WO1997044295A1 - Calciumhydroxid-realkalisierverfahren - Google Patents

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/4505—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements characterised by the method of application
    • C04B41/4564—Electrolytic or electrophoretic processes, e.g. electrochemical re-alkalisation of reinforced concrete
    • C04B41/4566—Electrochemical re-alcalisation

Definitions

  • the carbonation area of the concrete edge zone (3-5cm concrete top layer with reinforcement layer) is found as a scattering area at a depth of up to approx. 30mm. Greater carbonation depths are rare and more than 40-50mm are practically never reached.
  • the purpose of the CH realizing process is to comprehend the above mentioned realizing processes observed in nature and to restore the alkaline milieu in the already carbonated concrete and in the reinforcement area Mittel electrochemically supported wet / dry cycles, the behavior in nature is reproduced in a time-lapse process and the carbonated edge zone area is restored to an alkaline state (realized).
  • the concrete surface can be provided with a seal in order to permanently maintain the realization
  • the cement stone in the finished concrete contains 10-15 vol% calcium hydroxide Ca (OH) 2 (gel water), corresponding to approx. 30-45 liters per m 3 concrete at carbonation depths of 20mm ( Carbonation Ca (OH) 2 + CO2 -> CaC ⁇ 3 + H2O) the concrete lacks about 0 5-1 liters per m 2 of surface in the upper layer.
  • the task of the CH realizing process is then to compensate for this deficiency from the core concrete reservoir
  • anode mats in the form of flooding cassettes or saturated, water-holding porous mats with inserted electrically conductive tissue in different sizes depending on the flat are attached to the concrete surface and connections for reinforcement are made as cathodes.
  • substances that improve conductivity are added to the water in the anode mat (for example potassium carbonate).
  • the electric field (E field) is built up with DC driving voltages of 10-50 volts, with a current of 3 depending on the object -5 A / m 2 concrete surface (approx. 2 A / m 2 reinforcement).
  • the E fields are to be adapted to the building conditions and requirements of the concrete surface, taking into account the building integration
  • the proof of effectiveness of the realcalization is carried out by checking the new alkalinity in the concrete top layer in 5mm layers and comparing it with the status before carrying out the process.
  • the aim is to restore the alkalinity at least 100%
  • the drawing shows the concrete edge zone of a wall facade with reinforcement and carbonated concrete top layer.
  • the arrangement of the E-field with anode mat, rectifier and reinforcement connection as well as the ion migration taking place with repassivation of the reinforcement surface and reactions are shown and the running mechanisms are given

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Abstract

Es wird ein Verfahren vorgestellt zur Wiederherstellung des alkalischen Milieus in karbonatisierten Betonoberschichten durch Aktivierung des betoneigenen Calciumhydroxids (CH). In Anlehnung an beobachtete Naturvorgänge wird ein elektrochemisches Verfahren beschrieben, das unter Anwendung von Trocken/Nasszyklen eine Realkalisierung der karbonatisierten Oberschicht und eine Repassivierung der nicht mehr alkalisch vor Korrosion geschützten Bewehrungsstähle anstrebt. Dieses Verfahren setzt Bauteile aus üblichem Beton mit den Komponenten Zementstein, Gesteinszuschlag und Kapillarporen voraus. Der alkalische Zementstein mit pH-Wert 11-13 wird unter dem Einfluss von CO2 aus der Luft von der Betonoberfläche in die Tiefe zeitabhängig chemisch verändert zu karbonatisiertem Zementstein mit pH-Wert unter 9-10. Dieser bietet im Gegensatz zum alkalischen Zementstein keinen Korrosionsschutz mehr für die bei Stahlbetonbauwerken in den Beton eingelegten Bewehrungsstähle. Zunehmende Korrosionsrisiken für Bauwerke im Hoch-, Tief-, Brücken- und Industriebau sind die Folge. Ein frühzeitiges Erkennen des Problems und Wiederherstellen der vor Korrosion schützenden alkalischen Umgebungsbedingungen der Bewehrung im Beton tragen dazu bei, die Dauerhaftigkeit der Bausubstanz zu erhalten.

Description

CALCIUMHYDROXID-REALKALISIER VERFAHREN
1. Beschreibung
Die Grundlagen elektrochemischer Realkaiisierungsverfahren sind in einer Vielzahl von Veröffentlichungen enthalten. Daher ist das Vorgehen an sich als bekannt voraus¬ zusetzen. Z.B. Korrosionsschutztechnische Problemdarlegungen in
- 'Korrosion und Korrosionsschutz (Teil 5), elektrochemische Schutzverfahren für Stahlbetonbauwerke' Dokumentation D065 des Schweizerischen Ingenieur- und Architekten verems Zürich
1.1 Verfahrensqrundsätze
1.1.1 Betonkarbonatisierung und Realkaiisierung in der Natur:
Der Karbonatisierungsbereich der Betonrandzone (3-5cm Betonoberschicht mit Beweh¬ rungslage) wird als Streubereich in einer Tiefe bis ca. 30mm angetroffen. Grossere Karbonatisierungstiefen sind selten und mehr als 40-50mm werden praktisch nie erreicht.
Horizontal verlaufende Betonoberflachen haben hingegen selten eine grossere Karbo- natisierungstiefe als 3-7mm. Der Grund hegt im Feuchte- und Austrocknungsverhalten solcher Betonrandzonen unter natürlicher Bewitterung. Es resultieren feuchteabhängige lonentransporte und Diffusionserscheinungen in der Betonrandzone unter Bildung von mehr oder weniger ausgeprägten Dichtzonen in der unmittelbaren Betonoberschicht Dieses Verhalten führt in Nasszeiten zu einem steten naturlichen Realkalisiervorgang, unterbrochen durch Karbonatisierung in Trockenzeiten
1.1.2 Verfahrensableitung aus dem Naturvorgang
Das CH-Realkalisierverfahren bezweckt ein zeitlich gerafftes Nachvollziehen der genannten, in der Natur beobachteten Realkalisiervorgange und Wiederherstellen des alkalischen Milieus im bereits karbonatisierten Beton und im Bewehrungsbereich Mittels elektrochemisch unterstützter Nass- /Trockenzyklen wird das Verhalten in der Natur im Zeitrafferverfahren nachvollzogen und der karbonatisierte Randzonenbereich wieder in alkalischen Zustand versetzt (realkalisiert) Zusatzlich kann die Betonoberflache zur dauerhaften Erhaltung der Realkalisierung mit einer Versiegelung versehen werden
1.1.3 Alkalitätszustand in bestehenden Stahlbetonkonstruktionen
Der Zementstein im fertig hergestellten Beton enthalt unter Gebrauchsbedingungen je nach Wasserzementwert WZ (Verhältnis von Zugabewasser/Zementgehalt) 10-15Vol% Calciumhydroxid Ca(OH)2 (Gelwasser), entsprechend ca, 30-45 Litern je m3 Beton Bei Karbonatisierungstiefen um 20mm (Karbonatisierung Ca(OH)2 + CO2 — > CaCθ3 + H2O) fehlen dem Beton in der Oberschicht somit etwa 0 5-1 Liter je m2 Oberflache Die Aufgabe des CH-Realkalisierverfahrens besteht dann, diesen Mangel aus dem Reservoir des Kernbetons wieder auszugleichen
1.2 Durchführung des Verfahrens
1.2.1 Verfahrensablauf mit Zyklen
Die freie Beweglichkeit des Gelwassers im kristallinen Nadelfilz des Zementsteins ist grundlegend durch Adsorptionskrafte der inneren Baustoffoberflache behindert Die Überwindung dieser Kräfte durch geeignete Dimensionierung des elektrischen Feldes (E-Feld), der Dauer der Verfahrensanwendung und der Anzahl von Verfahrenszyklen mit abwechselnder (zyklischer) Wasser-ZTrockungsbehandlung ist Aufgabe des Verfahrens Die Anwendung von Nass-/Trockenzyklen im Wechsel von elektrochemischen lonentransport- und Luft-Wassertransportphasen fuhrt zur stufenwetsen Alkalitats- Anreicherung in der Betonoberschicht Es wird ein gesteuerter lonentransport erreicht und verhindert, dass ein grosserer Teil der OH Ionen in den ausseren Elektrolyten entweicht
Der Ablauf der Nass-/Trockenzyklen und die Beendigung der Verfahrensanwendung erfolgt nach Massgabe der erfolgten Ladung und wird anhand der durchflossenen Anzahl Coulomb gesteuert Eine permanente Überwachung des E-Feldes ist unerlasslich Zeichnung 1
Die Wirksamkeit der dargestellten Leistungskomponenten und ihr Zusammenwirken ist von Bauwerk zu Bauwerk verschieden Daher ist durch diagnostische Voruntersuchun¬ gen zu klären, welche Kapillarporosität (Prüfung nach SIA 162/1), Anordnung und statistische Tiefenverteilung der Bewehrung (Prüfung mit Betondeckungsmessgerät) und der Karbonatisierungsstreubereich (Prüfung mit Phenolphthaleintest) vorliegen.
1.2.2 Anwendungseinzelheiten und -mechanismen
Bei der Verfahrensanwendung werden Anodenmatten in Form von Flutungskassetten oder gesattigten wasserhaltenden porösen Matten mit eingelegtem elektrisch leitendem Gewebe in flachenabhängig unterschiedlicher Grosse an der Betonoberfläche befestigt und Anschlüsse zur Bewehrung als Kathode hergestellt. Zur Verringerung des Zeit¬ bedarfs für die Realkahsierung werden dem Wasser in der Anodenmatte leitfähigkeits- verbessernde Stoffe zugegeben (z B Kaliumkarbonat) Das elektrische Feld (E-Feld) wird aufgebaut mit Gleichstrom-Treibspannungen von 10-50Volt, bei einer Stromstärke von objektabhangig 3-5 A/m2 Betonflache (ca. 2 A/m2 Bewehrung). Die E-Felder sind den Bauwerksgegebenheiten und Erfordernissen der Betonoberflache unter Beachtung der Bauwerksintegπtat anzupassen
Die Anordnung der Massnahmen am Bauwerk, die Funktionsablaufe und weitere Angaben zu den ablaufenden Vorgangen und Mechanismen sind in Zeichnung 2 ersichtlich
Zeichnung 2
Beim ablaufenden Realkahsiervorgang im E-Feld sind zwei verschiedene Mechanismen zu unterscheiden Durch lonenmigration wandern OH Ionen (Hydroxyl-Ionen) aus dem alkalischen Kernbeton des Kathodenbereichs (Bewehrung) in Richtung Betonoberflache Zum anderen wird die Umgebung der Bewehrungsstahle im karbonatisierten Bereich durch elektrochemischen Stoffumsatz alkalisch angereichert und repassiviert In der Wassertransportphase werden OH-Ionen huckepackartig gegen die Oberfläche transportiert Dieser Transport endet am Wasserdampffilter, der mit der Trocknungs- behandlung wenige mm unter der Betonoberflache hergestellt wird Hier werden die OH- lonen zurückgehalten, wodurch bei zunehmender Konzentration der Aufbau einer Alkalitatszone erfolgt
Der Wirkungsnachweis der Realkalisierung erfolgt durch Kontrolle der neuen Alkalitat in der Betonoberschicht in 5mm-Schichten und Vergleich mit dem Status vor Durchfuhrung des Verfahrens In der Regel wird eine mindestens 100%ιge Wiederherstellung der Alkalitat angestrebt
1.3 Beschreibung der Zeichnungen 1.3.1 Zeichnung 1, Zyklendarstellung
Angabe der Zyklenfolgen im zeitlichen Ablauf der Verfahrensdurchfuhrung
Einzelzyklus
- Aufsattigung über 95-97Vol%, Dauer ist Objektabhang ig zu bestimmen
- Einschalten des E-Feldes mit lonentransport - do -
- Luft-/Wasserdampfphase - do -
1.3.2 Zeichnung 2, Funktionsdarstellung
Die Zeichnung zeigt die Betonrandzone einer Wandfassade mit Bewehrung und karbonatisierter Betonoberschicht Es werden die Anordnung des E-Feldes mit Anodenmatte, Gleichrichter und Bewehrungsanschluss sowie die dabei ablaufenden lonenwanderungen mit Repassivierung der Bewehrungsoberflache und Reaktionen dargestellt und die ablaufenden Mechanismen angegeben

Claims

2.Patentansprüche
2.1 Oberbegriff
Erhaltung von Betonbauwerken mittels elektrochemischer Verfahren. Realkalisierung karbonatisierter Betonoberschichten und Repassivierung von Bewehrungsstählen.
2.2 Kennzeichnender Teil
Verfahren zur Realkalisierung karbonatisierter Betonoberschichten und Repassivierung von Bewehrungsstählen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Bewehrung und einer im elektrolytischen Medium aufgelegten elektrisch leitenden Gewebematte als Anode ein elektrisches Feld zur elektrochemischen Aktivierung von OH" Ionen im alkalischen Betonbereich sowie zu deren elektrokinetischem Transport in die karbonatisierte Betonoberschicht bzw. Anreicherung am Bewehrungsstahl aufgebaut wird, zyklisch abgelöst durch einen für die Überführung des Wassers in Wasserdampf auf der Betonoberfiäche aufgebauten Luftstrom mit resultierender Bremsung dieser Ionen unterhalb der Wasserdampffront, derart, dass die karbonatisierte Betonoberschicht unter Anreicherung von OH' Ionen wieder in einen alkalischen Zustand mit pH-Wert über 10-11 versetzt und die korrosionsgefährdete Bewehrung innerhalb der Oberschicht mit einem neuen vor Korrosion schutzenden alkalischen Mantel versehen wird.
Anspruch 1
Das Verfahren ist charakterisiert durch das Nutzen von Erkenntnissen aus einem in der Natur beobachteten Realkalisierungsphänomen und Nachstellen dieses Phänomens mittels zyklischer Sattigungs- und Austrocknungsphasen Anspruch 2
Das Verfahren ist in Übereinstimmung mit Anspruch 1 charakterisiert durch das Anlegen eines elektrischen Feldes, eine bereits bekannte Methode mit der Bewehrung im alkalischen Betonbereich als ein Element und eine auf die Betonoberfläche im elektrolytischen Medium aufgelegte Gewebematte als externe Elektrode, hier angewendet auf Betonbauwerke, deren Bewehrungsanordnung ein Produzieren, Lösen und Transportieren von OH" Ionen zulässt.
Anspruch 3
Das Verfahren ist in Übereinstimmung mit Anspruch 1 und 2 charakterisiert durch den im elektrischen Feld ausgelösten elektrokinetischen lonentransport bis in den karbonatisierten Betonbereich und Abbremsen der OH' Ionen durch gesteuerte Wasserdampfphasen als Massnahme gegen das Austreten und Entweichen ins elektrolytische Medium.
2.3 Unterscheidung
Der Anspruch unterscheidet sich vom Bekannten wie folgt
Die durch das CH-Verfahren im elektrischen Feld aktivierte betoneigene Alkalitat aus dem Calciumhydroxid des alkalischen Zementsteins wird unter Einsatz von Trocken- /Nasszyklen in der Betonoberschicht so stark konzentriert, dass die durch Karbonatisterung verloren gegangene Alkalitat wieder ersetzt wird
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