Monitoring von Bewehrungskorrosion Möglichkeiten und · PDF fileMessprinzip wie bei Anodenleiter und CorroWatch 1. Bohrkernentnahme am Objekt 2. Tiefengestaffelter Einbau von Bewehrungsstahlelektroden

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Monitoring von BewehrungskorrosionMöglichkeiten und Grenzen

Dipl.-Ing. M. Bruns

6. Kolloquium Verkehrsbauten28. und 29. Januar 2014


Monitoring in der Einleitungsphase von Korrosionsprozessen

Überprüfung der Planungsansätze hinsichtlich der Dauerhaftigkeit, insbesondere der Geschwindigkeit des Chlorideintrages

Abschätzung des Zeitraums, bis zu dem Gegenmaßnahmen vor Eintritt einer relevanten Schädigung getroffen werden müssen (z.B. Auftrag einer Beschichtung)

Schädigung

Zeit

Einleitungsphase(z.B. Chlorideintrag)

Schädigungsphase(Bewehrungskorrosion)

Grenzschädigung

Ziele:


Monitoring in der Einleitungsphase durch Probennahme

Wiederholte Entnahme von Bohrkernen oder Bohrmehl und Bestimmung von Chloridtiefenprofilen

Vorteile:- Keine zusätzlichen Investitionen in der Bauphase.

- Besonders kritische Bereiche (Pfützen, häufig beparkte Parkplätze, Risse etc.) können gezielt ausgewählt werden.

Nachteile:- Nur in zugänglichen Bereichen anwendbar.

- Reparaturen der Entnahmestellen erforderlich.

- Aussage beschränkt sich auf die Chloridgehaltsprofile. Der Korrosionsauslösende Chloridgehalt muss angenommen werden.

- Hohe Streuungen in den Ergebnissen.

- Bei hoher Widerholungsrate ggf. unwirtschaftlich.


Monitoring in der Einleitungsphase durch Potentialfeldmessung

Wiederkehrende Durchführung von Potentialfeldmessungen

Vorteile:- Bei vorhandener Bewehrungskontinuität weitestgehend zerstörungsfrei

- Vollflächige Information, ob und wo bereits eine Korrosionsgefährdung vorhanden ist

Nachteile:- Keine „Frühwarnfunktion“

- Je Messintervall und zu messender Fläche vergleichsweise teuer.

- Nur bei unbeschichteten Flächen durchführbar.

- Je nach Randbedingungen ggf. unklares Ergebnis.

- Nur in zugänglichen Bereichen anwendbar.


Wesentliche Typen von Sensorsystemen für die Einleitungsphase

- Beispiele für Korrosionselementsensoren für den direkten Einbau -

Anodenleiter (Sensortec GmbH)

CorroWatch Multiprobe (Force Technology, Dk)

Messung elektrochemischer Messgrößen zur Feststellung des Korrosions-beginns an tiefengestaffelt angeordneten Sensorstäben (Elementstrom, Potentiale, (Widerstände), ggf. LPR).

Quelle: www.forcetechnology.com

Vorteile: - Durchmesser der Sensoren und Art der Betoneinbettung ähnlich der Bewehrung

- Langjährige Erfahrungen liegen vor.


Funktionsprinzip der Korrosionselementsensoren

Betonstahl / Edelmetall - Element

Beton

Anode Kathode

el. Kabel

Edel-metallBetonstahl

Fe++

Rost

O2

OH-

Ae-

Trennung von Anode und Kathode und Messung des Stromes.

Ie ~ 0 keine Korrosion

Ie > 0 Korrosion !


Funktionsprinzip der Korrosionselementsensoren am Beispiel der Anodenleiter

reinforcement

concrete

concrete surface

A

A

A

A

A

A

C1

2

3

4

5

6

Amperemeter

corrosion rates

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

time

depthreinforcement

concrete

concrete surface

A

A

A

A

A

A

C1

2

3

4

5

6

Amperemeter

corrosion rates

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

Cl-Cl-

Cl-Cl-

Cl-CO2

CO2

CO2CO2

CO2 time

depthreinforcement

concrete

concrete surface

A

A

A

A

A

A

C1

2

3

4

5

6

Amperemeter

corrosion rates

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

time

depthsi

gnal

1

Cl- Cl-

Cl-CO2 CO2

CO2

CO2

CO2Cl- Cl-

Cl-Cl-

Cl-Cl-

Cl-CO2

CO2

CO2CO2

CO2

I > 0

reinforcement

concrete

concrete surface

A

A

A

A

4

5

6

Amperemeter

corrosion rates

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I > 0

time

depthsi

gnal

1si

gnal

2

I > 0C

1Cl-

CO2 CO2CO2

Cl-

3

Cl-Cl-

Cl-Cl-

Cl-CO2

CO2

CO2CO2

CO2

2

A

A

reinforcement

concrete

concrete surface

A

A

A

4

5

6

Amperemeter

corrosion rates

I ~ 0

I ~ 0

I ~ 0

I > 0

time

depthsi

gnal

1si

gnal

2si

gnal

3

I > 0C

1Cl-

CO2 CO2CO2

Cl-

3

Cl-Cl-

Cl-Cl-

Cl-CO2

CO2

CO2CO2

CO2

2A

A

I > 0 A

reinforcement

concrete

concrete surface

A

A

A

4

5

6

Amperemeter

corrosion rates

I ~ 0

I ~ 0

I > 0

time

depthsi

gnal

1si

gnal

2si

gnal

3si

gnal

4

I > 0C

1Cl-

CO2 CO2CO2

Cl-

Cl-Cl-

Cl-Cl-

Cl-CO2

CO2

CO2CO2

CO2

2A

A

I > 0

AI > 03A

Cl-Cl-

Cl-Cl- Cl-

CO2

CO2

concrete

concrete surface

AA

A 6

Amperemeter

corrosion rates

I ~ 0

I > 0

time

depthsi

gnal

1si

gnal

2si

gnal

3si

gnal

4

sign

al 5

I > 0C

1Cl-

CO2 CO2CO2

Cl-

Cl-Cl-

Cl-Cl-

Cl-CO2

CO2

CO2CO2

CO2

2A

A

I > 0

A

I > 03A

Cl-Cl-

Cl-Cl- Cl-

CO2

CO2

I > 04A

Cl-Cl-Cl-

Cl-CO2

5

reinforcement

concrete

concrete surface

AAA 6

Amperemeter

corrosion rates

I > 0

time

depthsi

gnal

1si

gnal

2si

gnal

3si

gnal

4

sign

al 5

sign

al 6

I > 0C

1Cl-

CO2 CO2CO2

Cl-

Cl-Cl-

Cl-Cl-

Cl-CO2

CO2

CO2CO2

CO2

2A

A

I > 0

A

I > 03A

Cl-Cl-

Cl-Cl- Cl-

CO2

CO2

I > 04A

Cl-Cl-Cl-

Cl-CO2

reinforcement

I > 05A

Cl-Cl- Cl-CO2

CO2

CO2

concrete

concrete surface

AAA 6

Amperemeter

corrosion rates

I > 0

time

depthsi

gnal

1si

gnal

2si

gnal

3si

gnal

4

sign

al 5

sign

al 6

corrosion !

critical depth !

I > 0C

1Cl-

CO2 CO2CO2

Cl-

Cl-Cl-

Cl-Cl-

Cl-CO2

CO2

CO2CO2

CO2

2A

A

I > 0

A

I > 03A

Cl-Cl-

Cl-Cl- Cl-

CO2

CO2

I > 04A

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-CO2

reinforcement

I > 05A

Cl-Cl-Cl- CO2

CO2

CO2

6A


Praxisergebnisse an einer Anodenleiter (Messzeitraum knapp 10 Jahre)


Wesentliche Typen von Sensorsystemen für die Einleitungsphase- Beispiele für Korrosionselementsensoren für den nachträglichen Einbau -

Spreizringanode (Sensortec GmbH)

CorroRisk Probe (Force Technology, Dk)

Messprinzip wie bei Anodenleiter und Corrowatch

Quelle: www.forcetechnology.comQuelle: www.sensortec.de

Spreizringanode: Einbau nur an Flächen, die keiner direkten und längerfristigen Wasserbeaufschlagung ausgesetzt sind.

CorroRisk: Aufwändige Verkabelung



- Sondertyp instrumentierte Bohrkerne (nachträglicher Einbau) -

Instrumentierte Bohrkerne

Messprinzip wie bei Anodenleiter und CorroWatch

1. Bohrkernentnahme am Objekt

2. Tiefengestaffelter Einbau von Bewehrungsstahlelektroden und ggf. einer Refrenzelektrode und Kathode direkt in den Bohrkern

3. Wiedereinbau des Bohrkerns an der Entnahmestelle

Vergleichsweise aufwändig

Einbau der Elektroden bei schlechter Betonqualität schwierig



- Beispiele für Drahtsensoren für den direkten Einbau -

Quelle: Diplomarbeit D. Noll, FH Koblenz 2009(Bildausschnitt)

Prinzip: Erfassung der Durchrostung der einzelnen Drähte. Links: Messung über Induktion/RFID Rechts: Widerstandsmessung der parallel geschalteten und mit je einem

Vorwiderstand ausgestatteten Drähte

Quelle: Beton- und Stahlbetonbau 2010, Heft 12 (Bildausschnitt)

Drahtsensor (IBMB MPA TU Braunschweig)

CorroDec®

(Selfsan Consult GmbH)


Nachträglicher Einbau von Sensorsystemen für die Einleitungsphase

- Drahtsensoren -

Quelle: Bildausschnitte auswww.corrodec.de/uploads/media/BetonsensorSelfsan.pdf

Offene Frage: Sind das tatsächlich Stellvertretersensoren ?- Kann der Einbettmörtel die gleichen Diffusionseigenschaften aufweisen wie

der umgebende Beton?

- Entspricht der korrosionsauslösende Chloridgehalt der in Mörtel eingebetteten Drähte dem der Bewehrung im umgebenden Beton?

Quelle: Beton- und Stahlbetonbau 2010, Heft 12, A. Holst et al. (Bildausschnitte)

Drahtsensor IBMB MPA TU Braunschweig

CorroDec®

Selfsan Consult GmbH


Zusammenfassung Sensorsysteme für die Einleitungsphase

Es gibt eine Vielzahl von Sensorsystemen für die Einleitungsphase.

Wesentliche Typen sind Korrosionselementsensoren und Drahtsensoren.

Beide Typen werden sowohl für den direkten Einbau wie auch für den nachträglichen Einbau angeboten.

Drahtsensoren sind hinsichtlich der Herstellungs- und Einbaukosten zwar wesentlich günstiger, jedoch besteht unserer Meinung nach noch Klärungsbedarf zu den folgenden Punkten:

Direkter Einbau:Stimmen die korrosionsauslösenden Chloridgehalte an den Drähten mit denen der Bewehrung überein?

Nachträglicher Einbau:Wie beeinflussen die Einbettmörteldicke, die Diffusionseigenschaften und die ggf. unterschiedlichen kritischen Chloridgehalte der Drähte im Einbettmörtel die Zeit bis zur Depassivierung der Drähte?


Ziele des Monitorings bei Bewehrungskorrosion in der Schädigungsphase

Qualitative Überprüfung der Wirkung von Schutzmaßnahmen auf den Korrosionsfortschritt.Abschätzung der Korrosionsgeschwindigkeit.

Schädigung

Zeit

Einleitungsphase(z.B. Chlorideintrag)

Schädigungsphase(Bewehrungskorrosion)

Grenzschädigung

Schutzmaßnahme z.B. Beschichtung

??

Ziele:


Ansätze zum Monitoring in der Schädigungsphase

Verwendung eingebauter Sensorsysteme (Drahtsensorsysteme, Makroelementsensorsysteme)

Einbettung zusätzlicher Kathoden in korrodierenden Bereichen und Messung des Elementteilstromes

Einbau zusätzlicher Anoden (Einbettung in chloridhaltigen Mörtel) und Messung des Elementstromes zwischen diesen Anoden und der übrigen Bewehrung

Elektrische Isolation korrodierender Stababschnitte und Messung des Elementstromes zwischen dem Stababschnitt und der übrigen Bewehrung

Ableitung von Korrosionsgeschwindigkeiten aus zerstörungsfrei gemessenen Polarisationswiderständen mittels auf der Oberfläche aufgesetzter Messgeräte. (elektrolytische Ankopplung erforderlich, wird hier nicht weiter betrachtet)


Stromdichteverteilung bei Elementkorrosion

lokale Korrosionsstelle

passive Bewehrung

Stro

mdi

chte

[µA

/cm

2 ] + anodisch

- kathodisch

Betonpassive Bewehrung

Idealisierte Stromdichteverteilung infolge Elementbildung entlang eines Bewehrungsstabes mit lokaler Korrosionsstelle


Messung der Elementstromverteilung (schematisch)

A K K K KK K K K

gem

esse

ner S

trom

[µA

]

+ anodisch

- kathodisch

1 µA/cm2 ~ 11 µm/Jahr


Anteil der Elementkorrosion an der Korrosionsgeschwindigkeit

Quelle: Dissertation von Y. Schiegg, ETH Zürich, 2002

Vergleich: Metallabtrag berechnet aus gemessenem Elementstrom und durch gravimetrische Messung ermittelter tatsächlicher Metallabtrag. (Proben aus instrumentierten Bohrkernen).


Monitoring durch Einbau zusätzlicher Kathoden

Vorteile:- Vergleichsweise einfacher Einbau

Nachteile:- Anodenfläche völlig unbekannt- Gemessener Strom entspricht nur einem undefinierter Bruchteil des gesamten

Elementstromes- Nur qualitative Aussagen möglich


Monitoring durch Einbau zusätzlicher Anoden

Vorteile:- Vergleichsweise einfacher Einbau- Potenziell depassivierte Stahloberfläche bekannt- Vollständiger Elementstrom zur vorhandenen Bewehrung wird erfasst

Nachteile:- An der zusätzlich eingebauten Anode liegen andere Korrosionsrandbedingungen

als an der Bewehrung vor (Chloridgehalt, Betonzusammensetzung etc.)


Monitoring durch Isolation anodischer Stababschnitte

Vorteile:- Vergleichsweise genaue Bestimmung des mittleren Abtrages möglich, wenn sich

der korrodierende Bereich gut eingrenzen lässt (z.B. im Rissbereich)

Nachteile:- Lokale Durchtrennung der Bewehrung erforderlich.- Genaue zerstörungsfreie Lokalisierung des korrodierenden Stababschnittes

oftmals schwierig.

Einfluss der Sägeschnittlage


Elementstrommessung - Querschnittsverlust

Elementstrommessung liefert über das Faraday sche Gesetz nur einen mittleren Materialabtrag resultierend aus der Elementbildung.

Mittlerer Abtrag bezogen auf die Elektrodenfläche: 1 µA/cm2 ~ 11 µm/Jahr

Entscheidend für die Querschnittsverlustrate ist daher die Größe der tatsächlich korrodierenden Fläche:

Der Korrosionsanteil der Eigenkorrosion und Mikroelementkorrosion wird bei der Elementstrommessung nicht erfasst und muss abgeschätzt werden.

Es können zwar mittlere Abtragsraten abgeschätzt werden, die Abschätzung von Querschnittsverlustraten erfordert jedoch weitergehende Untersuchungen.


Verwendung eingebauter Drahtsensoren zur Vorhersage der Querschnittsreduktion

Denkbarer Ansatz: Rückschluss auf die Querschnittsverlustrate aus der Dauer zwischen Korrosionsinitiierung und Durchrostung des Sensordrahtes.

Klärungsbedarf:

a) Die bisher verwendeten Messverfahren ermöglichen keine Feststellung des Zeitpunktes der Korrosionsinitiierung.

Lösungsansatz des IBMB TU Braunschweig: Verwendung von Drähten unterschiedlicher Durchmesser.

b) Die Drahtoberflächen weisen naturgemäß nur sehr geringe potentielle Kathodenflächen auf.

keine realitätsnahe Ausbildung von Korrosionselementen.

tatsächliche Korrosionsgeschwindigkeit wird vermutlich deutlich unterschätzt.


Zusammenfassung

Für die Einleitungsphase stehen verschiedene kommerzielle Sensorlösungen zur Verfügung.

Alternativ oder zusätzlich (z.B. im Bereich von Rissen) kann auch eine wiederholte Bestimmung von Chloridprofilen sinnvoll sein.

Grundsätzlich ist auf den jeweiligen Anwendungsfall bezogen eine ausreichende Anzahl von Monitoringstellen vorzusehen, deren Lage mit Bedacht gewählt werden muss.

Während der Schädigungsphase lassen sich qualitative Änderungen in der Korrosionsgeschwindigkeit durch Instrumentierung und Messung von Elementströmen feststellen.

Eine genaue Ableitung von Querschnittsverlustraten aus Monitoring-Daten ist jedoch nach derzeitigem Kenntnisstand noch nicht möglich.


Vielen Dank !!!

www.bauwerkserhaltung.ac

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