspannglieder, verwendet werden kann. Auf dieser Basis haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung die vorliegende Erfindung erzielt.
Die vorliegende Erfindung stellt bereit (1) ein Verfahren zur elektrochemischen Behandlung von Spannbeton, das umfasst das Zuführen von Gleichstrom zwischen einem im Spannbeton eingebetteten Stahlspannglied als Kathode und einer Anode auf der Oberfläche oder innerhalb des Betons bei einer Spannung, die höher ist als die des Wasserstoff-Entwicklungspotentials, wobei die auf das im Beton eingebettete PC-Stahlspannglied wirkende wirksame Zugkraft nicht größer als 80% der Zugkraft des PC-Stahlspannglieds ist, (2) das Verfahren zur elektrochemischen Behandlung von Spannbeton gemäß (1), wobei die wirksame Zugkraft auf 80% oder darunter verringert wird, indem man Stahlspannglieder außerhalb der Querschnitte des Betons anbringt, um einen Teil oder die gesamte Spannung auf dem PC-Stahlspannglied innerhalb der Querschnitte des Betons zu den Stahlspanngliedern zu verschieben, (3) das Verfahren der elektrochemischen Behandlung von Spannbeton gemäß (1), wobei die wirksame Zugkraft auf 80% oder darunter verringert wird, indem man mehrere Auflagepunkte am Spannbeton vorsieht, (4) ein Verfahren zur elektrochemischen Behandlung von Spannbeton, das umfasst das Zuführen von Gleichstrom zwischen einem im Spannbeton eingebetteten Stahlspannglied als Kathode und einer Anode an der Oberfläche oder innerhalb des Betons bei einer Spannung, die höher ist als die des Wasserstoff-Entwicklungspotentials, wobei die Spannung mindestens einmal während der elektrochemischen Behandlung auf einen Wert von weniger als das Wasserstoff-Entwicklungspotential eingestellt wird, und die elektrochemische Behandlung dann bei einer Spannung wiederaufgenommen wird, die nicht niedriger ist als die des Wasserstoff-Entwicklungspotentials ist, (5) das Verfahren der elektrochemischen Behandlung von Spannbeton nach (4), wobei die Dauer der Einstellung der Spannung auf weniger als die des Wasserstoff-Entwicklungspotentials während der elektrochemischen Behandlung mindestens 1 Tag beträgt, und (6) das Verfahren der elektrochemischen Behandlung von Spannbeton nach einem der Punkte (1) bis (5), wobei Gleichstrom bei einer Stromdichte von 0,1 bis 10 A/1m², bezogen auf die Oberfläche des Betons, zugeführt wird, und die Gesamtdauer der Stromzufuhr höchstens 6 Monate beträgt.
Erfindungsgemäß können Spannbetonstrukturen, die korrodierte PC-Stahlspannglieder aufweisen, elektrochemisch behandelt werden, ohne durch das nahe der Kathode gebildete Wasserstoffgas beeinträchtigt zu werden, und die elektrochemische Behandlung bewirkt einen ausreichenden Effekt. Die vorliegende Erfindung besitzt deshalb potentielle Anwendungsmöglichkeiten auf Gebieten, wie die Verbesserung und Ausbesserung von karbonisierten Spannbetonstrukturen, Spannbetonstrukturen, die Chloridionen enthalten, und Spannbetonstrukturen, die Zuschlagstoffe enthalten, die eine Alkali-Zuschlagstoff-Reaktion ausbilden können, und ist auf diesen Gebieten wahrscheinlich sehr brauchbar. Es ist außerdem möglich, Spannbetonstrukturen zu festigen durch elektrochemisches Zuführen verschiedener Substanzen in Spannbetonstrukturen durch Elektrophorese.
BESTE ERFINDUNGSGEMÄßE AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung wird nun detailliert beschrieben.
Ausgehärteter Beton enthält im allgemeinen reichliche Mengen an wässeriger Calciumhydroxid-Lösung als Porenwasser und das Porenwasser wirkt als Elektrolyt zur Übertragung von elektrischem Strom, wenn an den Beton eine Spannung angelegt wird. Der Strom hängt von dem dem Beton inhärenten Widerstand und der angelegten Spannung ab. Im allgemeinen ist eine Spannung von mindestens 5 V, vorzugsweise von mindestens 10 V, am Beton anzulegen, um Gleichstrom zuzuführen, der zur Wiederherstellung von karbonisierten Spannbetonstrukturen und Spannbetonstrukturen, die unter einem Chloridangriff leiden, erforderlich ist.
Während der elektrochemischen Behandlung wird Wasser an der Oberfläche des PC-Stahls, der als Kathode dient, elektrolysiert, wie durch die Formel (1) dargestellt. 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH Formel (1)
Das Wasserstoff-Entwicklungspotential für Formel (1) wird als durch die folgende von der Nernst-Gleichung abgeleitete Gleichung repräsentiert angesehen. E = E0 + (RT/nF)1n(a0/aR) = E0 – 0,05916 × pH = –0,316 – 0,05916 × pH[V]
Wenn der pH-Wert der Innenseite des Betons ca. 10,0 bis 13,6 beträgt, ist deshalb E = –0,908 bis –1,121 V, und der absolute Wert des Wasserstoff-Entwicklungspotentials beträgt ca. 0,9 bis 1,1 V.
Deshalb bewirkt die Mindestspannung von 5 V für die elektrochemische Behandlung, die im Hinblick auf den absoluten Wert höher ist als der der Wasserstoffentwicklung, immer eine Bildung von Wasserstoffgas in der Nähe der Kathode.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung untersuchten die Wirkungen von Wasserstoffgas auf den PC-Stahl in Spannbeton unter einer Spannung mit einem absoluten Wert innerhalb eines Bereiches, der eine Wasserstoffentwicklung ermöglicht, im Detail. Als Ergebnis wurde gefunden, dass, wenn die auf PC-Stahlspannglieder in Spannbeton wirkende wirksame Zugkraft nicht größer als 80% der Zugkraft des PC-Stahls ist, eine Regeneration ohne Wasserstoffversprödung durch Wasserstoffgas oder mit wenig temporärer Wasserstoffversprödung, die sofort ausgeräumt werden kann, erzielt werden kann, und dass der im PC-Stahl gelagerte Wasserstoff diffundiert und abnimmt, um eine sichere elektrochemische Behandlung zu ermöglichen, wenn die Spannung auf einen Wert, der niedriger ist als das Wasserstoff-Entwicklungspotential, mindestens einmal während der elektrochemischen Behandlung eingestellt wird, und die elektrochemische Behandlung dann bei einer Spannung wiederaufgenommen wird, die nicht niedriger ist als das Wasserstoff-Entwicklungspotential. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis dieser Erkenntnisse erzielt.
Die zur Prüfung von PC-Stahlstäben auf Versprödung durch Wasserstoff, der mit der Zeit diffundiert (nachfolgend als diffundierbarer Wasserstoff bezeichnet), verwendete Testmethode umfasst das Gießen und Härten von Beton um PC-Stahlstäbe, die in einer Gegenkraftform aus Metall unter Spannung gehalten werden, und nachfolgendes Zuführen von Gleichstrom mit einer Stromdichte von 0,1 bis 10 A/m², bezogen auf die Oberfläche des Betons. Der elektrochemischen Behandlung folgte die Entnahme der PC-Stahlstäbe, und dann die Messung des eingelagerten Wasserstoffs durch thermische Analyse und den Slow-Strain-Rate-Technique-Test (= SSRT-Test). In einem SSRT-Test wird der Einfluss von Wasserstoffgas durch die Reißdehnung, insbesondere die Verringerung der Fläche, der PC-Stahlstäbe, gut wiedergespiegelt.
Als Ergebnis wurde gefunden, dass, ➀ wenn die wirksame Zugkraft, die auf die PC-Stahlstäbe einwirkt, nicht größer als 80% der Zugkraft der PC-Stahlstäbe ist, kein Einfluss auf die Verringerung der Fläche oder nur ein vorübergehender Einfluss vorhanden ist, wodurch sich die Verringerung der Fläche rasch erholt, d.h. mit anderen Worten, die PC-Stahlstäbe regenerieren sich, dass ➁ die Menge des in den PC-Stahlstäben eingelagerten diffundierbaren Wasserstoffs mit dem Produkt aus Stromdichte und Dauer der Stromzufuhr korreliert, dass, ➂ wenn der eingelagerte diffundierbare Wasserstoff geringer als eine bestimmte Menge ist (nachfolgend als kritische Menge von diffundierbarem Wasserstoff bezeichnet), sich im SSRT-Test kein Einfluss von Wasserstoffgas zeigt, und dass ➃ nach Unterbrechung der Stromzufuhr diffundierbarer Wasserstoff rasch aus den PC-Stahlstäben im Verlauf der Zeit abgegeben wird.
Es wurde festgestellt, dass, wenn Spannbetonstrukturen elektrochemisch durch Zuführen eines Stroms behandelt werden,

1) keine Notwendigkeit besteht, den Einfluss von Wasserstoff zu berücksichtigen, wenn die wirksame Zugkraft, die auf die PC-Stahlspannglieder wirkt, nicht größer ist als 80% der Zugkraft der PC-Stahlspannträger, und
2) selbst wenn der Einfluss von Wasserstoffgas berücksichtigt werden muss, der Einfluss von Wasserstoffgas auf die PC-Stahlspannglieder auf Null abgeglichen werden kann, indem man die Spannung während der elektrochemischen Behandlung vorübergehend auf weniger als das Wasserstoff-Entwicklungspotential reduziert, bevor der gespeicherte Wasserstoff in den PC-Stählen die kritische Menge an diffundierbarem Wasserstoff erreicht, um den diffundierbaren Wasserstoff rasch abzugeben, und dann die elektrochemische Behandlung bei einer Spannung, die nicht geringer ist als das Wasserstoff-Entwicklungspotential, wiederaufnimmt.

Nach dem vorstehend genannten Prinzip 1) ist nämlich, wenn die wirksame Zugkraft, die auf die PC-Stahlspannglieder wirkt, größer als 80% der Zugfestigkeit ist, eine elektrochemische Behandlung möglich, wenn die wirksame Kraft auf 80% oder darunter verringert wird, durch ➀ Verstärken der Spannbetonstruktur ohne Kabel oder dergleichen, nämlich indem man Spannglieder außerhalb der Querschnitte des Betons platziert, um einen Teil oder die gesamte Spannung an den PC-Stählen innerhalb der Querschnitte des Betons zu den Spanngliedern zu verschieben, ➁ durch Vorsehen von mehr Auflagepunkten an den Spannbetonstrukturen, oder ➂ durch Vermindern von Spannungen durch ➀ und ➁. Selbst wenn es unmöglich ist, die wirksame Zugkraft auf 80% oder darunter zu verringern, ist nach dem Prinzip ➁ eine elektrochemische Behandlung möglich, indem man eine Dauer der Stromzufuhr bei einer Spannung von nicht weniger als der des Wasserstoff-Entwicklungspotentials, eine Dauer bei einer Spannung, die geringer ist als die des Wasserstoff-Entwicklungspotentials, und eine Dauer der Stromzufuhr bei einer Spannung, die nicht geringer als die des Wasserstoff-Entwicklungspotentials ist, wiederholt. Es braucht außerdem nicht erwähnt zu werden, dass, wenn die wirksame Zugkraft nicht größer als 80% ist, die elektrochemische Behandlung sicher während einer längeren Zeit durchgeführt werden kann. Weil die kritische Menge an diffundierbarem Wasserstoff vom "Verhältnis der wirksamen Zugkraft zur Zugfestigkeit" abhängt, kann die kritische Menge an diffundierbarem Wasserstoff aus einer Bewertung des Verhältnisses bestimmt werden, auch wenn die PC-Stahlspannglieder Querschnittsdefekte durch Korrosion erleiden.
Der beste Weg dafür, dass eine Dauer der Spannung unterhalb des Wasserstoff-Entwicklungspotentials ist, ist es, die Stromzufuhr zu unterbrechen, nämlich die Spannung auf Null abzusenken. Die Dauer bei einer Spannung unterhalb des Wasserstoff-Entwicklungspotentials wird deshalb nachfolgend als "eine Unterbrechung" bezeichnet. Deshalb ist die Wiederholung einer Dauer der Stromzufuhr, einer Unterbrechung und einer Dauer der Stromzufuhr am geeignetsten.
Im allgemeinen brauchen PC-Stahlspannglieder ca. 4 bis 10 Wochen, um die gleiche Menge an Wasserstoff wie die kritische Menge an diffundierbarem Wasserstoff einzulagern, obwohl dies von der Stromdichte und dem Korrosionsgrad der PC-Stahlspannglieder abhängt. Es ist deshalb möglich, die Stromzufuhr bis zu maximal 10 Wochen fortzusetzen, bevor eine Unterbrechung zur Freisetzung des in den PC-Stahlspanngliedern eingelagerten Wasserstoffs, erfolgt, und nach der Abgabe des diffundierbaren Wasserstoffs wird die Stromzufuhr wieder bei einer Spannung aufgenommen, die nicht geringer ist als das Wasserstoff-Entwicklungspotential. Nach Wiederaufnahme der Stromzufuhr wird die Stromzufuhr wieder unterbrochen, um den Wasserstoff abzugeben, bevor der in den PC-Stahlspanngliedern eingelagerte Wasserstoff die kritische Menge an diffundierbarem Wasserstoff erreicht.
Die maximale Dauer der Stromzufuhr vor einer Unterbrechung beträgt ca. 10 Wochen. Weil jedoch eine kürzere Dauer der Stromzufuhr günstige Ergebnisse einer geringeren Wasserstoffeinlagerung in PC-Stahlspanngliedern und eine erhöhte Sicherheit ergibt, beträgt die Dauer der Stromzufuhr vorzugsweise 8 Wochen oder weniger, insbesondere 6 Wochen oder weniger.
Die Definitionen der zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendeten Ausdrücke sind die folgenden.

➀ "Stahl" bedeutet PC-Stahlspannglieder, Betonrippenstahl, Stahlrahmen und dergleichen, wie sie für Betonstrukturen verwendet werden, und können innerhalb oder außerhalb des Betons angebracht sein.
➁ "Spannung" ("Vorspannung") bedeutet eine vorher oder nachher absichtlich applizierte Druckspannung zum Zwecke eines Entgegenwirkens oder Verringerns der durch Belastung hervorgerufenen Zugspannung.

➂ "Spannbeton" ("vorgespannter Beton") ist ein Beton mit einer durch Spannglieder applizierten Spannung (Vorspannung) und enthält im allgemeinen Strukturmaterialien, wie z.B. PC-Stahlspannglieder, Betonrippenstahl und Stahlrahmen.
➃ "PC-Stahl" bedeutet einen Stahl hoher Festigkeit, der zur Applikation von Spannung (Vorspannung) als Spannglieder verwendet wird.
➄ "Wirksame Zugkraft" ist die Zugkraft, die auf die Spannglieder nach Applikation von Spannung (Vorspannung) auf den Beton und nachfolgende Zusammenzieh- und Trocknungsschrumpfung des Betons und Relaxation der PC-Stahlspannglieder wirkt.
➅ "Zugfestigkeit" bedeutet die Zugfestigkeit im Falle eines PC-Stahlstabes oder eines deformierten PC-Stahlstabes mit geringem Durchmesser und Zugbelastung im Falle von PC-Stahldrähten, PC-Stahlsträngen oder PC-Hartstahldrähten.

Der Zweck der Unterbrechungen während der elektrochemischen Behandlung ist es, den in den PC-Stahlspanngliedern durch Stromzufuhr eingelagerten diffundierbaren Wasserstoff während der Unterbrechung rasch freizusetzen und abzuführen.
Eine Unterbrechung muss deshalb lang genug sein, um diffundierbaren Wasserstoff abzuführen. Die thermische Analyse von in PC-Stahl eingelagertem Wasserstoff zeigte, dass die Dauer einer Unterbrechung mindestens 1 Tag betragen sollte und vorzugsweise mindestens 3 Tage. Wenn die Dauer einer Unterbrechung kürzer als 1 Tag ist, ist eine sorgfältigere Untersuchung erforderlich, weil eine geringe Menge an diffundbarem Wasserstoff im PC-Stahl verbleiben kann. Selbst wenn die Stromzufuhr wiederholt unterbrochen wird, sollte die Dauer einer Unterbrechung mindestens 1 Tag betragen.
Erfindungsgemäß soll die Stromdichte groß genug sein, um Chloridionen aus Beton zu entfernen, und um es einer alkalischen Elektrolytlösung zu ermöglichen, in den Beton einzudringen, und weil es für den Beton beabsichtigt ist, sollte die Strommenge in Relation zur Oberfläche des Betons ausgedrückt werden. Die Stromdichte beträgt üblicherweise mindestens 0,1 A/m², vorzugsweise mindestens 0,5 A/m², insbesondere mindestens 0,75 A/m², bezogen auf die Oberfläche des Betons.
Erfindungsgemäß ist die Gesamtdauer der Stromzufuhr auf höchstens 6 Monate beschränkt. Trotz der beschränkten Dauer der Stromzufuhr ist eine übermäßig hohe Stromdichte riskant. Die obere Grenze der Stromdichte ist deshalb zu definieren. Die obere Grenze beträgt vorzugsweise höchstens 10 A/m², insbesondere 7,5 A/m² und in erster Linie höchstens 5,0 A/m².
Es wird nun die erfindungsgemäß verwendete Anode beschrieben.
Eine an der Oberfläche und/oder innerhalb des Betons vorgesehene Elektrode wird im allgemeinen anodisch (+) gemacht, und leidet deshalb an einem elektrischen korrosiven Angriff. Obwohl ein üblicher Betonrippenstahl oder ein Drahtnetz verwendet werden kann, weil der Strom während einer relativ kurzen Zeit von 1 Tag bis 6 Monate zugeführt wird, ist erfindungsgemäß eine gegenüber einer elektrischen Korrosion hochbeständige Elektrode im Hinblick auf eine effiziente Wiederverwendung von Resourcen bevorzugt. Spezifischer ausgedrückt können genannt werden ➀ Titan, eine Titanlegierung, Platin und/oder damit beschichtete Metalle, ➁ Kohlenstoff in Form von Kohlenstofffasern oder eines Kohlenstoffstabes und ➂ organische Polymere mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die einem elektrischen Volumenwiderstand von 10³ Ω·cm oder darunter entspricht. Titan und Platin sind gegenüber einer elektrischen Korrosion beständig, und Kohlenstoff und organische Polymere sind ebenfalls moderat beständig.
Weil der elektrische Volumenwiderstand von Beton üblicherweise ca. 10³ bis 10⁴ Ω·cm beträgt, sind als elektrisch leitfähige Polymere solche bevorzugt, die niedrige elektrische Volumenwiderstände aufweisen, nämlich weniger als 10³ Ω·cm, vorzugsweise weniger als 10² Ω·cm und insbesondere weniger als 10 Ω·cm.
Erfindungsgemäß kann zur Zeit der elektrochemischen Behandlung von Beton eine Elektrolytlösung verwendet werden. Beispiele der Lösung umfassen wässerige Lösungen von Lithiumverbindungen und wässerige Lösungen, die Lithiumverbindungen und andere Elektrolyte enthalten, wässerige Lösungen von Hydroxiden oder Carbonaten von Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen, wässerige Lösungen von Aminen, wie z.B. Guanidincarbonat, Hydroxylamin, Chloramin und Tetraalkylammoniumhydroxid sowie Mischungen davon, und wässerige Lösungen, die Puffermittel, wie z.B. Borsäure, enthalten.
Für wässerige Lösungen von Lithiumverbindungen können wasserlösliche Lithiumverbindungen genannt werden, wie z.B. Lithiumacetat, Lithiumaluminiumhydrid, Lithiumborhydrid, Lithiumbromid, Lithiumhydroxid, Lithiumiodid, Lithiumlactat, Lithiumnitrat, Lithiumoxalat, Lithiumperchlorat, Lithiumphosphat, Lithiumpyruvat, Lithiumsulfat, Lithiumtetraborat, Lithiumnitrit, Lithiumcarbonat, Lithiumchlorid, Lithiumcitrat, Lithiumfluorid und Lithiumhydrid.
Die vorliegende Erfindung wird nun näher unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung wird jedoch keinesfalls auf solche spezifische Beispiele beschränkt.
BEISPIEL 1
Um die Wasserstoffversprödung von PC-Stahlspanngliedern zu untersuchen, wurden PC-Stahlspannglieder unter Spannung in eine Gegenkraftform aus Metall gelegt, und um die PC-Stahlspannglieder Beton gegossen und gehärtet. Der verfestigte Beton wurde ausreichend ausgehärtet und einer elektrochemischen Behandlung mit Gleichstrom unterworfen. Nach Beendigung der Gleichstromzufuhr wurde das PC-Stahlspannglied aus dem Beton gezogen und einem Slow-Strain-Rate-Technique-Test (einem SSRT-Test) unterworfen. In dem Test wurde die Differenz zwischen der Verringerung der Fläche eines PC-Stahlspanngliedes kurz nach der Herstellung (RA₀) und nach Reißen (RA) berechnet, um das PC-Stahlspannglied auf Wasserstoffversprödung zu prüfen. Eine Differenz von mehr als 20 bedeutet, dass "Wasserstoffversprödung auftrat", eine Differenz von größer als 10 aber nicht größer als 20 bedeutet, dass es "unsicher ist, ob Wasserstoffversprödung auftrat", eine Differenz von 10 oder darunter bedeutet, dass "keine Wasserstoffversprödung auftrat".
Die Verringerung der Fläche nach Reißen (RA) wird aus der folgenden Formel berechnet. RA = [1 – Querschnittsfläche von PC-Stahl an der Stelle des Risses/Querschnittsfläche des PC-Stahls vor dem Zugversuch] × 100(%)
Die Ergebnisse der Tests unter [Testbedingungen 1] an PC-Stahlspanngliedern, Typ C, Nr. 1, und Typ B, Nr. 1, sind in den Tabellen 1 bzw. 2 angegeben.
Der SSRT-Test wurde zweimal, am Tag des Abschlusses einer bestimmten Periode der kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung mit Gleichstrom und 1 Monat nach der elektrochemischen Behandlung, durchgeführt, um die Regenerierung eines PC-Stahlspanngliedes nach der elektrochemischen Behandlung zu untersuchen.
[Testbedingungen 1]

• Zugbeanspruchungsrate im SSRT-Test = 1,6 × 10^–5/s
• Zugtester: UH-2000kNA, hergestellt von Shimadzu Corporation
• PC-Stahlspannträger: Typ C Nr. 1 (Code SBPR 1080/1230) und Typ B Nr. 1 (Code SBPR 930/1080), bezeichnet mit 13 mm unter Item "JIS G 3109 (1994) PC steel bars". Zugfestigkeit (Zugversuch) = 1230 N/mm² (Typ C Nr. 1) Zugfestigkeit (Zugversuch) = 1080 N/mm² (Typ B Nr. 1)
• Elektrochemische Behandlung: Stromdichte, bezogen auf die Betonoberfläche = 1 A/m²
• Stromzufuhrdauer: 1 bis 180 Tage
• Wirksame Zugkraft 50 bis 90%
• Elektrolytlösung: gesättigte wässerige Calciumhydroxid-Lösung

Tabelle 1
Tabelle 2
BEISPIEL 2
Es wurde die gleiche Gegenkraftform aus Metall wie in Beispiel 1 verwendet, und eine elektrochemische Behandlung unter [Testbedingungen 2] wurde nach dem SSRT-Test durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.
Der SSRT-Test wurde zweimal, am Tag nach Abschluss einer bestimmten Periode der kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung durch Gleichstrom und 1 Monat nach der elektrochemischen Behandlung durchgeführt, um die Regenerierung eines PC-Stahlspanngliedes nach der elektrochemischen Behandlung zu untersuchen.
[Testbedingungen 2]

• Zugbeanspruchungsrate im SSRT-Test = 1,6 × 10^–5/s
• PC-Stahlspannglied: deformierter PC-Stahldraht (Code SWPDIL), bezeichnet 9 mm unter Item "JIS G 2536 (1994) PC steel and PC steel strand" Zugfestigkeit (Zugversuch) = 90,2 kN
• Elektrochemische Behandlung: Stromdichte, bezogen auf die Betonoberfläche = 2 A/m²
• Stromzufuhrdauer: 14 bis 56 Tage
• Wirksame Zugkraft 60 bis 85%
• Elektrolytlösung: gesättigte wässerige Calciumhydroxid-Lösung

Tabelle 3
BEISPIEL 3
Es wurde die gleiche Gegenkraftform aus Metall wie in Beispiel 1 verwendet, und eine elektrochemische Behandlung unter [Testbedingungen 3] nach dem SSRT-Test durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 angegeben.
Der SSRT-Test wurde zweimal, am Tag des Abschlusses einer bestimmten Periode der kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung mit Gleichstrom und 1 Monat nach der elektrochemischen Behandlung, durchgeführt, um die Regenerierung eines PC-Stahlspanngliedes nach der elektrochemischen Behandlung zu untersuchen.
[Testbedingungen 3]

• Zugbeanspruchungsrate im SSRT-Test = 1,6 × 10^–5/s
• PC-Stahlspannglied: Typ C Nr. 1 (Code SBPR1080/1230), bezeichnet 13 mm unter Item "JIS G 1309 (1994) PC steel bars" Zugfestigkeit (Zugversuch) = 1230 N/mm²
• Elektrochemische Behandlung: Stromdichte, bezogen auf die Betonoberfläche = 0,1 bis 10 A/m²
• Stromzufuhrdauer: 56 Tage
• Elektrolytlösung: gesättigte wässerige Calciumhydroxid-Lösung
• Wirksame Zugkraft 60 bis 85%

Tabelle 4
BEISPIEL 4
Es wurde die gleiche Gegenkraftform aus Metall wie in Beispiel 1 verwendet, und die unter [Testbedingungen 4) erhaltenen Testergebnisse sind in der in Tabelle 5 und Tabelle 6 angegeben. Tabelle 5 und Tabelle 6 zeigen, dass in den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen kein Einfluss einer Wasserstoffversprödung festgestellt wurde.
Der SSRT-Test wurde am Tag des Abschlusses einer bestimmten Periode der kontinuierlichen elektrochemischen Behandlung mit Gleichstrom durchgeführt.
[Testbedingungen 4)
• Zugbeanspruchungsrate im SSRT-Test = 1,6 × 10^–5/s
• Zugtester: UH-2000kNA, hergestellt von Shimadzu Corporation
• PC-Stahlspannglied: Typ C Nr. 1 (Code SBPR1080/1230), bezeichnet 13 mm unter Item "JIS G 3109 (1994) PC steel bars"
Zugfestigkeit (Zugversuch) = 1230 N/mm²
• Elektrochemische Behandlung: Stromdichte, bezogen auf die Betonoberfläche = 0,8 A/m²
• Wirksame Zugkraft 80 bis 95%
• Elektrolytlösung: gesättigte wässerige Calciumhydroxid-Lösung
• Spannung während der Unterbrechung: 0 V
BEISPIEL 5
Es wurde die gleiche Gegenkraftform aus Metall wie in Beispiel 1 verwendet, und die elektrochemische Behandlung unter [Testbedingungen 5] nach dem SSRT-Test durchgeführt. Dann wurde der SSRT-Test durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 angegeben. Tabelle 7 zeigt, dass in den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen kein Einfluss einer Wasserstoffversprödung beobachtet wurde.
[Testbedingungen 5]

• Zugbeanspruchungsrate im SSRT-Test = 1,6 × 10^–5/s
• PC-Stahlspannglied: deformierter PC-Stahldraht (Code SWPDIL), bezeichnet 9 mm unter Item "JIS G 3536 (1994) PC steel and PC steel strand" Zugbeanspruchung = 74 kN
• Elektrochemische Behandlung: Stromdichte, bezogen auf die Betonoberfläche = 0,5 A/m²
• Wirksame Zugkraft 80%
• Elektrolytlösung: gemischte Lösung aus Calciumhydroxid (1 Mol/l) und Borsäure (0,3 Mol/l)
• Spannung während der Unterbrechung: 0,1 V als absoluter Wert

BEISPIEL 6
Um den Grad der Wasserstoffversprödung und Entsalzung zu untersuchen, wurde ein PC-Stahlspannglied in die gleiche Gegenkraftform aus Metall wie in Beispiel 1 unter Spannung gelegt und um das PC-Stahlspannglied Beton, der Chloridionen enthielt, gegossen und gehärtet. Der verfestigte Beton wurde ausreichend ausgehärtet und einer elektrochemischen Behandlung mit Gleichstrom unterworfen. Nach Beendigung der Gleichstromzufuhr wurde der PC-Stahl herausgezogen und einem Slow-Strain-Technique-Test (dem SSRT-Test) unterworfen, und der Chloridgehalt des den Stahl umgebenden Betons wurde zur Berechnung des Entsalzungsgrades gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 angegeben. Tabelle 8 zeigt, dass in den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen kein Einfluss einer Wasserstoffversprödung beobachtet wurde und die elektrochemische Methode ihren Zweck erfüllt, den Chloridgehalt des Betons zu reduzieren.
[Testbedingungen 6]

• Zugbeanspruchungsrate im SSRT-Test = 1,6 × 10^–5/s
• PC-Stahlspannglied: Typ C Nr. 1 (Code SBPR1080/1230), bezeichnet 13 mm unter Item "JIS G 3109 (1994) PC steel bars" Zugfestigkeit (Zugversuch) = 1230 N/mm²
• Elektrochemische Behandlung: Stromdichte, bezogen auf die Betonoberfläche = 0,1 bis 10 A/m²
• Wirksame Zugkraft 80%
• Elektrolytlösung: gemischte Lösung aus Calciumhydroxid (1 Mol/l) und Borsäure (0,3 Mol/l)
• Spannung während der Unterbrechung: 0 V

BEISPIEL 7
Die Oberfläche einer Betonbodenbelagsplatte (Breite 1 m × Länge 3 m) aus Spannbeton wurde elektrochemische behandelt. Die Betonbodenbelagsplatte wurde vorher zur Karbonisierung der Betonoberfläche (bis zu einer Tiefe von 10 bis 15 mm) einer Behandlung mit Kohlendioxidgas unterworfen. Die Betonbodenbelagsplatte wurde teilweise abgelöst, um das darin befindliche PC-Stahlspannglied zur Verwendung als Kathode freizulegen, und Maschendraht mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Maschengröße von 10 cm an der Betonoberfläche als Anode befestigt und mit Cellulosebreifasern, die eine wässerige Natriumcarbonat-Lösung (Ko nzentration 1 Mol/l) enthielten, besprüht.
Daran wurde bei einer Stromdichte von 1,5 A/m², bezogen auf die Betonoberfläche, 5 Tage lang Gleichstrom angelegt, dann 3 Tage lang unterbrochen, und dann wieder 5 Tage lang angelegt. Während der 10 Tage der Gesamtstromzufuhr wurde wässerige Natriumcarbonat-Lösung dem Cellulosefaserbrei zugeführt und elektrisch in den Beton penetrieren gelassen.
Nach der elektrochemischen Behandlung wurde der Maschendraht und der Cellulosebrei von der Betonoberfläche entfernt, und die Karbonisierungstiefe im Beton gemessen. Das Ergebnis zeigte, dass Phenolphthalein den Beton von der einen Seite zur anderen Seite rot färbte.
Das zeigte, dass der pH-Wert des karbonisierten Teils des Betons stieg und bestätigt eine Realkalisierung des Betons.
Ein nachfolgender Belastungstest bestätigte, dass die Betonbodenbelagsplatte eine ausreichende Biegefähigkeit aufwies und es wurde keine Wasserstoffversprödung des PC-Stahlspanngliedes festgestellt.
BEISPIEL 8
Ein Spannbetonbalken mit einer Höhe von 25 cm, einer Breite von 12,5 cm und einer Länge von 3 m wurde getestet. Der Spannbetonbalken enthielt 8 kg/cm³ Chloride, die zur Zeit des Mischens zugefügt worden waren.
Der Betonbalken wurde teilweise abgezogen, um das darin befindliche PC-Stahlspannglied als Kathode freizulegen, und an der Betonoberfläche wurde ein Titanmaschensieb als Anode befestigt. Dann wurde der Betonbalken in gesättigter wässeriger Calciumhydroxid-Lösung eingetaucht.
Bei einer Stromdichte von 1,0 A/m², bezogen auf die Betonoberfläche, wurde 4 Wochen lang ein Gleichstrom angelegt, dann 2 Wochen lang unterbrochen, und dann wieder 4 Wochen lang angelegt. Die Gesamtdauer der Stromzufuhr betrug 8 Wochen.
Ein Belastungstest des Betonbalkens nach Abschluss der elektrochemischen Behandlung zeigte, dass der Betonbalken eine ausreichende Biegefestigkeit aufwies, und dass das PC-Stahlspannglied durch Wasserstoff überhaupt nicht versprödet war. Die Analyse der Chloride im Beton ergab, dass der Chloridgehalt auf ein Viertel des anfänglichen Wertes oder darunter verringert war und bewies eine ausreichende Entsalzung.

Claims

Verfahren zur elektrochemischen Behandlung von Spannbeton, umfassend die Zuführung von Gleichstrom zwischen einem im Spannbeton eingebetteten Stahlspannglied als Kathode und einer Anode auf der Oberfläche oder innerhalb des Betons bei einer Spannung, die höher ist als das Wasserstoff-Entwicklungspotential, wobei die auf das im Beton eingebettete Stahlspannglied des Spannbetons wirkende wirksame Zugkraft nicht größer ist als 80% der Zugkraft des Stahlspanngliedes des Spannbetons.
Verfahren zur elektrochemischen Behandlung von Spannbeton nach Anspruch 1, wobei die wirksame Zugkraft auf 80% oder weniger reduziert wird, indem man außerhalb der Querschnitte des Betons Stahlspannglieder anbringt, um einen Teil oder die gesamte Spannung am Stahlspannglied des Spannbetons innerhalb der Querschnitte des Betons zu den Stahlspanngliedern zu verschieben.
Verfahren zur elektrochemischen Behandlung von Spannbeton nach Anspruch 1, wobei die wirksame Zugkraft auf 80% oder weniger reduziert wird, indem man mehrere Auflagepunkte am Spannbeton vorsieht.
Verfahren zur elektrochemischen Behandlung von Spannbeton, umfassend die Zuführung von Gleichstrom zwischen einem im Spannbeton eingebetteten Stahlspannglied als Kathode und einer Anode auf der Oberfläche oder innerhalb des Betons bei einer Spannung, die höher ist als die des Wasserstoff-Entwicklungspotentials, wobei die Spannung auf einen geringeren Wert als das Wasserstoff-Entwicklungspotential zumindest einmal während der elektrochemischen Behandlung eingestellt wird, und die elektrochemische Behandlung dann bei einer Spannung wiederaufgenommen wird, die nicht geringer ist als das Wasserstoff-Entwicklungspotential, wobei die auf das im Beton eingebettete Stahlspannglied des Spannbetons wirkende wirksame Zugkraft nicht größer als 80% der Zugkraft des Stahlspanngliedes des Spannbetons ist.
Verfahren zur elektrochemischen Behandlung von Spannbeton nach Anspruch 4, wobei die Dauer der Einstellung der Spannung auf weniger als das Wasserstoff-Entwicklungspotential während der elektrochemischen Behandlung mindestens 1 Tag beträgt.
Verfahren zur elektrochemischen Behandlung von Spannbeton nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Gleichstrom bei einer Stromdichte von 0,1 bis 10 A/1m², bezogen auf die Oberfläche des Betons, zugeführt wird, und die Gesamtdauer der Stromzufuhr höchstens 6 Monate beträgt.