4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 583 Detektion korrosionsaktiver Bereiche an Brückenbauwerken aus Stahlbeton mittels Potentialfeldmessung Gino Ebell, Andreas Burkert Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin, Deutschland Zusammenfassung Durch das alkalische Porenwassermilieu wird Stahl im Beton durch Ausbildung einer Deckschicht vor Korrosion geschützt. Unter ungünstigen Umgebungsbedingungen (Karbonatisierung, Chlorideintrag) kann die passive Deckschicht auf der Stahloberfläche zerstört werden. Im weiteren Verlauf können sich durch Volumenexpansion der Korrosionsprodukte korrosionsbedingte Folgeschäden, wie Risse und Abplatzungen am Bauwerk ergeben. Um notwendige Sanierungsmaßnahmen sind frühzeitige und weitgehend zerstörungsfrei ermittelte Informationen über das aktuelle Korrosionsverhalten der Stahlbewehrung von großer Bedeutung. Die Potentialfeldmessung ist ein etabliertes und weit verbreitetes Verfahren zur Beurteilung des Korrosionszustandes der Bewehrung in Stahlbetonbauwerken. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Bereiche aktiv korrodierender Bewehrung zerstörungsfrei lokalisiert werden. In der Regel kommt diese Messmethode bei der Detektion chloridinduzierter Korrosion zum Einsatz. 1. Einleitung In der Regel ist die korrosive Beanspruchung der Bewehrung von Stahlbetonbauwerken der lebensdauerbestimmende Faktor eines Bauwerkes. Für die Instandsetzung eines Bauwerkes ist es somit entscheidend, im Vorfeld ein Messverfahren zu verwenden, dass aktive Korrosion detektieren kann, um den Umfang von Instandsetzungsmaßnahmen zielgerichtet planen zu können. Die Potentialfeldmessung ist ein Verfahren zur Ermittlung korrodierender Bewehrung in Beton [1]. 2. Messverfahren Die Potentialfeldmessung (Abbildung 1) ist ein weit verbreitetes, quasi zerstörungsfreies Messverfahren zur Detektion von aktiv korrodierender Bewehrung in Stahlbetonbauwerken. Dieses Verfahren ist aufgrund der nötigen Kontaktierung der Bewehrung quasi zerstörungsfrei. Mit dem Messverfahren können Potentialdifferenzen zwischen der Bewehrung und einer auf der Betonoberfläche aufgesetzten, externen Bezugselektrode ermittelt werden [2,3]. In der Praxis werden die Potentialdifferenzen in einem zuvor definierten Messraster auf der jeweiligen Messfläche aufgenommen. Bei großflächigen Messungen werden sogenannte Radelektroden eingesetzt, bei denen die ortsaufgelöste Potentialzuweisung über einen integrierten Wegaufnehmer realisiert wird. Diese Radelektroden gibt es als Einzelelektrode oder auch als „Vierradelektrode“, die eine Messbreite von bis zu 60 cm je Messtrecke abdeckt und somit einem Messrastervon 20 cm in der Breite entspricht. Abbildung 1: Prinzipskizze Potentialfeldmessung Abbildung 2 zeigt einen sogenannten „Potentialtrichter“ der als solcher erst in der dreidimensionalen Darstellung erkennbar ist. Die Detektion solcher Potentialtrichter ist ein deutlicher Hinweis auf einen aktiv korrodierenden Bereich, wobei die Potentiallage selbst nur eine untergeordnete Rolle spielt. Gemäß [1, 4] liegt das Hauptaugenmerk auf der Detektion von lokalen Potentialgradienten, die einen Potentialtrichter ausbilden. Im ASTM Standard C876 [5] wird dies anders gehandhabt. Hier werden Korrosionswahrscheinlichkeiten festen Potentialbereichen zugewiesen. Die Aus- und Bewertung einer Potential- 584 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Detektion korrosionsaktiver Bereiche an Brückenbauwerken aus Stahlbeton mittels Potentialfeldmessung feldmessung gemäß [5] wird nicht empfohlen, da es keine direkte Korrelation der Korrosionswahrscheinlichkeit und dem gemessenen Potential gibt ohne die Grundgesamtheit zu betrachten. Abbildung 2: Prinzipskizze eines Potentialtrichters Die Durchführung der Potentialfeldmessung und die Anforderungen an das Prüfpersonal sind sowohl im Merkblattes B 3 „Elektrochemische Potentialmessung zur Detektion von Bewehrungsstahlkorrosion“ der Deutschen Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP) als auch im Merkblatt 2006 „Planung, Durchführung und Interpretation der Potenzialmessung an Stahlbetonbauten“ [4] des schweizerischen Ingenieur- und Architektenvereins (SIA) ausführlich beschrieben. 3. Prüfpersonal Aufgrund der hohen Anforderungen an das Prüfpersonal beschreibt das Merkblatt B3 die Qualifikation an das Prüfpersonal wie folgt. „Die Durchführung der Potentialmessung bis zur Formulierung einer zuverlässigen Prüfaussage erfordert eine ausreichende Sachkunde sowohl auf dem Gebiet der Korrosion und des Korrosionsschutzes als auch auf dem Gebiet der Betontechnologie sowie zumindest Grundkenntnisse aus dem Bereich des konstruktiven Ingenieurbaus. Der Nachweis dieser Sachkunde kann z.B. durch Zeugnisse oder Ausbildungsnachweise und Nachweise entsprechender Fortbildungen erfolgen [1]. Die Messungen selbst können, unter Anleitung und Überwachung durch die sachkundige Person, auch durch Personal ohne auseichende Sachkunde durchgeführt werden. 4. Aus- und Bewertung der Potentialfeldmessung Für die Interpretation einer Potentialfeldmessung sind stets ergänzende Messverfahren durchzuführen, die mögliche Einflüsse wie z.B. eine variierende Betonfeuchte oder Beton-deckung auf die Messergebnisse beschreiben können. 4.1 Zusatzuntersuchungen Die aufgeführten Zusatzuntersuchungen sind zwingend erforderlich für eine fachgerechte Aus- und Bewertung einer Potentialfeldmessung., Bei den erforderlichen Zusatzuntersuchungen handelt es sich um: - Vollflächige Betondeckungsmessung - Vollflächiges Abklopfen zur Hohlstellenfindung - Vollflächige Untersuchung der Betonoberfläche auf: - freiliegende Bewehrung - Abdichtungsreste - OS-Systeme - Risse - Entwässerungseinrichtungen - Durchdringungen metallischer Bauteile - Chloridbestimmung - Stichprobenartige Bestimmung der Karbonatisierungstiefe - Sondierungsöffnungen Ergänzende Zusatzuntersuchungen sind z.B.: - Betonwiderstandsuntersuchungen - Betonfeuchtemessung mittels Mikrowellen - Messung des elektrischen Betonwiderstands 4.2 Grafische Darstellung der Messergebnisse Die grafische Darstellung der Messergebnisse soll stets mit geeigneten Randparametern erfolgen, deren Wahl eine eindeutige und wirkungsvolle Visualisierung erlaubt. Abbildung 3 zeigt eine Farbdarstellung mit einer Bereichseinteilung von 50 mV je zugewiesener Farbe. In diesem Fall kennzeichnen die dunkelroten bis hin zu dunkelorangen Farbzuweisungen die korrosionsaktiven Bereiche (Potentiale von -350 bis -500 mV, gemessen gegen eine Kupfer - Kupfersulfat Elektrode). Bei der Darstellung der Potentialfeldmessergebnisse in Farbdarstellung sollte die Signalwirkung der Farben Beachtung finden. So sollten, wie dargestellt, z.B. dunkelrote Farben für die negativsten gemessenen Potentialbereiche Verwendung finden. Die statistische Analyse (Häufigkeits- oder Summenhäufigkeitsverteilung) von Potentialfeldmesswerten zur Festlegung von Grenzwerten zwischen aktiv korrodierender und passiver Bereiche sind ohne große Fachkenntnis nicht zu empfehlen. Hierbei kann es aufgrund variierender Durchfeuchtungen des Betons zu einer fehlerhaften Grundgesamtheit kommen und somit zu falschen Grenzwerten. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 585 Detektion korrosionsaktiver Bereiche an Brückenbauwerken aus Stahlbeton mittels Potentialfeldmessung Abbildung 3: Darstellung einer Potentialfeldmessung vs. Cu/ CuSO4 sat. 5. Abschließende Begutachtung und Sondierung Nach grafischer Auswertung der Potentialfeldmessung muss eine Freilegung der Bewehrung zur Feststellung des tatsächlichen Schädigungsgrades erfolgen. Hierzu werden die Bereiche mit den negativsten Potentialen erneut mit einer Handelektrode eingemessen und die Beton-deckung in diesem Bereich entfernt. Die freigelegte Bewehrung muss anschließend hinsichtlich ihres Korrosionszustandes bewertet werden. Auch in Bereichen von Rissen sowie in Bereichen, in denen eine eindeutige Zuweisung der Potentialwerte nicht möglich ist, muss eine Freilegung der Bewehrung erfolgen. Diese Vorgehensweise ist für jede Messfläche erforderlich, eine messflächenübergreifende Aussage für das gesamte Bauwerk ist nicht möglich. Nach Validierung der Messergebnisse mit den zugehörigen Sondierungen kann eine abschließende Beurteilung des Instandsetzungsbedarfs erfolgen. 6. Lehrgang zum Erwerb des Sachkundenachweises zur Durchführung von Potentialfeldmessungen Der Lehrgang zum Erwerb des Sachkundenachweises zur Durchführung von Potentialfeldmessungen wird über die GfKORR mit Unterstützung der DGZfP Ausbildung und Training GmbH im jährlichen Rotationserfahren an drei Standorten in Deutschland (Aachen, Berlin, München) angeboten. Der Lehrgang ist in einen theoretischen und einen praktischen Ausbildungsteil gegliedert und nimmt inkl. der theoretischen und praktischen Prüfung einen Zeitraum von drei Tagen ein. Im Rahmen der theoretischen Ausbildung werden folgende Themen behandelt: - Grundlagen der Korrosion - Korrosion von Stahl in Beton - Elektrochemische Messungen - Das Merkblatt B03 der DGZfP - Einordnung der Potentialfeldmessung in das Konzept der Bauwerksdiagnose - Fehlerquellen in der Praxis Die praktische Schulung erfolgt an einem großformatigen Probekörper, an dem sowohl korrodierende Bewehrung als auch praxisrelevante Fehlerquellen verdeckt eingebaut sind. In Abbildung 4 ist exemplarisch der Probekörper der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin dargestellt. An diesem Probekörper und weiteren Probekörpern erfolgt die praktische Ausbildung, zur Durchführung der Potentialfeldmessung, Betondeckungsmessung, elektrischer Betonwiderstand und weiteren notwendigen Messverfahren. Abbildung 4: Großformatiger Probekörper der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin Im Anschluss erfolgt eine 90-minütige schriftliche Prüfung sowie eine praktische Prüfung ohne zeitliche Beschränkung. Die Durchführung der Potentialfeldmessung hat in der Prüfung eigenständig zu erfolgen und wird über die Dauer der Prüfung begutachtet. 586 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Detektion korrosionsaktiver Bereiche an Brückenbauwerken aus Stahlbeton mittels Potentialfeldmessung 7. Beispiel aus der Praxis Im Rahmen des Kooperationsprojektes „ZfPStatik“ zwischen der Universität der Bundeswehr München und der BAM wurde die Erstellung der Rückbaustatik eines Brückenbauwerkes durch die Einbeziehung von Informationen aus ZfP-Untersuchungen unterstützt. Dabei wurden die Querkraftbewehrung und die Längsspannglieder lokalisiert [6]. Darüber hinaus wurden an exponierten Bereichen Potentialfeldmessungen durchgeführt und der Elektrolytwiderstand des Betons ermittelt. Abbildung 5 zeigt den Messbereich unterhalb der Brückenkappe sowie den Steg des Hohlkastenprofils mit dem zugehörigen Messraster von 15 x 15 cm. Rot umrandet ist ein freier Ablauf von Oberflächenwasser, welches im Bereich der Brückenkappe unterläufig ist. Die Entwässerung besteht aus unlegiertem Stahl der stark korrodiert ist. Eine elektronenleitende Verbindung zur Bewehrung ist nicht gegeben. Unterseite des Kragarms Steg des Hohlkastenprofils Abbildung 5: Übersicht der Messbereiche an Kragarm und Steg des Hohlkastenprofils Bevor die Oberfläche für die Potentialfeldmessung befeuchtet wurde, ist mittels Wennersonde der Elektrolytwiderstand ermittelt worden. Die Ergebnisse sind in Abbildung 6 bis 8 dargestellt. Abbildung 6: Übersicht Widerstandsmessung mit Wennersonde In den Abbildungen 7 und 8 sind die jeweiligen Widerstände grafisch aufbereitet. Im Bereich des Kragarms/ Brückenkappe sind deutlich geringere Widerstände als am Steg ermittelt worden. Dies hängt mit der Durchfeuchtung der Brückenkappe bzw. mit dem Eintrag von Tausalzen in die Betonmatrix zusammen. Abbildung 7: Ergebnis der Widerstandsmessung an der Kragarmunterseite Abbildung 8: Ergebnis der Widerstandsmessung am Steg des Hohlkastenprofils Im Nachgang an die Widerstandsmessungen sind Potentialfeldmessungen an der Unterseite des Kragarms und am Steg durchgeführt worden. Die grafische Darstellung der Ergebnisse ist in den Abbildungen 9 bis 11 abgebildet. Abbildung 9: Übersicht Potentialfeldmessung an Kragarm und Steg des Hohlkastenprofils Im Bereich des Kragarmes sind anodische Teilbereiche sowohl am Abfluss als auch am Übergang zur Brückenkappe zu verorten. Gekennzeichnet sind diese durch die sehr niedrigen Potentiale. Eine Validierung der Messergebnisse durch Sondieröffnungen erfolgte nicht. Stattdessen sind Bohrkerne entnommen worden, deren Auswertung noch aussteht. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 587 Detektion korrosionsaktiver Bereiche an Brückenbauwerken aus Stahlbeton mittels Potentialfeldmessung Abbildung 10: Ergebnis der Potentialfeldmessung an der Kragarmunterseite Im Bereich des Steges (Abbildung 11) sind keine anodischen Teilbereiche verortet worden. Lediglich der Einfluss der deutlich negativeren Potentiale aus dem Kragarm sind an dessen Übergang festzustellen. Abbildung 11: Ergebnis der Potentialfeldmessung am Steg des Hohlkastenprofils Bei der Begehung des Hohlkastenprofils ist eine defekte Entwässerungsleitung der Fahrbahnentwässerung vorgefunden worden. Das Oberflächenwasser der Fahrbahn wurde, aufgrund der gebrochenen Leitung, nicht durch das Hohlkastenprofil hindurch geleitet, sondern in das Hohlkastenprofil hinein. Die Korrosionserscheinungen (Abbildung 12) an der Entwässerungsleitung lassen darauf schließen, dass dieser Schaden über Jahre hinweg keinerlei Beachtung fand. Die Ablaufspuren des Wassers auf dem Boden des Hohlkastenprofils sind im rechten Bild von Abbildung 12 deutlich zu erkennen. Am Gefälle-Tiefpunkt befindet sich eine Öffnung im Hohlkasten, so dass das eindringende Wasser frei in den darunter befindlichen Fluss gelangen kann. Abbildung 12: Defekte Entwässerungsleitung und Ablaufspuren im Hohlkastenprofil In Abbildung 13 ist die Widerstandsmessung in Teilbereichen des Hohlkastenprofils dargestellt, das Messraster beträgt auch hier 15 x 15 cm. Im Bereich des Ablaufes im Hohlkastenprofil ist der deutliche Widerstandsanstieg außerhalb der Ablaufspuren zu erkennen und deckt sich mit den deutlich positiveren Potentialen in diesem Bereich (Abbildung 14). Ablauf Ablaufspur Abbildung 13: Widerstandsmessung im Hohlkastenprofil Die Potentialfeldmessung wurde mit einer Radelektrode flächendeckend durchgeführt, das Messraster beträgt ebenfalls 15 x 15 cm. Da die Entwässerungsleitung hier elektronenleitend mit der Bewehrung verbunden ist kann zwischen aktiv korrodierender Bewehrung und der gusseisernen Leitung nicht unterschieden werden. Nach 2,7 m und 3,3 m Messstrecke finden sich weitere Bereiche, die als aktiv korrodierend zu bewerten sind. Weniger deutlich, aber dennoch als kritisch zu betrachten, sind die Bereiche mit negativeren Potentialen bei ca. 7,0, 7,8 und 9,0 m (rote Pfeile). Abbildung 14: Potentialfeldmessung im Hohlkastenprofil 588 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Detektion korrosionsaktiver Bereiche an Brückenbauwerken aus Stahlbeton mittels Potentialfeldmessung Eine Validierung der anodischen Teilbereiche durch Sondieröffnungen, wurde in diesem Fall nicht vorgenommen. Die Korrosivität im Hohlkasteninnenraum ist allgemein als gering einzustufen (XC1). In diesem Fall ist sie, aufgrund der defekten Entwässerungsleitung, partiell in die Expositionsklasse XD3 einzustufen. Diese Schäden sind im Rahmen der Brückenprüfung als kritisch einzustufen und können langfristig zu einer massiven Schädigung des Bauwerks führen. Literarturverzeichnis [1] DGfZP: Merkblatt B 03 - Merkblatt für Elektrochemische Potentialmessung zur Detektion von Bewehrungskorrosion: DGfZP 2014 [2] Kessler, Sylvia, Gehlen, Christoph, Ebell, Gino et al., Potential mapping and its probability of detection, In: Beton- und Stahlbetonbau 106, 481- 489, Jul, (2011) [3] Ebell, Gino, Burkert, Andreas und Mietz, Jürgen, Detection of Reinforcement Corrosion in Reinforced Concrete Structures by Potential Mapping: Theory and Practice, In: International Journal of Corrosion 2018, 3027825, 2018/ 09/ 30, (2018) [4] SIA, „Merkblatt 2006 Planung, Durchführung und Interpretation der Potenzialmessung an Stahlbetonbauten,“ Schweizerische Ingenieur- und Architektenverein, 2013. [5] ASTM, “C 876-15 Standard Test Method for Corrosion Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete,” ASTM, 2015. [6] Küttenbaum, S., Maack, S., Braml, T., Taffe, A. and Haslbeck, M. (2019), Bewertung von Bestandsbauwerken mit gemessenen Daten. Beton- und Stahlbetonbau, 114: 370-382. doi: 10.1002/ best.201900002