Beton- und Stahlbetonbau 3 - CITec Concrete Improvement ...

U. Schneck · Zerstörungsfreier elektrochemischer Chloridentzug an der Donaubrücke Pfaffenstein: Langzeiterfahrungen über eine bauwerksschonende und verkehrserhaltende Technologie
sche Feld wirkt hier unterstützend: Da die Anzahl der an
Kationen angelagerten Wassermoleküle (Solvathülle)
durchschnittlich größer ist als die bei Anionen, wird mehr
Wasser zur Kathode transportiert als zur Anode, und der
Beton nimmt das an der externen Anode aufgegebene
Wasser schnell auf.
Der durch das elektrische Feld bewirkte Ionentransport
ist ein physikalischer Prozess; tatsächlich ist die Migration
nur in den Kapillar- und Schrumpfporen möglich,
die häufig anders ausgerichtet sind als die Feldlinien. Entsprechend
ihrer Größe, der spezifischen Beweglichkeit [1]
und Konzentration haben die gelösten Ionen einen veränderlichen
Anteil am Gesamttransport. Der Chloridanteil
an der Anionenmigration ist zu Beginn der Chloridextraktion
am größten und verringert sich stetig, während der
Anteil an Hydroxylionen zunimmt.
Auf der Bewehrungsoberfläche kommt es zu elektrochemischen
Reaktionen: der Reduktion von Oxiden, Sauerstoff
und Wasser. Diese Reaktionen stehen in Bezug zum
Strom, der während des Chloridentzugs fließt, und zur damit
verbundenen eingetragenen Ladungsmenge. Die auf
die Bewehrung bezogenen Stromdichten bewegen sich üblich
zwischen 0,5 und 2 A/m 2 , können aber während der
ersten Stunden/Tage der Behandlung wesentlich höher
sein. Die hauptsächliche Reaktion ist die Sauerstoffreduktion
Gl. (1a), bei der Hydroxylionen gebildet und die Alkalität
des Betons um die Bewehrung erhöht wird.
1
O2+H 2O
+2e → 2OH
2
z. B. Fe2 O 3 + 3H2O+ 2e → 2Fe(OH) 2 + 2OH
2H O + 2e → H + 2OH
2
–
– –
2
–
Gleichung 1. Mögliche Reaktionen auf der Stahloberfläche
beim Chloridentzug
Equation 1. Possible reduction reactions on the reinforcement
surface forced by ECE
(1a)
(1b)
(1c)
Beide Prozesse – Chloridmigration und Reduktion von
Oxiden, Sauerstoff und Wasser – laufen gleichzeitig ab,
stehen aber in keinem direkten, mathematisch auswertbaren
Zusammenhang. Während die Chloridmigration von
der Höhe der angelegten Spannung (vom elektrischen
Feld), der Betonüberdeckung, der Permeabilität des Betons
und vom Wassergehalt abhängen, werden der Stromfluß
und die eingetragene Ladungsmenge von Spannung,
Temperatur, Betonwiderstand und den Übergangswiderständen
auf Bewehrung und Anode bestimmt. Diese Betrachtung
stimmt mit anderen Veröffentlichungen, die den
Chloridentzug in direkter Abhängigkeit von Strom und
Ladungsmenge sehen [2], nicht überein, basiert aber auf
langjähriger praktischer Erfahrung. Ein sehr effektiver
Chloridentzug kann sowohl bei niedrigen Ladungsmengen
erreicht werden, andererseits kann der Chloridentzug
selbst bei hohen Ladungsmengen wenig effektiv sein.
Beim elektrochemischen Chloridentzug wird also
nicht nur Chlorid aus dem Beton entfernt, sondern auch
die Alkalität der Betonumgebung in Bewehrungsnähe
durch Bildung von Hydroxylionen erhöht. Das verbessert
den Korrosionsschutz zusätzlich, denn der korrosionsaus-
4
Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 3
–
–
lösende Chloridgehalt ist abhängig von der Alkalität des
Betons, und ein gewisser Restchloridgehalt kann i. d. R.
gefahrlos toleriert werden. Die Bildung von Hydroxylionen
durch Sauerstoffreduktion ist wesentlich intensiver
als der durch das elektrische Feld bewirkte „Abtransport“
zur Anode.
An den Zementstein (C 3A) chemisch gebundenes
Chlorid wird durch den Chloridentzug teilweise gelöst, da
das Verhältnis freies/gebundenes Chlorid dynamisch ist.
Allerdings liegt die chemische Chloridbindefähigkeit des
Zementsteins nach eigenen Erfahrungen bei max. 0,5%
(bezogen auf den Zementgehalt), so dass keine bedeutenden
Mengen in Lösung gehen können.
An der externen Anode laufen Reaktionen ab, die zu
sehr sauren Bedingungen führen: die Oxidation von Wasser,
Hydroxylionen und Chlorid, wie auch die Entwicklung
von Chlorgas. Nach [3] kann auch die Reaktion von
Wasser und Chlorgas zu einem sauren Milieu führen.
1.2 Komponenten für den Chloridentzug
Grundsätzlich werden für den elektrochemischen Chloridentzug
folgende Komponenten benötigt:
– eine dimensionsstabile, d. h. beständige Anode – normalerweise
ein Netz aus aktiviertem Titan
– ein Elektrolytreservoir, das die Anode einbettet und für
einen elektrolytisch leitenden Kontakt zur Betonoberfläche
sorgt
– eine Hochstrom-Spannungsversorgung zur Erzeugung
des elektrischen Felds zwischen Anode und Bewehrung
– Mess- und Steuereinheiten zur Aufzeichnung bzw.
Steuerung von Spannung und Strom und – soweit vorhanden
– der Signale an den Referenzelektroden
Als Elektrolyt kann Leitungswasser verwendet werden.
Um eine Ansäuerung der Betonoberfläche durch elektrochemische
Reaktionen an der Anode zu verhindern, wird
auch eine alkalische, puffernde Lösung mit Ca(OH) 2 oder
NaOH verwendet. Zur Kompensation von negativen Effekten
in Zusammenhang mit AKR wurde in [4] eine
Empfehlung des SHRP [5] zur Anwendung von Lithiumborat-Lösung
erwähnt.
1.3 Beeinflussende Faktoren und Randbedingungen
für den Einsatz
Der elektrochemische Chloridentzug wird von vielen, im
praktischen Einsatz nur schwer zu bestimmenden und
auch auf kleineren Betonflächen variierenden Faktoren
beeinflusst. Der Chloridentzug selbst beeinflusst das behandelte
Bauteil nicht nur durch eine Absenkung des
Chloridgehalts und der Alkalisierung des Betons um die
Bewehrung, sondern auch mit unerwünschten Nebenwirkungen,
wenn das Bauwerk zuvor nicht entsprechend
untersucht und der Chloridentzug nicht entsprechend
projektiert wurde.
Bewehrungsführung: Die Bewehrung bildet die Kathode
für den Chloridentzug; Stababstand und Betonüberdeckung
haben großen Einfluss auf den Behandlungserfolg.
Der Hauptanteil des Verfahrens läuft zwischen Betonoberfläche
und oberer Bewehrungslage ab; wenn die Be-