10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 145 KKS im Grenzbereich von Sonderkonstruktionen - Instandsetzung mit KKS im Grenzbereich Detlef Koch Koch GmbH, Kreuztal Björn Neuberger Koch GmbH, Kreuztal Zusammenfassung Hohe Schädigungsgrade, zunehmendes LKW-Gewicht, steigendes Verkehrsaufkommen und klimatische Einflüsse sind nur einige Parameter, die Bedarf für ideenreiche Instandsetzungskonzepte für Parkbauten schaffen. Immer häufiger spielen dabei auch schnelle Instandsetzungen mit geringen Aufbauhöhen, kurzen Ausfallzeiten und facettenreichen Individuallösungen eine Rolle. Kathodischer Korrosionsschutz (KKS) hat sich insbesondere in der Instandsetzung von Stahlbetonbauteilen, welche Korrosionsschäden infolge Chlorideintrag aufweisen, bewährt. Komplexe Sonderkonstruktionen benötigen dabei KKS-Systeme, welche v. a. auf die individuellen Systemschwächen der jeweiligen Bauweise abgestimmt sind. Zu solchen Konstruktionen gehören z.B. Stahlverbundbauwerke, Kassettendecken oder Doppelhelixstrukturen. Komplexe Schadensbilder durch die Korrelation von Korrosion mit gleichzeitiger mechanischer Überlastung benötigen entsprechende Individuallösungen. Mit dem Einsatz von Carbonbeton als Anodensystem für den KKS kann einerseits mit der Carbonbewehrung eine Flächenanode mit großer Oberfläche eingesetzt werden und andererseits ein Ersatz oder eine Ergänzung von Stahlbewehrung erfolgen. Durch diesen sogenannten KKS-Carbonbeton werden häufig nur geringe Eingriffe in die Bauwerkssubstanz erforderlich und lassen somit Instandsetzungen im Grenzbereich von Sonderkonstruktionen zu. 1. Korrosion Bewehrungsstähle werden durch dünne Oxidschichten vor zunehmender Korrosion geschützt. Ein solcher Korrosionsschutz bildet sich auf der Oberfläche des Stahls bei einer hohen Alkalität des Porenwassers. Der pH-Wert beträgt dabei etwa >12,6. Ist der Beton ausreichend diffusionsfähig, beispielsweise durch Risse oder Poren, können Schadstoffe immer weiter in den Beton eindringen und in Richtung Stahl diffundieren. Diese Umstände können zunehmend zu Korrosion der Stahlbewehrung führen. Zu den relevantesten Schadstoffen gehören Chlorid(Cl-)-haltige Elektrolytlösungen, welche beispielsweise in Tausalzen vorhanden sind, sowie zunehmende Kohlendioxid(CO 2 )-Belastungen des Betons. Der kritische Chloridgehalt wird häufig mit 0,4-0,5 [M.- %] bezogen auf den Zementgehalt angenommen, was sich allerdings nachweislich nicht pauschalisieren lässt. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Korrosionsgeschwindigkeit und -rate auf Grund von vielen weiteren Bedingungen abweichende Chloridbelastungen kritischer aber, auch unkritischer erscheinen lassen können. Die eingedrungenen Chloride können die Passivschicht der Bewehrung lokal am Eindringort zerstören und zu Korrosion führen. Dabei entstehen verschieden polarisierte Elemente, und es kommt zu einer Makroelementbildung. Ein depassivierter Bereich des Stahls wirkt dabei als Lokalanode und der passivierte Umgebungsbereich als Kathode. Unterschiedlich stark ausgeprägte Stromdichten und Potentiale führen zu lokal stark schwankenden und ausgeprägten Korrosionsprozessen. [1] Neben der chloridinduzierten Korrosion gilt die Karbonatisierung als eine der häufigsten Korrosionsursachen, welche meist durch mangelhafte Bauausführungen und zu geringe Betondeckungen verursacht wird. Erfolgt eine Depassivierung infolge Karbonatisierung, ist eine erhöhte Eisenauflösung die Folge. Der pH-Wert des Betons sinkt dabei deutlich ab (bis auf einen pH-Wert von ca. 9), wodurch kein alkalisches Milieu mehr gegeben ist. Das Calciumoxid des Betonporenwassers reagiert mit dem Kohlendioxid der Atmosphäre zu Calciumcarbonat. Im nächsten Schritt findet eine Entkalkung statt, welche den pH-Wert senkt und einen Abtrag erleichtert. [5] Eine gängige Instandsetzungsmethode zum Schutz voranschreitender Korrosion stellt der kathodische Korrosionsschutz da. 146 10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 KKS im Grenzbereich von Sonderkonstruktionen - Instandsetzung mit KKS im Grenzbereich 2. Kathodischer Korrosionsschutz Das Prinzip des Kathodischen Korrosionsschutzes besteht darin, durch Einleitung eines Gleichstromes den Korrosionsvorgang von unlegierten oder niedriglegierten Stählen (z.B. Betonstahl) in einem ausgedehnten Elektrolyten (Böden, Meerwasser, bei Anwendung in Stahlbeton: Beton) elektrisch zu beeinflussen. [1] Dieser Gleichstrom (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 bei einem Fremdstrom-Anodensystem muss zunächst eine dauerhafte und korrosionsresistente Anode (z.B. aus Mischmetalloxid-beschichtetem Titan oder Carbon) an den Beton angekoppelt und an den Pluspol eines als Spannungsquelle dienenden Gleichrichters angebracht werden. Der Minuspol der Gleichspannung wird an den zu schützen-den Stahl (bei Stahlbeton an die Bewehrung) angeschlossen. [1] Nach Einschalten der Gleichspannung wird der zu schützende Stahl kathodisch polarisiert und bei geeigneter Schutzstromauslegung die Korrosion auf ein zu vernachlässigendes Maß reduziert. 2.1 Anodensysteme im KKS • Titanbandanode • Titanstabanode (Diskretanode) • Leitfähige Beschichtung • Kohlenstoffanoden (z.B. Carbonbeton) 3. Carbonbeton Obwohl Stahl ein bewährtes und das am häufigsten verwendete Bewehrungsmaterial für Mörtel/ Beton ist, stellen sich Carbonbewehrungen aufgrund ihrer Korrosionsunempfindlichkeit gegenüber Säure und Alkalien als eine vielversprechende Alternative dar. Mechanisch hebt sich Carbon insbesondere durch seine sehr hohe Zugfestigkeit (bis zu 3500 N/ mm²) bei gleichzeitig geringem Gewicht (in etwa viermal leichter als Stahl) von den direkten Konkurrenten wie Stahl, Glasfaser oder Basalt ab. Zusätzlich weist Carbon eine gute elektrische Leitfähigkeit auf und eignet sich somit als Anodenmaterial für den KKS. [2] Endlosfasern aus Carbon, auch Filamente genannt, bilden die Grundstruktur von Carbonbewehrungen. Typische Filamentdurchmesser liegen bei ca. 7 µm. Um die nachfolgende textile Verarbeitung der Filamente zu ermöglichen wird eine sog. Schlichte auf Polymerbasis mit einer Dicke von ca. 100 nm aufgetragen. Danach können bis zu 50.000 Einzelfilamente zu Garnen gebündelt werden, wobei typische Garndurchmesser etwa zwischen 0,6 und 2,5 mm groß sind. Aus den Garnen werden über Textilmaschinen gitterförmige ebene (2D) oder dreidimensionale textile Strukturen gewoben. Dabei wird axial zwischen Kett- (längs) und Schussrichtung (quer) und unterschieden. Typische Maschenweiten liegen zwischen 8 und 38 mm und können recht-eckig oder quadratisch variiert werden. Die spezifischen Gewichte der entstehenden getränkten Gitterstrukturen liegen dabei typischerweise zwischen 150 und 650 g/ m², wobei Flächenquerschnitte von 34-142 mm²/ m erzielt werden. Zusätzlich zu den gitterförmigen Bewehrungsstrukturen werden aus den Garnen, in Kombination mit einer Polymermatrix, profilierte Stabbewehrungen im Pultrusionsverfahren hergestellt. Typische Außendurchmesser liegen zwischen 4 und 12 mm. Anders als bei Carbonstäben, die bereits nach der Her-stellung formstabil sind, werden Gitter, auch textile Bewehrungen genannt, in einem weiteren Verarbei-tungsschritt mit einem Polymer (meist Epoxidharze, Polyurethane, Polymethylmethacrylat oder auf Styrol-Basis) getränkt, um diese für den Transport und den Einbau zu schützen, die Zugfestigkeit der Bewehrung zu erhöhen und den Verbund zum Mörtel bzw. Beton zu verbessern. Dabei wird die textile Carbonbewehrung mittels speziellen Umlenkrollen durch Behälter mit den Tränkungsmaterialien geführt. Durch das anschließen-de Abstreifen auf Rollen unter Druck finden dabei eine zusätzliche Verdichtung sowie ein Entfernen über-schüssiger Tränkungsmaterialien statt. Im Anschluss erfolgt die Trocknung und Aushärtung. [3] Während eine Tränkung der textilen Bewehrung den inneren Verbund erhöht, kann der äußere Verbund zwischen textiler Carbonbewehrung und Mörtel-/ Betonmatrix deutlich verbessert werden, wenn zusätzlich eine Oberflächenmodifikation z. B. mittels nach-träglicher Beschichtung und Besandung des getränkten Textils erfolgt. Diese Oberflächenmodifikation (Beschichtung bzw. Coating genannt) erhöht die Rauheit der Textilien und somit die Verbundwirkung, welche sich günstig auf die Rissanzahl bzw. Rissabstände und Rissbreiten auswirkt. Die gängigsten Einbettmaterialien sind reinzementgebundene Mörtel und Feinbetone. Dabei können alle Formen der Verarbeitbarkeit des Materials durch die speziellen Applikationsverfahren ausgeführt werden. Besonders wichtig ist, das Größtkorn mit der verwendeten Maschenweite des Geleges abzustimmen. So werden beispielsweise häufig bei geringen Maschenweiten maximal zulässige Größtkörner von rund 4 mm angegeben. 3.1 KKS-Carbonbeton Aufgrund der Tatsache, dass sich Carbonbewehrungen als elektrische Leiter eignen, werden diese zunehmend häufiger für KKS Anwendungen eingesetzt. Das Carbonbetonsystem wird dabei nach Bild 1 aufgebaut und direkt auf die vorbereiteten Betonoberflächen aufgebracht. Dabei wird eine speziell modifizierte textile Carbonbewehrung (Gelege oder Gewebe) in einem geeigneten Mör- 10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 147 KKS im Grenzbereich von Sonderkonstruktionen - Instandsetzung mit KKS im Grenzbereich tel eingebettet. Dieser Mörtel besitzt im Idealfall einen geringen elektrischen Eigenwiderstand, niedrige Übergangswiderstände zum Carbon, sowie zum Untergrundbeton, um eine leichtere Polarisation zu ermöglichen. [4] Abbildung 1: Aufbau des KKS-Carbonbetons Die mechanischen Eigenschaften (E-Modul, Druck- und Biegezugfestigkeiten etc.) sowie (falls erforderlich) Oberflächenschutzsysteme sind dabei auf den speziellen Anwendungsfall angepasst. Der kathodische Korrosionsschutz wird hierbei hergestellt, indem die Bewehrung des Stahlbetons an den Minuspol einer Gleichstromquelle angeschlossen wird, bei gleichzeitiger anodischer Schaltung der textilen Carbonbewehrung. Eine Stromeinspeisung erfolgt da-bei über MMO-beschichtete Titanbänder (als Primäranode), siehe Abbildung 1 und 2. [4] Nachfolgend ist ein schematischer Aufbau eines typischen linearen KKS-Carbonbetons eines Rissbereichs im Parkhaus dargestellt. Abbildung 2: Anschlussdetail KKS Carbonbeton 4. Beispiele für KKS im Grenzbereich Nachfolgend werden eigene Beispiele und Bilder für KKS im Grenzbereich dargestellt. Einige Randinformationen zu den Objekten sind den Auflistungen und Bildunterschriften zu entnehmen. Objekt 1: Multiple Risse durch späten Zwang einer Tiefgarage in Siegen • Baujahr 2006, 3200 m² • ausgebildet als weiße Wanne mit starrem OS • multiple Risse (v. a. > 0,5 mm) • späte Zwänge • vielfache vergebliche Vorsanierungen Abbildung 3: Ausschnitt der Risskartierung Abbildung 4: Linearer KKS-Carbonbeton in den Rissbereichen einer Tiefgarage zur lokalen Verstärkung und Kathodischem Schutz 148 10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 KKS im Grenzbereich von Sonderkonstruktionen - Instandsetzung mit KKS im Grenzbereich Objekt 2: Stahlverbund-Parkhaus in Siegen • Baujahr 1991, 21.000 m² • Stahlverbundbauweise • massive Schäden in Fugen und Rissbereichen • hohe Chloridwerte Abbildung 5: Typische Felder der Additivdecken Abbildung 6: Besonders bedarfsgerechter KKS einer Stahlskelettverbundkonstruktion mit einzelnen Schutzbereichen Objekt 3: Kassettendecke einer Tiefgarage in München • Baujahr 1967, 780 m² • Kassettendecke • 8 cm Deckenstärke • aktive Korrosion • multiple Risse • hohlliegender Estrich Abbildung 7: KKS Planung einer Kassettendecke eines Parkhauses mittels verschiedener Anodentypen Abbildung 8: Unterseite der Deckenkonstruktion Objekt 4: Stützensanierung mit geringem Zeitfenster in einer Verzinkerei in Freudenberg • Baujahr 1969 • Stahlbetonstützen, Spannbetonbinder • Mangelhafte Oberflächenschutzsysteme • aktive Korrosion • hohe Chloridwerte durch Salzsäurebecken • keine Sperrzeiten möglich 10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 149 KKS im Grenzbereich von Sonderkonstruktionen - Instandsetzung mit KKS im Grenzbereich Abbildung 9: KKS + Carbonbeton von Stützen einer Verzinkerei Abbildung 10: Instandsetzung bei laufendem Betrieb Objekt 5: KKS mit AKR-Problematik an einem Tiefwasseranleger in Wilhelmshaven • Stahl- und Spannbetonkonstruktionen • Meerwasserbeaufschlagung • Komplexes Schadensbild aus chloridinduzierter Korrosion und AKR • Vielzahl an Rissen und Hohllagen • bereits starke Bewehrungsschäden Abbildung 11: Landungsbrücke in Wilhelmshaven Abbildung 12: Umfangreicher KKS einer Landungsbrücke der Nordsee Objekt 6: KKS bei hohen Bewehrungsgraden in einem Parkhaus in Bielefeld • Baujahr 1965, 19.000 m² • Stahlbetonbauweise (größtenteils Ortbeton) • geringe Durchfahrtshöhe (1,80 m) • hohe Frequentierung (Innenstadt), durchgehend geöffnet • hoher Bewehrungsgrad • Pilzdecken mit mangelhafter Sicherheit gegen Durchstanzen • massive Korrosionsschäden 150 10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 KKS im Grenzbereich von Sonderkonstruktionen - Instandsetzung mit KKS im Grenzbereich Abbildung 13: Beispiel des hohen Bewehrungsgrads eines durch Höchstdruckwasserstrahlen freigelegten Bereiches Abbildung 14: Kombination verschiedener Anodensysteme in einem Parkhaus Objekt 7: Komplexe Doppelhelixstruktur eines Parkhauses in Kassel • Baujahr 1957, 350 Stellplätze • komplexe Doppelhelixbauweise • Stellplätze 5-6 % geneigt • hohe Frequentierung (Innenstadt) • mangelhafte Vorsanierungen • undichte Kreuzfugen über alle Ebenen • massive Korrosionsschäden • Vielzahl an Trennrissen Abbildung 15: Darstellen von zwei sich kreuzenden Ebenen der Doppelhelixstruktur Abbildung 16: Beispiel einer Kreuzfuge im Zentrum der Doppelhelix des Parkhauses Objekt 8: Stahlbetonskelettbauweise einer Tiefgarage Stuttgart • Baujahr 1971, 12.600 m² • Stahlbetonskelettbauweise (Anselmentkonstruktion) • Hohllagen unter der Beschichtung • hohe Chloridwerte • fortgeschrittene Carbonatisierung • Vielzahl an Rissen • mangelhafte Betondeckung 10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 151 KKS im Grenzbereich von Sonderkonstruktionen - Instandsetzung mit KKS im Grenzbereich Abbildung 17: Foto der Anselmentkonstruktion Abbildung 18: Auszug der Originalpläne mit typischer Querschnittsänderungen der Deckenplatten Abbildung 19: Hohllage und Bewehrungskorrosion am Stützensockel Literaturverzeichnis [1] W. Beckmann und W. Schwenk, Handbuch des Kathodischen Korrosionsschutz, 1999. [2] D. Koch und B. Neuberger, Der Zukunftspreis in Parbauten, Esslingen: Tagungsband Parkbauten, TAE, 2017. [3] C. Kulas, Zum Tragverhalten getränkter textiler Bewehrungselemente für Betonbauteile, RWTH Aachen: Dissertation, 2013. [4] A. Asgharzadeh, M.Raupach, D.Koch und M. Mahjoori, Kathodischer Korrosionsschutz für Parkbauten mit carbontextilbewehrtem Spezialmörtel, 2016. [5] B. Neuberger, „Ein Beitrag zur Untersuchung von Einflussfaktoren auf die elektrische Leitfähigkeit von Betonen und Mörteln in kathodischen Korrosionsschutzsystemen,“ Universität Siegen, Siegen, 2018.