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Die Zielsetzung dieses Projektes war es, ein kombiniertes Schutzsystem aus Spritzverzinkung und abdichtendem Oberflächenschutzsystem für die Instandsetzung chloridbelasteter und korrosionsgeschädigter Stahlbetonbauteile zu entwickeln. Dabei soll die Spritzverzinkung der Betonoberfläche in den ersten Jahren nach der Instandsetzung einen kathodischen Korrosionsschutz der Bewehrung bewirken, bis der Beton infolge des Oberflächenschutzsystems soweit ausgetrocknet ist, dass auch ohne kathodischen Schutz praktisch keine Korrosion der Bewehrung mehr stattfinden kann.
Anhand von Untersuchungen zur Haftung zwischen Beton, Zinkschicht und verschiedenen Oberflächenschutzsystemen wurde der Aufbau des kombinierten Schutzsystems entwickelt. Es wurden verschiedene OS-11a-Systeme ein OS-13-System sowie zwei Systeme nach ZTV-ING, Teil 7 vor und nach künstlicher Bewitterung untersucht. Anhand der Ergebnisse wurde für das kombinierte System ein OS-11a-System ausgewählt und im weiteren hinsichtlich der Wirksamkeit des kathodischen Schutzes sowie hinsichtlich der Austrocknung des Betons untersucht.
Es zeigte sich sowohl an ausgelagerten Prüfköpfen sowie auf einer angelegten Versuchsfläche auf Freideck eines Parkhauses, dass ein wirksamer galvanischer kathodischer Korrosionsschutz der Bewehrung nur bei sehr hohen Chloridgehalten (4 M.-% bezogen auf den Zementgehalt) erreicht werden kann. Bei geringeren untersuchten Chloridgehalten kam es vermutlich infolge der Austrocknung der Zink/Beton-Kontaktzone nach relativ kurzer Zeit zu einer Inaktivierung des Zinks. Bei Chloridgehalten von 4 M.-% bildeten sich zwischen der Zinkschicht und dem ausgewählten OS-System gasgefüllte Blasen. Diese Problematik, sowie die Tatsache dass die Wirksamkeit des Prinzips W (Austrocknung des Betons) bei derart hohen Chloridgehalten bezweifelt werden muss, grenzt die Anwendbarkeit des Kombinationssystems mit der Zinkschicht als Opferanode deutlich ein.
An neun Jahre alten, ausgelagerten Prüfköpfen durchgeführte Untersuchungen zeigten jedoch, dass mittels Fremdstrombeaufschlagung zwischen Zinkschicht und Bewehrung ein wirksamer kathodischer Schutz auch bei geringeren Chloridgehalten erreicht werden kann. Der Einsatz des entwickelten Kombinationssystems mit Fremdstrombeaufschlagung erscheint somit durchaus durchführbar. Dabei sollte der Fremdstrom jedoch vorsichtig dosiert werden, um den Haftverbund zum Zink nicht zu sehr zu schwächen.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.
Carbon-based conductive coatings are complex composites, consisting of an organic or inorganic binder and conductive carbon components, for application as anodes in impressed current cathodic protection systems of reinforced concrete structures. The electrochemical properties of three coatings at different humidity and in saturated calcium hydroxide solution were studied by electrochemical methods, such as electrochemical impedance measurement, measuring of open circuit potential over time and galvanostatic polarization. The dissolved organic and inorganic carbons in electrolyte solution were quantified by using a photometric method. The structures of the coatings were investigated before and after the electrochemical tests by microscopy and scanning electron microscope/EDX analysis. The results of the electrochemical impedance measurements show that the tested coatings all have a relatively low resistance, which is between 100 and 200 Ω. The binder and the surface porosity influence the degradation behavior of those coatings. Especially the organic binder reacts with the strong alkaline medium under dissolving of organic carbon.
Zur Wirkungsweise und zum Einfluss unterschiedlicher Parameter beim Kathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton wurden in der Vergangenheit bereits zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. Über die Dauerhaftigkeit leitfähiger Beschichtung auf Karbonbasis als Fremdstromanode beim KKS von Stahlbeton liegen bislang keine umfassenden wissenschaftlichen Untersuchungen vor. Die in den einzelnen Arbeitspaketen (AP) erzielten Ergebnisse und gewonnenen Erkenntnisse tragen zum Verständnis über die Elektrodenreaktion der einzelnen Systeme bei. Die Frage der Dauerhaftigkeit konnte im Rahmen dieses Forschungsvorhabens nicht zur Gänze geklärt werden. Die Ergebnisse aus dem AP 1a liefern einen wesentlichen Beitrag zur Beantwortung der offenen Fragestellung hinsichtlich der vorherrschenden Elektrodenreaktion. In Verbindung mit dem Pourbaixdiagramm für Kohlenstoff lässt sich für die Beschichtungssysteme CBCC 1 und CBCC 2, nach 500 h andauernder Polarisation mit 10 mA/m² in ges. Calziumhydroxidlösung, die vorherrschende Elektrodenreaktion als Sauerstoffelektrode verifizieren. Im AP 1b wurde festgestellt, dass die an einem Praxisobjekt applizierten Systeme CBCC 1 und CBCC 2 in der Lage sind, die Schutzkriterien zu erfüllen. Die an diesem Objekt erforderlichen Schutzspannungen liegen jeweils zwischen 1 und 2 V. Die Anodenstromdichten betragen ca. 2,5 mA/m². Aufgrund der hohen Depolarisationsraten kann das Niveau der anliegenden Anodenstromdichten in Zukunft noch nach unten angepasst werden. Die Ergebnisse aus dem AP 1b und 1a sind erst zeitlich nach Festlegung der Prüfparameter für das AP 2a erzielt worden. Mit den ursprünglich veranschlagten Stromdichten von max. 40 mA/m² traten langfristig nachfolgende Problemstellungen auf: Bei der Stromeinleitung mittels Primärelektrode und Stromdichten größer gleich 20 mA/m² wurde festgestellt, dass die Versuche bei allen Systemen eine deutliche Entkopplung zwischen Primärelektrode und Beschichtung verursacht haben. Dies ist auf die hohen lokalen Stromdichten am Übergang Primärelektrode/leitfähige Beschichtung zurückzuführen. Eine Untersuchung der erforderlichen Kontaktfläche der Primärelektrode bezogen auf die effektive Stromdichte konnte nicht erfolgen. Weiterhin wurden die Haftzugwerte über die Dauer der Polarisation untersucht und mit unpolarisierten Proben verglichen. Eine Reduktion des Verbundes infolge Polarisation mit den angesetzten Stromdichten konnte verzeichnet werden. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass mit zunehmenden Probenalter auch reduzierte Haftzugwerte an den geschliffenen und unpolarisierten Oberflächen der Referenzprobekörper ermittelt wurden. Die Grundlagen für die Simulation konnten in AP 3 anhand der gewonnen Ergebnisse erstellt werden und Feldverteilungen unter Berücksichtigung verschiedener Parameter berechnet werden. Eine auf den gewonnenen Erkenntnisse basierende Modellentwicklung für die Dauerhaftigkeitsprognose unter variierenden Randbedingungen, wie sie für AP 4 vorgesehen
war, konnte auf Basis der erzielten Ergebnisse nicht erfolgen. Dass die Beschichtungssysteme unter praxisüblichen Randbedingungen einsetzbar sind und bei dem Vergleich der Schutzspannung mit klassischen Systemaufbauten gleiche Schutzstromdichten erzielt werden, zeigt das AP 1b deutlich. Die zukünftigen Ergebnisse aus der Praxisanwendung (AP 1b) werden über die Projektlaufzeit hinaus ausgewertet und publiziert. Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht.
Long-term experiences with cathodic corrosion protection of steel reinforced concrete structures
(2002)
Prestressing steels can be exposed in prestressed concrete structures in construction stage (ungrouted duct) to environmental conditions causing formation and growth of hydrogen induced cracks with brittle fracture of the steel. The risk of this hydrogen induced stress corrosion cracking can be minimized by appropriate treatment, but there is a requirement for construction to approve only prestressing steel having no enhanced susceptibility to stress corrosion cracking. The paper describes the historical development of the different test methods proposed in the past and gives an overview on the general requirements for a suitable test method to assess the hydrogen-induced stress corrosion susceptibility of prestressing steels.
Since 1982, based on investigations on construction sites and transfer of the results into laboratory tests, a test method is available enabling realistic estimation of suitable application possibilities of prestressing steels. This so called DIBt-test is approved to distinguish between prestressing steels susceptible to hydrogen induced stress corrosion cracking and those suitable and therefore approvable steels at practical environmental conditions. Furthermore the test enables estimation of corrosion risk for newly developed prestressing steels with higher strength.
Translated Abstract
Beurteilung der Prüfverfahren zur Untersuchung der Spannungsrisskorrosionsempfindlichkeit von Spannstählen
Spannstähle können in Spannbetonbauwerken im Bauzustand (unverpresstes Hüllrohr) Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein, die zur Bildung und Ausbreitung wasserstoffinduzierter Risse mit Sprödbruch des Stahles führen können. Das Risiko dieser wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion kann einerseits durch eine sachgemäße Verarbeitung der Spannstähle minimiert werden, andererseits besteht die Notwendigkeit nur solche Spannstähle für die Baupraxis zuzulassen, die unter baupraktischen Bedingungen keine erhöhte Empfindlichkeit für Spannungsrisskorrosion besitzen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die historische Entwicklung der verschiedenen vorgeschlagenen Prüfverfahren und gibt einen Überblick über die allgemeinen Anforderungen an ein geeignetes Verfahren zur Beurteilung der wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosionsempfindlichkeit von Spannstählen.
Seit 1982 steht, begründet durch Untersuchungen auf Baustellen und Umsetzung der Ergebnisse in Laborversuchen, ein Prüfverfahren zur Verfügung, das eine wesentlich realistischere Einschätzung der Einsatzmöglichkeiten von Spannstählen zulässt. Dieser sog. DIBt-Test hat sich bewährt, um unter praktischen Umgebungsbedingungen gegen H-induzierte Spannungsrisskorrosion empfindliche Spannstähle von geeigneten und damit zulassungswürdigen Stählen zu unterscheiden. Des weiteren erlaubt die Prüfung ebenfalls eine Abschätzung des Korrosionsrisikos für neuentwickelte, höherfeste Spannstähle.
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.
Für Spannstähle muss im Rahmen der Überwachung die Beständigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion nach DIN EN ISO 15630-3 nachgewiesen werden. Die Stähle werden hierbei entweder einer konzentrierten Ammoniumthiocyanatlösung oder einer verdünnten Lösung, die eher die Verhältnisse in der Baupraxis wiedergibt, ausgesetzt. In den vergangenen Jahren gab es an Spannstäben der Festigkeitsklasse St 950/1050 immer wieder Probleme mit dem Erreichen der erforderlichen Standzeiten in der konzentrierten Lösung. Der Ringversuch sollte nun klären, inwieweit Unsicherheiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Ergebnisse von Spannungsrisskorrosionsprüfungen bestehen. Außerdem sollten die Prüfanweisungen, die Prüfeinrichtungen sowie die Vor-Ort-Inspektion der Prüfstände kritisch beurteilt werden, um eventuell vorhandene versuchstechnische Probleme zu identifizieren und ggf. zu beheben.
About the long-term protection behaviour of corrosion protection materials (filling materials) for prestressed systems under critical environmental conditions is only little known. The corrosion protection effect is usually based on theoretical considerations and is proven by short-term tests. The selection of the different products is mainly made according to economical or workability criteria. In a research project the barrier effect of different commercial corrosion protection materials (waxes as well as oil-based greases) against water, their tendency for undercutting as well as their additional corrosion protection effect were investigated. The exposure tests were carried out with non-stressed as well as stressed prestressing steel specimens which were subjected to critical conditions (condensed water, artificial soil solution, direct soil contact). Parallel to these long-term exposure tests the applicability of different electrochemical techniques and their significance with respect to testing the corrosion protection ability and water absorption was evaluated. Within the project a suitable method for simple testing the performance of corrosion protection materials under real conditions was developed. By means of a small compact cell submicroscopical reactions of the used sensors could be measured. The high sensitivity of this measuring technique enables the detection of degradation processes at thin protection layers.