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

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U. Schneck · Zerstörungsfreier elektrochemischer Chloridentzug an der Donaubrücke Pfaffenstein: Langzeiterfahrungen über eine bauwerksschonende und verkehrserhaltende Technologie weltweit gesammelten Erfahrungswerte. Wenn der korrosionsauslösende Chloridgehalt in Bewehrungsnähe zu Anwendungsbeginn noch nicht überschritten war, ist das Kriterium Ladungsmenge weniger bedeutsam. Da es sich bei den Erfolgskriterien um indirekte Parameter handelt, ist eine kritische, objektbezogene Bewertung i. d. R. sinnvoll. Zwei der drei genannten Kriterien sollen bei einer erfolgreichen Anwendung jedoch mindestens erfüllt sein. 1.5 Besonderheiten des in der Donaubrücke Pfaffenstein angewendeten Verfahrens zum Chloridentzug Im Rahmen eines vom BMWi geförderten FUTOUR-Projekts wurde eine neue Verfahrensvariante zum elektrochemischen Chloridentzug entwickelt, die besonders auf eine punktgenaue, detaillierte und ausführlich dokumentierte Anwendung des Chloridentzugs auf kleineren Betonflächen gerichtet ist. Das Konfigurationsschema ist in Bild 2 zu sehen; die neuen Eigenschaften sind: – mit einer qualifizierten Korrosionsuntersuchung werden die korrosionsaktiven Bereiche zunächst genau identifiziert – üblich sind Teilflächen zwischen 5 und 80 m 2 – die vorgefertigten und wiederverwendbaren Elektroden sind 60 × 60 cm groß und beinhalten neben der Anode einen Ionenaustauscher zur Chloridbindung und für die alkalische Pufferung der anodischen Reaktionen – entsprechend der Konfigurationsparameter (Bewehrungsabstand, Betonüberdeckung, Chloridgehalt, Betonzusammensetzung) werden einzelne Elektroden zu Gruppen zusammengefasst (maximal 10 m 2 ) – ein Chloridmeßmodul signalisiert die Sättigung des Ionenaustauschers und führt dann zur automatischen Abschaltung der betreffenden Gruppe – der Chloridentzug wird mit einer konstanten Spannung von 40 V gesteuert, die mittels Pulsweitenmodulation (PWM) die Elektrodengruppen in Intervallen an- und abschaltet. Werden begrenzende Parameter überschritten, führt das zu einer Begrenzung der Anschaltzeit. Dadurch wird auch mehr Chlorid entfernt als bei ununterbrochener Spannungsaufschaltung [11]. – chloridgesättigte Elektroden werden in einer alkalischen Lösung bei pH = 14 regeneriert, wobei Chloridionen vom Ionenaustauscher „heruntergewaschen“ und wie- 6 Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 3 der durch Hydroxylionen ersetzt werden. Der in der verbrauchten Lösung enthaltene Chloridgehalt stellt die dem Beton insgesamt entzogene Chloridmenge dar. Nach Neutralisierung kann die Regenerierlösung umweltgerecht entsorgt werden, so dass praktisch kein Abfall entsteht. 2 Chloridentzug in der Donaubrücke Pfaffenstein Aufgabenstellung In Vorbereitung einer großen Instandsetzung des Bauwerks (Bilder 3, 4) sollten u. a. Schadbereiche untersucht werden, die um Entwässerungsdurchführungen an Stellen entstanden waren, wo die Fahrbahntafel weit über den Hohlkasten auskragt. Derartige, fast horizontal ausgebildete Durchführungen (Bild 5) befanden sich im Bereich der Rampen, die die Autobahn-Anschlussstelle Regensburg-Pfaffenstein bilden. Die Schadstellen waren provisorisch instandgesetzt, jedoch kam es zu teils erheblichem Chlorideintrag in die Bodenplatten der Hohlkästen (bis ca. 4%, auch in Bewehrungsnähe, bezogen auf den Zementgehalt). Eine konventionelle Instandsetzung/Reprofilierung wäre in diesen Bereichen praktisch nur mit Austausch des gesamten Querschnitts erfolgreich gewesen und hätte neben dem hohen Bauaufwand auch zu erheblichen Eingriffen in den Verkehr auf der Autobahn und der die Brücke unterquerenden Bundesstraße B8 geführt. Mit einer Bauwerksuntersuchung sollten zunächst Umfang und Auswirkung der Chlorideindringung erkundet und anschließend ein Konzept für die zerstörungsfreie Entfernung der Chloride aus dem Beton erarbeitet werden. Um für die gesamte instandzusetzende Fläche ein geeignetes Betriebskonzept zu ermitteln, wurde zunächst ein Referenz-Chloridentzug im Hohlkastenabschnitt O6.06 durchgeführt. Mit den dabei gesammelten Erfahrungen wurde der Chloridentzug auf den übrigen Flächen konfiguriert und ausgeführt. Bauwerksuntersuchung In der qualifizierten Korrosionsuntersuchung, deren Herangehensweise und Ergebnisse für das Objekt beispielhaft in [12] beschrieben sind, wurden in vier Hohlkastenabschnitten Teilflächen zwischen 5 und 60 m 2 identifiziert, Bild 2. Schaltschema des zellenbasierten CITec-Verfahrens zum Chloridentzug Fig. 2. Schematic layout of the grid cell based ECE system by CITec
U. Schneck · Zerstörungsfreier elektrochemischer Chloridentzug an der Donaubrücke Pfaffenstein: Langzeiterfahrungen über eine bauwerksschonende und verkehrserhaltende Technologie Bild 3. Ansicht der Hohlkastenbereiche von außen Fig. 3. Outside view on the hollow box girder areas Bild 4. Innenansicht Hohlkasten 6.06 mit alter Entwässerungsleitung Fig. 4. View into box girder section 6.06 with old drainage system Bild 5. Detail Steg und schadhafte, provisorisch instandgesetzter Entwässerungsdurchführung Typ B Fig. 5. Side wall of the box girder with the damaged, temporarily fixed drainage inlet type „B“ wo die Bewehrung zwar korrodiert, korrosionsaktiv, aber noch nicht nennenswert im Querschnitt geschwächt war. Am Beton waren kaum Schäden festzustellen; Ausbrüche, Hohlstellen und Risse gab es bis auf Ausnahmen noch nicht. Das Chlorid hatte sich an der Betonoberfläche auf insgesamt ca. 200 m 2 ausgebreitet und war in ca. 100 m 2 bereits bis weit hinter die Bewehrung vorgedrungen. Da die Schadensursache (defekte Entwässerung) zunächst beseitigt und Betonschäden noch nicht eingetreten waren, lag ein günstiger Zeitpunkt für die zerstörungsfreie Instandsetzung mit elektrochemischem Chloridentzug vor. Konfiguration Bild 6 zeigt eine Übersicht der mit der Korrosionsuntersuchung ermittelten instandzusetzenden Teilflächen. Entsprechend Betonüberdeckung, Oberfläche der Bewehrung und Chloridbelastung des Betons wurden die Elektroden zu Gruppen bzw. Teilflächen zwischen 2 und 10 m 2 zusammengefasst; jeweils eine Elektrode pro Gruppe war mit Aktoren und Sensoren zur Steuerung bestückt und schaltete die sie umgebenden Elektroden. Wegen der teils hohen Eindringtiefen des Chlorids in den Beton wurde eine zweistufige Anwendung gewählt; grundsätzlich wurde auf allen Teilflächen sechs Wochen Erstbehandlung und nach mindestens sechs Wochen Pause eine sechswöchige Folgebehandlung durchgeführt. Bild 7 zeigt die auf dem Hohlkastenboden ausgelegten Elektroden. Ergebnisse des Chloridentzugs Eine Aufzeichnung der Stromdichten ist in Bild 8 zu sehen und zeigt beispielhaft, wie in den besonders chlorid- und korrosionsbelasteten Teilflächen anfangs sehr hohe Ströme fließen (umgerechnet bis 10 A/m 2 ), während sich in weniger belasteten Bereichen bei jeweils 40 V Betriebsspannung von Beginn an nur Stromdichten von ca. 0,5 A/m 2 einstellen. Nach wenigen Tagen wird die Stromdichte auch in den anfangs hoch belasteten Flächen geringer und erreicht Werte zwischen 0,5 und 1 A/m 2 . Das deckt sich mit Erfahrungswerten aus zahlreichen anderen Projekten und kann v. a. der anfänglich intensiven Oxidreduktion auf korrodierten Stahlflächen zugeordnet werden. Weiterhin ist zu sehen, wie die Elektrodengruppen mit Pulsweitenmodulation an- und ausgeschaltet werden. In der zweistufigen Anwendung des Chloridentzugs hatten sich die in Bild 9 beispielhaft dargestellten Chloridprofile entwickelt: an fünf besonders belasteten Prüfstellen wurden die Chloridgehalte in vier Schichten zu je 2 cm Dicke überwacht. Die roten Balken stellen die Chloridgehalte im Bereich der oberen Bewehrungslage dar. In Bild 6. Übersicht der mit Chloridentzug behandelten Teilflächen auf den Hohlkastenböden Fig. 6. Overview about the areas treated with ECE across the hollow box girder floor slabs Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 104 (2009), Heft 3 7
Seite 1: 3 104. Jahrgang März 2009 Heft 3,
Seite 4 und 5: U. Schneck · Zerstörungsfreier el
Seite 12: CITec Concrete Improvement Technolo

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