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Organisationseinheit der BAM
Im Rahmen einer Bauwerksuntersuchung an einer in nachträglicher Verbundbauweise hergestellten Brücke wurden Anrisse an Spannstählen der Quervorspannung festgestellt, ohne daß Verpreßmängel oder korrosionsfördernde Substanzen vorlagen. Bei dem verwendeten Werkstoff handelt es sich um einen in der ehemaligen DDR hergestellten vergüteten Stahl der Festigkeitsklasse St 140/160. Ursache für die Anrisse ist die in Laborversuchen nachgewiesene Empfindlichkeit dieses Stahles gegenüber wasserstoffinduzierter Spannungsrißkorrosion, die unter ungünstigen Bedingungen dazu führen kann, daß Vorschädigungen vor dem Verpressen eintreten. Zusätzlich durchgeführte Magnetpulverprüfungen an ausgewählten Bereichen der Längsvorspannung ergaben keinerlei Hinweise auf Anrisse.
Translated Abstract
Stress corrosion cracking of prestressing steels
During the investigation of a post-tensioned bridge structure incipient cracks of the prestressing steels of the transverse prestressed members were observed. Defects related to non-injected ducts or the presence of corrosion inducing substances could not be detected. The prestressing steel used is a quenched and tempered steel, strength class St 140/160, which was produced in the former GDR. The cause for the cracks is the susceptibility of this type of steel to hydrogen-induced stress corrosion cracking as could be shown in laboratory tests. Under unfavourable conditions cracks can be initiated before grouting. Additional magnetic particle tests at selected areas of the longitudinal prestressed members did not indicate any signs for incipient cracks.
For an assessment of the risk potential of existing structures where in the case of prestressing steel damage the load-bearing capacity could be significantly affected non-destructive testing techniques which enable reliable evaluation of the condition of the prestressing steels are of utmost importance. During the demolition of the Hohenzollerndamm bridge in Berlin where damage of prestressing wires due to hydrogen-induced stress corrosion cracking were found in former investigations parts of the girders of the bridge superstructure could be taken out. After non-destructive investigation by means of two testing techniques based on magnetic leakage flux measurement and one technique based on electromagnetic resonance measurement the single wires were inspected in order to verify the non-destructive testing results with respect to their reliability. From the results it can be concluded that areas with fractures of several wires could be detected by the two techniques based on magnetic leakage flux measurement.
Eine der wesentlichsten Veränderungen der im Oktober 2015 erschienenen Neufassung der DIN EN 1993-1-4 findet sich im Anhang A „Werkstoffauswahl und Dauerhaftigkeit“. Im Gegensatz zur Vorgängerversion ist dieser Anhang jetzt normativ. Mit Hilfe eines Punktesystems, das die wichtigsten Einwirkungsparameter der relevanten Expositionsbedingungen berücksichtigt, wird eine Korrosionsbeständigkeitsklasse ermittelt, mit deren Hilfe man eine geeignete Legierung auswählen kann. Dieses Verfahren bietet eine zuverlässige Methode für Planer auch ohne spezielle Kenntnisse auf dem Gebiet der Korrosion bzw. der nichtrostenden Stähle. Die Arbeit geht auch auf Unterschiede sowie Gemeinsamkeiten mit der bisher in Deutschland gültigen allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung Z-30.3.6 ein.
Während das Instandsetzungsprinzip W bei carbonatisierungsinduzierter Korrosion seit vielen Jahren als Standardverfahren etabliert ist, wird seine Anwendbarkeit bei chloridinduzierter Korrosion (W-Cl) in der Fachwelt bis heute kontrovers diskutiert. Zwar ergeben sich aus seiner Anwendung gegenüber anderen Instandsetzungsverfahren auf den ersten Blick u. U. deutliche wirtschaftliche Vorteile, allerdings besteht bei diesem Verfahren ein deutlich höheres Risiko, dass das Instandsetzungsziel nicht erreicht wird.
Im vorliegenden Beitrag werden die technischen Grundlagen des Instandsetzungsprinzips W-Cl sowie der aktuelle Kenntnisstand - sowohl für den gerissenen als auch für den ungerissenen Beton - dargestellt und baurechtliche Konsequenzen, die sich aus dem erhöhten Ausführungsrisiko ergeben, diskutiert.
Korrosionsmonitoring als Element zum Nachweis des Instandsetzungserfolgs bei Anwendung des Prinzips W-Cl wird vorgestellt.
Anhand von Anwendungsbeispielen werden sowohl die Risiken, die mit dem Verfahren verbunden sind, als auch das Potenzial bei erfolgreicher Anwendung veranschaulicht.
Anhand der hier vorgestellten Untersuchungsergebnisse kann
eine umfassende Einschätzung des Korrosionszustands einer Gabionenkonstruktion aus Drähten mit Zink-Aluminium-Überzug nach 20 Jahren Einsatzzeit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Expositionsbedingungen vorgenommen werden. Die festgestellten Massenverluste der Zink-Aluminium-Überzüge waren an den Untersuchungspositionen, insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Expositionsbedingungen der Probenentnahmestellen, unterschiedlich ausgeprägt. Gabionendrähte, die im direkten Bodenkontakt standen, wiesen dabei die geringsten Restauflagen auf. Atmosphärisch beanspruchte sowie durch Vlies vor direktem Bodenkontakt geschützte Gabionendrähte zeigten dagegen etwas größere Restauflagen. Über den Drahtumfang wurden bei allen untersuchten Drahtproben stark variierende Schichtdicken festgestellt, was offensichtlich herstellungsbedingte Ursachen hat. Die Untersuchungen an der Gabionenkonstruktion haben gezeigt, dass die Annahme einer mittleren linearen Abtragsrate des metallischen Überzugs von 1 mm/a unter den hier untersuchten Bedingungen ein realistischer Wert ist. An Positionen mit direktem Bodenkontakt kann dieser Wert aber deutlich größer ausfallen, sobald sich die Aggressivität des Bodens erhöht. Eine Rotrostbildung war an den Drahtproben nicht feststellbar.
Im Jahr 1986 wurde in Deutschland die erste kathodische Korrosionsschutzanlage für ein Stahlbetonbauwerk in Betrieb genommen. Die Installation, die Inbetriebnahme sowie die laufende Überwachung wurden wissenschaftlich begleitet.
Im Zuge notwendiger verkehrstechnisch bedingter Umbaumaßnahmen wurde die Anlage nach etwa 15 Jahren außer Betrieb genommen. Die in dieser Zeit durchgeführten Untersuchungen dienten dem Ziel, die an Laborversuchen gewonnenen Ergebnisse an einem praktischen Bauwerk zu überprüfen sowie Informationen über das Langzeitverhalten hinsichtlich Dauerhaftigkeit, Potentialverteilung, Temperaturabhängigkeit, Chloridmigration usw. zu bekommen.
Mit zunehmender Betriebsdauer konnten die Schutzkriterien nur durch Erhöhung der Gleichrichterspannung eingehalten werden (die Anlage wurde im Konstantspannungsmodus betrieben). Umfangreiche Untersuchungen an Anodenmaterialproben (leitfähiger Polymerdraht mit einem Kupferkern) nach 15-jährigem Einsatz zeigten, dass irreversible Veränderungen die Leitfähigkeit des Polymers erheblich vermindert haben, wodurch letztendlich die Funktionsfähigkeit der Anode nicht mehr gegeben war. Diese Art von Anoden werden aber heutzutage nicht mehr für den kathodischen Korrosionsschutz von Stahlbetonbauwerken eingesetzt.
Translated Abstract
Long-term experiences with a cathodic protection system for steel in concrete
In 1986 in Germany the first cathodic protection system for reinforced concrete structures was put into service. Installation, commissioning and the regular monitoring were scientifically supported.
Due to necessary traffic related reconstruction measures the system was switch off after 15 years of service. Investigations carried out during that period should verify laboratory test results at a real structure and furthermore yield information on the long-term behaviour concerning durability, temperature dependence, potential distribution, chloride migration etc.
With increasing time of service the protection criteria could only be met by increasing the transformer rectifier voltage (the system worked in the constant voltage mode). Extensive investigations of the anode material (conductive polymer wire with a copper core) after 15 years of service showed that irreversible changes substantially decreased the polymer's conductivity limiting the functionality. Today, these kind of anodes are not used any more for the application in cathodic protection systems of reinforced concrete structures.
Aufgrund der in den letzten Jahren stark angestiegenen Rohstoffpreise sind die im Bauwesen häufig eingesetzten nichtrostenden Standardaustenite in vielen Fällen nicht mehr wettbewerbsfähig. Eine deutlich kostengünstigere Alternative stellt der Duplex-Stahl 1.4362 dar, der bisher aber noch nicht bauaufsichtlich zugelassen ist. Mit Hilfe von Auslagerungsversuchen sowie elektrochemischen Untersuchungen sollte das Korrosionsverhalten dieses Werkstoffs unter neutralen bis leicht sauren, chloridhaltigen Umgebungsbedingungen, wie sie in vielen Bereichen des Bauwesens vorkommen, geklärt werden. Insgesamt belegen die Ergebnisse, dass der kostengünstigere Werkstoff 1.4362 für baupraktische Anwendungen eine Alternative für Anwendungen darstellen kann, in denen bisher die Werkstoffe 1.4404 oder 1.4571 eingesetzt wurden.