Verfahren zur Verlegung eines Anodensystems für einen kathodischen Korrosionsschutz

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verlegung eines Anodensystems für einen kathodischen Korrosionsschutz und die Verwendung einer nicht metallischen Bandanode in einem flächigen Anodensystem für einen kathodischen Korrosionsschutz.

Bauwerke aus Stahlbeton sind integraler Bestandteil der Infrastruktur in fast allen Ländern der Welt. Neben Wohn- und Arbeitsgebäuden sind auch viele befahrene Bauwerke aus Stahlbeton gebaut, z.B. Parkhäuser, Garagen, Autobahnen, Brücken, Tunnel usw. Eine Großzahl dieser Bauwerke wird 50 bis 100 Jahre (und teilweise noch länger) genutzt. Allerdings setzen neben der mechanischen Beanspruchung vor allem Tausalze den Stahlbeton-Bauwerken zu. Die Tausalze sind in der Regel chloridhaltig. Es entstehen daher in Verbindung mit Wasser Lösungen, die Korrosion in den Bauwerken auslösen. Bei vielen Bauwerken müssen deshalb bereits nach 20-25 Jahren substantielle, kostenintensive Instandsetzungsarbeiten an der Bewehrung durchgeführt werden.

Dazu wird üblicherweise der kontaminierte Überdeckungsbeton abgetragen, der Bewehrungsstahl gereinigt und mit einem neuen Korrosionsschutz versehen (z.B. auf Polymer- oder Zementbasis). Der instandgesetzte Bereich hält häufig jedoch nur wenige Jahre (aufgrund mechanischer, thermischer und/oder hygrischer Inkompatibilitäten), so dass eine zeitnahe weitere Instandsetzung erforderlich wird, gerade dann, wenn der Überdeckungsbeton stark beansprucht wird. Dies verursacht hohe Kosten, stellt einen erheblichen Eingriff in das Bauwerk dar und führt nicht zuletzt zu Nutzungseinschränkungen während der Instandsetzung

Eine Möglichkeit die Korrosion zu unterdrücken und im Idealfall zu verhindern stellt der kathodische Korrosionsschutz (KKS) von Bauwerken dar. Als eine zum groß- ten Teil zerstörungsfreie Instandsetzungsmethode gewinnt der kathodische Korrosionsschutz als wirtschaftliches Instandsetzungsverfahren korrosionsgefährdeter bzw. -geschädigter Bauteile zunehmend an Bedeutung.

Das Prinzip des elektrochemischen Schutzverfahrens (Kathodischer Korrosionsschutz) besteht darin, durch Einleitung eines Gleichstromes den Korrosionsvorgang von unlegierten oder niedriglegierten Stählen (z.B. Betonstahl) in einem ausgedehnten Elektrolyt (Böden, Meerwasser, bei Anwendung in Stahlbeton: Beton) elektrisch zu beeinflussen. Das Anlegen dieses Gleichstroms (Schutzstrom) bewirkt eine Verschiebung des elektrochemischen Potentials des zu schützenden Metalls in negative Richtung, wodurch die Metalloberfläche kathodisch polarisiert wird und schädigende Korrosion unterbunden wird.

Zur Aufprägung eines Schutzstroms muss zunächst eine dauerhafte und korrosi- onsresistente Anode an den Beton angekoppelt und an den Pluspol eines als Spannungsquelle dienenden Gleichrichters angebracht werden. Der Minuspol der Gleichspannung wird an den zu schützenden Stahl (bei Stahlbeton an die Bewehrung) angeschlossen. Nach Einschalten der Gleichspannung wird der zu schützende Stahl kathodisch polarisiert und die Stahlkorrosion weitgehend unterbunden.

Mit Hilfe einer eingebrachten Referenzelektrode kann darüber hinaus der Zustand des Gebäudes, des Bauwerkes oder der Rohrleitung bzw. die Korrosion des Stahls aus der Ferne überwacht werden.

Für einen möglichst gleichmäßigen und auch sicheren Korrosionsschutz, ist es wünschenswert, dass das Anodensystem möglichst großflächig in der Nähe des als Kathode dienenden Stahlelements, beispielsweise des Bewehrungsstahls, ausgelegt ist. Dies ist allerdings mit den bislang verwendeten Anodensystemen kaum zu realisieren, wie beispielsweise bei der Verwendung von Stabanoden oder Titan-Bandanoden oder nur sehr schwer zu installieren, wie beispielsweise bei der Verwendung einer netzförmigen Titananode. Insbesondere das Aufbringen einer netzförmigen Titananode zum Schutze eines Stahlbetonbauwerkes auf den Beton ist aufgrund der Inflexibilität des Materials besonders arbeits- und zeitaufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verlegung eines Anodensystems für einen kathodischen Korrosionsschutz anzugeben, dass besonders einfach, schnell und kostengünstig durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- flächige Verlegung eines Bündels von Karbonfaserfilamenten;

- Verlegung mindestens eines Primäranodenbandes, derart, dass das Primäranodenband in einer Anzahl von Kontaktbereichen mit dem Bündel elektrisch leitend verbunden ist;

- Anschluss der Primäranodenbänder an einen Primäranodendraht.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine besonders einfache und schnelle Verlegung des Anodensystems dann erreicht werden kann, wenn auf die inflexiblen Titanbänder oder netzförmigen Titananoden weitestgehend verzichtet werden kann bzw. wenn die Bänder nur linear verlegt werden müssen. Da auf eine flächige Verlegung des Anodensystems nicht verzichtet werden soll, wird neben den Titanbändern auf ein zweites Material zurückgegriffen, welches sich besonders einfach und flexibel verlegen lässt. Dabei wurde erkannt, dass ein lineares Bündel von mehreren Karbonfaserfilamenten, ein sogenanntes Karbonfasermul- tifilament, sowohl eine ausreichende Flexibilität für die flächige Verlegung aufweist , als auch eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, um als Anodensystem für den kathodischen Korrosionsschutz in Frage zu kommen. Zusätzlich ist ein solches Karbonfasermultifilament als Meterware kostengünstig und einfach erhältlich, wodurch eine erhebliche Kostenersparnis im Aufbau eines Anodensystems möglich ist.

Zur Beaufschlagung des flächig ausgelegten Bündels mit dem Schutzstrom, wird dieses an mehreren Kontaktbereichen mit einem beispielsweise linear verlegten Titananodenband elektrisch verbunden und dieses Primäranodenband an einen Primäranodendraht angeschlossen. Dieser Primäranodendraht kann dann wie oben bereits ausgeführt an den Pluspol einer Spannungsquelle angeschlossen werden.

Neben dem Einsatz des kathodischen Korrosionsschutzes in Stahlkonstruktionen (wie beispielsweise Hafenanlagen) oder Rohrleitungen und Pipelines, kann dieser auch im Rahmen von Stahlbetonbauwerken eingesetzt werden. Dabei ist es die Stahlbetonbauwerke nachträglich mit einem kathodischen Korrosionsschutz auszurüsten oder dieses direkt bei einem Neubau zu berücksichtigen.

Sowohl für den Sanierungsfall von Stahlbetonbauwerken, wenn Teile der Betonschicht neu aufgetragen werden und auch im Neubau wird für eine besonders einfache Verlegung des Karbonfasermultifilaments dieses in bevorzugter Ausführung auf oder in den frischen Beton verlegt. Um dabei aber einen Kurzschluss zwischen dem Karbonfasermultifilament als Anode und dem Bewehrungsstahl als Kathode zu vermeiden, weil beispielsweise das Karbonfasermultifilament auf dem Bewehrungsstahl aufliegt, wird mit Hilfe einer isolierenden Zwischenschicht, zum Beispiel einer Glasfaserverbundbewehrung, eine ausreichende Beabstandung der Karbon- fasermultifilamente von dem Bewehrungsstahl erreicht.

Insbesondere bei einer Nachrüstung eines bestehenden Stahlbetonbauwerkes mit einem kathodischen Korrosionsschutz, werden in vorteilhafter Ausführung in den Beton Schlitze geschnitten oder gefräst, in die das Karbonfasermultifilament gelegt werden kann. Eine weitere Erhöhung oder Vergrößerung der Betonschicht, um das Anodensystem abzudecken wird somit vermieden.

In Alternativer oder zusätzlicher bevorzugter Ausgestaltung kann das Karbonfasermultifilament zur Fixierung auf den Beton auch auf diesem verklebt werden. Dazu kann ein leitfähiger Kleber verwendet werden, mit dem das Karbonfaserelement in einzelnen Punkten oder über den gesamten Bereich auf dem Beton fixiert wird. Dieses Verfahren kann dabei insbesondere bei der Sanierung von Altbetonflächen eingesetzt werden. Der hierbei verwendete Kleber umfasst dabei in be- sonders bevorzugter Ausführung ionische Zusätze und Wasser um selbst elektrolytisch zu leiten.

Für einen besonders guten Kontakt zwischen dem Karbonfasermultifilament und dem Primäranodenband wird in besonders vorteilhafter Ausgestaltung das Karbonfasermultifilament in den Kontaktbereichen um das Primäranodenband gewickelt. So entsteht in diesen Bereichen eine Vielzahl von Kontaktierungen, über die der Strom vom Primäranodenband auf das Karbonfasermultifilament übertragen werden kann.

Um die Kontaktbereiche bestmöglich zu schützen und gleichzeitig auch das Karbonfasermultifilament und das Primäranodenband besser elektrisch miteinander zu verbinden, werden die Kontaktbereiche in bevorzugter Ausführung mit Epoxidharz umschlossen. Aufgrund der Schrumpfung des Epoxidharzes nach dem Auftragen, wird der Kontakt zwischen dem Karbonfasermultifilament und dem Primäranodenband noch einmal verbessert. Die Schrumpfung des Epoxidharzes wird somit gezielt dazu verwendet, den Kontakt zwischen dem Karbonfasermultifilament und dem Primäranodenband zu verstärken. Im Falle einer metallischen Primäranode, wird diese bevorzugt isoliert, um nicht selbst als stromliefernde Anode zu wirken. Durch die Isolierung wird somit vermieden, dass Strom direkt in die Elektrolyte geleitet wird und zu wenig Strom in die eigentliche Anode gelangt. In bevorzugter Ausführung ist daher das verwendete Epoxidharz nicht leitend bzw. isolierend.

Insgesamt war bislang die Anbindung einer Karbonanode an eine Primäranode und die nachstehende Kupferverkabelung sehr schwierig und stellte ein großes Problem dar. Im Gegensatz zu anderen Anodenmaterialien kann Karbon nicht an die Primäranode oder an die Kupferverkabelung geschweißt oder gelötet werden. Durch die Verwendung von linearen und flexiblen Bündeln von Karbonfasern ist nun allerdings eine Umwicklung des Primäranodenbandes überhaupt erst möglich, um so die Kontaktflächen zu erhöhen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit einer mechanischen Anbindung oder einer Verklebung mit einem leitfähigen Kleber. Für eine Fixierung des gesamten Anodensystems oder auch nur von Teilbereichen auf dem Stahlbeton, wird dieses in vorteilhafter Weise mit einem leitfähigen Mörtel bedeckt. So ist es bestmöglich von äußeren Einflüssen geschützt.

Das Karbonfasermultifilament ist in vorteilhafter Ausführung mäanderförmig ausgelegt, um so eine besonders gleichmäßige Verteilung zu erreichen und über die Mäanderbögen eine besonders einfache Kontaktierung zu dem Primäranoden- band zu ermöglichen. Alternativ können aber dem Einsatzort angepasst auch andere Verlegungsmuster verwendet werden. So ist beispielsweise auch eine Verlegung in einzelnen Streifen möglich, die parallel zueinander ausgelegt werden und über das Anodenband miteinander verbunden sind.

Neben dem Einsatz eines derartigen kathodischen Korrosionsschutzes in Stahlbetonbauwerken, ist es auch möglich, die Korrosion von Stahlbauwerken, beispielsweise Rohrleitungen, Hafenanlagen zu schützen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung eines Karbonfasermultifilaments eine besonders einfache und kostengünstige flächige Auftragung eines Anodensystems ermöglicht wird. Ein Rückgriff auf ein bei der Verlegung weniger flexibles Gewebes oder einer Matte als Anodensystem kann somit vermieden werden. Der Strom wir dabei weiterhin über linear verlegte Primäranoden, beispielsweise aus Titanband, geleitet und dann über die Kontaktbereiche auf das Karbonfasermultifilament weitergeleitet und somit flächig verteilt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Stahlbetonausschnitt mit einem kathodischen Korrosionsschutz,

Fig. 2 ein Querschnitt durch das Primäranodenband in einem Kontaktbereich in verschiedenen Ausführungsvarianten, Fig. 3 Verlegung von Karbonfasermultifilamenten mit Glasfaserverbundbewehrung,

Fig. 4 einen schematischen Ablauf des Verfahrens zur Verlegung eines Anodensystems.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Stahlbetonbauwerk 1 dargestellt, wobei die Stahlbewehrung bzw. der Bewehrungsstahl 2 mittels einer angelegten Spannung 4 vor Korrosion geschützt wird. Ein derartiger kathodischer Korrosionsschutz wird nötig, da aufgrund von verschiedenen Prozessen, wie beispielsweise der Carbonatisierung und insbesondere durch die Wirkung von Chloriden, die Passivierung des Bewehrungsstahls 2 lokal aufgehoben werden kann. Als Folge entstehen anodische Bereiche, die eine Metallauflösung zur Folge haben, und kathodische Bereiche, in denen 02 gebildet wird, was insgesamt zur Ausbildung lokaler Korrosionsherde führt. Beim kathodischen Korrosionsschutz wird zwischen der korrodierenden Bewehrung und einer, mit dem Bauteil verbundenen Anode eine elektrische Spannung angelegt.

Der primäre Schutzeffekt basiert darauf, dass durch die Polarisierung die elektrochemischen Reaktionsgleichgewichte soweit verschoben werden, dass die Materialauflösung in den anodischen Bereichen zugunsten der kathodischen Teilreaktion unterdrückt wird.

Ein weiterer primärer Schutzeffekt kommt dadurch zustande, dass auch die passiven Bereiche der korrodierenden Bewehrung kathodisch polarisiert werden, so dass die treibende Kraft für den Korrosionsprozess fehlt. Während die primären Schutzeffekte sehr schnell zum Tragen kommen, werden die sekundären Schutzeffekte, wie beispielsweise der Anstieg der OH- - Konzentration an der Bewehrungsoberfläche bzw. die Verarmung an Sauerstoff in Bewehrungsnähe als Folge der kathodischen Reaktion sowie der Migration der negativ geladenen Cl- - Ionen in Richtung Anode, erst später wirksam, führen aber dann zu einer Reduktion der Schutzstromdichte. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wurde auf dem vorhandenen Beton 6 mit Bewehrungsstahl 2 ein Anodensystem 8 aufgetragen. Das Anodensystem 8 umfasst dabei ein Bündel aus Karbonfaserfilamenten, ein sogenanntes Karbonfasermul- tifilament, 10, das mäanderförmig auf dem Beton 6 angeordnet ist. Im Randbereich dieses Karbonfasermultifilaments 10, also im Bereich der Mäanderbögen sind zwei Primäranodenbändern 12 in Form von Titanbändern angeordnet. Die Mäanderbögen des 14 Karbonfasermultifilaments 10 umwickeln dabei die Titanbänder 12, um einen elektrische Verbindung zu ermöglichen. Die Titanbänder 12 sind über einen nicht dargestellten Primäranodendraht mit dem Pluspol der Spannungsquelle 4 verbunden. Diese Spannung kann dabei über ein nicht dargestelltes Fernüberwachungssystem kontrolliert werden, sodass der Zustand des Bauwerkes bzw. der Stahlbetonkonstruktion erfasst und fortlaufend überwacht werden kann. Das auf dem Beton angeordnete Anodensystem 8 ist im Ausführungsbeispiel von einem leitfähigen Mörtel 16 abgedeckt, um so vor äußeren Einflüssen und Zugriff geschützt zu sein.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 ist das Primäranodenband 12 einem Kontaktbereich 18 in verschiedenen Ausführungen im Querschnitt dargestellt.

In der Abbildung 2a liegt das vom Karbonfasermultifilament 10 umwickelte Primäranodenband 12 in einem vorher gefrästen oder geschnittenen Schlitz 20 des Betons 6. Dieser Schlitz 20 ist in einem weiteren Arbeitsschritt mit einem Vergussmörtel 16 gefüllt worden, um so das Primäranodenband und auch das Karbonfasermultifilament 10 zu schützen.

Auch in Abbildung 2b ist das vom Karbonfasermultifilament 10 umwickelte Primäranodenband 12 in einem Schlitz 20 im Beton angeordnet. Im Unterschied zur Abbildung 2a ist das Primäranodenband 12 und das Karbonfasermultifilament 10 allerdings von in diesem Ausführungsbeispiel von einem Epoxidharz 22 umschlossen. Wobei prinzipiell auch die Verwendung von anderen Harzen oder sogar Mörtel möglich ist. Dies schützt das Primäranodenband 12 und das Karbonfasermultifilament 10 zusätzlich und sorgt aufgrund der Schrumpfung des Epoxidharzes 22 nach dem Auftragen für einen besonders engen Kontakt. Zur Füllung des Schlitzes und somit zur Fixierung des Primäranodenbandes 12 wird auch hier ein Vergussmörtel 16 verwendet.

Der vom Karbonfasermultifilament 10 umwickelte Primäranodenband 12 in der Abbildung 2c liegt dagegen direkt auf dem Beton 6 auf. Das Anodensystem wird in diesem Fall mit einer Schicht eines leitfähigen Mörtels 16 bedeckt, damit es auf dem Beton fixiert ist. Im Unterschied zur Abbildung 2c wird das vom Karbonfasermultifilament 10 umwickelte Primäranodenband 12 in der Abbildung 2d bevor es vom leitfähigen Mörtel bedeckt wird mit einem leitfähigen Kleber 24 an dem Beton fixiert.

Die hier dargestellten Befestigungsmöglichkeiten für das Primäranodenband können auch auf das Karbonfasermultifilament übertragen werden. Auch dieses kann in Schlitzen im Beton, mit Epoxidharz umgössen, auf den Beton aufgeklebt oder mit einer Schicht leitfähigen Mörtels bedeckt werden.

Bei der Verlegung der Filamente 10 in frischen Beton muss darauf geachtet werden, dass die Filamente 10 die Stahlbewehrung 2 nicht berühren oder zu nahe an diesen liegen, damit ein Kurzschluss zwischen den Filamenten 10 als Anode und der Stahlbewehrung 2 als Kathode vermieden werden kann. Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 sind daher die die Filamente 10 an einer isolierenden Glasfaserverbundbewehrung 28 angeordnet. Dabei werden zunächst die Filamente 10 mit Bindern 30 an dieser Glasfaserverbundbewehrung 28 befestigt und anschließend auch der Verbund von Filament und Glasfaserverbundbewehrung 28 mit weiteren Bindern 32 an der Stahlbewehrung 2. So kann auch in frischem Beton, beispielsweise bei Neubetonbauwerken, eine ausreichende Beabstandung der Filamente 10 zum Bewehrungsstahl 2 sichergestellt werden.

In Fig. 4 sind in schematischen Abbildungen die einzelnen Verfahrensschritte bei der Auftrag ung eines Anodensystems 8 mit einem Karbonfasermultifilament 10 dargestellt. Wie in der Abbildung 4a ersichtlich, wird auf den Beton 6 das Karbonfasermul- tifilament 10 mäanderförmig aufgetragen. Dazu ist es möglich, dass in einem vorgelagerten Arbeitsschritt Schlitze in den Beton geschnitten oder gefräst werden, in die das Karbonfasermultifilament 10 eingelegt werden kann. Beim Verlegen des Karbonfasermultifilaments 10 werden die Mäanderbögen 14 bewusst weit ausgelegt, sodass eine lockere Schlaufe aus Karbonfasermultifilament 10 entsteht. Die Schlitze können anschließend mit Vergussmörtel gefüllt werden, um für die weiteren Arbeitsschritte bereits eine Fixierung des Karbonfasermultifilaments auf dem Beton 6 zu haben.

In einem nächsten Arbeitsschritt (Abbildung 4b) werden die Titanbänder 12 als Primäranode im Bereich der Mäanderbögen 14 verlegt. Aufgrund des flächig verlegten Karbonfasermultifilaments 10, ist es nun möglich die Titanbänder 12 linear auszulegen. So kann auf eine aufwendige und komplizierte Verformung der Titanbänder 12 verzichtet werden. Auch hier ist es möglich, dass vorher entsprechende Schlitze in den Beton 6 eingebracht werden, in die die Titanbänder 12 versenkt werden können.

Anschließend (Abbildung 4c) oder auch schon während des Verlegens der Titanbänder 12 werden die Schlaufen des Karbonfasermultifilaments im Bereich der Mäanderbögen 14 um die Titanbänder 12 gewickelt. Dadurch entstehen Kontaktbereiche 18 im Bereich der Mäanderbögen 14, über die eine elektrische Verbindung zwischen dem Titanband 12 und dem Karbonfasermultifilament 10 entsteht. Diese Kontaktbereiche können nun beispielsweise mit Epoxidharz umschlossen werden, sodass einerseits die Kontaktbereiche 18 geschützt werden und durch das Schrumpfen des Epoxidharzes eine höhere und sichere Bindung zwischen dem Karbonfasermultifilament 10 und dem Titanband 12 entsteht. Auch die eventuell vorhandenen Schlitze der Titanbänder 12 können anschließend mit Vergussmörtel gefüllt werden, wodurch das Anodensystem 8 auf dem Beton 6 fixiert wird.

Abschließend (Abbildung 4d) werden die Titanbänder über ein Primäranodendraht 26 mit dem Pluspol einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden. Auf diese Weise wird ein besonders einfaches, schnell zu verlegendes und kostengünstiges flächiges Anodensystem für den kathodischen Korrosionsschutz bei Stahlbetonbauwerken erreicht.

Bezugszeichenliste

1 Stahlbeton

2 Bewehrungsstahl

4 Spannungsquelle

6 Beton

8 Anodensystem

10 Bündel als Karbonfaserfilamenten

12 Primäranodenband

14 Mäanderbogen

16 Mörtel

18 Kontaktbereiche

20 Schlitz

22 Epoxidharz

24 Kleber

26 Primäranodendraht

28 Glasfaserverbundbewehrung

30 Binder

32 Binder