Kathodischer Korrosionsschutz (KKS)

Betroffen sind besonders ältere Bauwerke des Hoch- und Tiefbaus, wie beispielsweise Brücken, Tunnel und Parkhäuser. Nicht erkannte Schäden oder unterschätzte Schadensbilder können hier mittelfristig kostenintensive Sanierungsmaßnahmen und manchmal sogar den Abriss der Immobilie nach sich ziehen. Umso wichtiger ist es, Schadensprozesse frühzeitig zu erkennen und zu stoppen, bevor es zu spät ist. Eine schnell wirksame sowie zeit- und kostengünstige Methode zur Instandsetzung chloridbelasteter Bauwerke ist der kathodische Korrosionsschutz (KKS).

Bei konventionellen Instandsetzungsverfahren muss der chloridbelastete Beton oftmals sehr tief abgetragen werden, was einen erheblichen Eingriff in das Bauwerk darstellt. Neben den hohen Kosten für den Eingriff in die Bausubstanz spricht auch die Nutzungseinschränkung während der z. T. langwierigen Instandsetzung gegen diese Verfahren. Der kathodische Korrosionsschutz (KKS) ist hingegen eine im Großteil zerstörungsfreie Instandsetzungsmethode. Diese weltweit einzigartige und patentierte Systemlösung, die MC-Bauchemie und die Grillo-Werke AG in Kooperation entwickelt haben, hilft, bereits geschädigten aber noch funktionsfähigen Stahlbeton in seinem Zustand dauerhaft und wirtschaftlich zu erhalten.

Gefahr für den Stahlbeton: Chlorideintrag und Karbonatisierung

Grundsätzlich ist Stahlbeton selbst in der Lage, den Korrosionsschutz des eingesetzten Bewehrungsstahls zu leisten: Durch den hohen pH-Wert von über 13 bildet sich auf der Stahloberfläche ein nur wenige Atomlagen dünner Passivfilm, der den darunterliegenden Stahl vor Korrosion schützt. Diese passive Schutzfunktion kann durch Karbonatisierung und eindringende Chloride verloren gehen. Dann verliert der Stahlbeton seine Alkalität und beginnt zu korrodieren. Beim erstgenannten Vorgang diffundiert Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus der Umgebungsluft in den Beton, reagiert unter Verbrauch von Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) zu Calciumcarbonat (CaCO₃). Dieser Reaktionsprozess löst den Passivfilm auf, wodurch der Korrosionsschutz des Bewehrungsstahls verloren geht. Präventiv sind daher Maßnahmen zur zielsicheren Verhinderung der Passivierung von Beton, wie die Wahl eines geeigneten Betons mit hoher Alkalitätsreserve und einer ausreichenden Betondeckung oder eines Oberflächenschutzsystems, sinnvoll.

Lochfraß durch das Eindringen von Chloriden

Die weitaus größere Gefahr besteht durch eindringende Chloridionen, die hauptsächlich durch Frost/Tausalzeintrag, wie er in Parkhäusern üblicherweise auftritt, und über den Feuchtigkeitstransport durch Kapillare im Beton bis an den Bewehrungsstahl gelangen. Dort treten sie in Interaktion mit dem Passivfilm. Wird die kritische Menge an Chloridionen überschritten, löst sich der Passivfilm auf und die Korrosion des Stahls setzt ein. Man spricht dann auch vom Lochfraß, der stattfindet, ohne von außen erkennbar zu sein. Dann sollte schnell gehandelt werden, da der eingeleitete Korrosionsprozess durch Beschichtungs- oder Betonersatzmaßnahmen allein nicht aufzuhalten ist und folglich die statische Funktion des Stahlbetons und damit das gesamte Bauwerk in Gefahr ist.

Beim Korrosionsprozess von Stahl in Beton findet die anodische Teilreaktion unter Oxidation des Eisens zu Eisenionen (Fe²⁺) statt, welche im feuchten Beton, dem Elektrolyten, in Lösung gehen. Der kathodische Teilprozess stellt die Reduktion von Wasser und Sauerstoff durch die überschüssigen Elektronen unter Bildung von Hydroxidionen (OH^-) dar, so dass das Ladungsgleichgewicht im Elektrolyten erhalten bleibt. Der Stromkreislauf wird durch die elektrische Leitfähigkeit der Betonporenlösung geschlossen, infolge dessen die Korrosion von Stahl in Beton als elektrochemischer Prozess unter Ausbildung eines galvanischen Elementes verläuft.

Der Gehalt von Chloridionen, bei dem die Korrosion des Stahls im Beton einsetzt, wird als „kritischer korrosionsauslösender Chloridgehalt“ bezeichnet. Der Gehalt ist maßgebend für die Dauer der Einleitungsphase und bestimmt die Korrosionsinitiierung. Es ist bekannt, dass dieser Gehalt kein konkreter Grenzwert ist, sondern von Faktoren, wie Porigkeit sowie der chemischen Zusammensetzung des Betons abhängt. In der Praxis werden häufig unterschiedliche Werte gefunden, die zwangsläufig auf eine Depassivierung des Betons schließen lassen. Es zeigte sich, dass der „kritische“ Chloridgehalt für jedes Bauwerk mit seinen spezifischen Randbedingungen bestimmt werden muss.

Langzeitschutz durch kathodischen Korrosionsschutz

Der kathodische Korrosionsschutz (KKS) basiert ebenso wie die Korrosion selbst auf elektrochemischen Prozessen. Verfahren, welche direkt in die chemischen bzw. elektrochemischen Reaktionsabläufe eingreifen, werden als aktiver Korrosionsschutz bezeichnet. Grundsätzliches Ziel des KKS ist es, die Korrosionsrate zu verringern und die Bewehrung in die kathodische Richtung zu polarisieren.

Beim Korrosionsschutz durch die Systemlösung MC-KKS/B der MC-Bauchemie und der Grillo-Werke AG wird das unedlere Metall Zink als Opferanode – vergleichbar mit einer Batterie – in den elektrochemischen Prozess eingebracht und als etwa 150 µm dicke Schicht auf den Beton aufgebracht. Die Zinkschicht wird mittels einer Kontaktplatte mit dem Bewehrungsstahl verbunden. Der elektrische Stromkreis wird durch das Betonporenwasser, das als Elektrolyt dient, geschlossen. Die anodische Teilreaktion der Eisenauflösung wird durch den Schutzstrom, den die Zinkanode liefert, verhindert. Dieser Schutzstrom fließt über die angebrachten Kontaktierungen zur Bewehrung. Die positiv geladenen Ionen wandern zur Bewehrung und die negativ geladenen Ionen von der Bewehrung weg in Richtung Anode.

Die Applikation

Zur Vorbereitung des Untergrundes für den kathodischen Korrosionsschutz reicht es aus, den partiell losen Beton zu entfernen, um diese Bereiche, sowie Hohlstellen und Ausbrüche mit einem speziellen Reparaturmörtel zu reprofilieren. Dabei verbleibt der gesamte chlorid-kontaminierte Beton. Parallel zur Reparatur des Betons werden die Kontaktierungen gesetzt, welche später Zinkschicht und Armierung elektrisch leitend verbinden. Nach Abschluss der klassischen Untergrundvorbereitung wird die Zinkschicht durch thermisches Lichtbogenspritzen auf die Betonoberfläche aufgebracht. Das Lichtbogenspritzen beschreibt das Verfahren, bei dem ein elektrisch leitender Werkstoff mit Hilfe eines elektrischen Entladungsprozesses vom festen in den flüssigen Zustand überführt wird. Dieses Verfahren ist auf Boden-, Wand- und Deckenflächen anwendbar. Die Applikation auf Bodenflächen kann mit einer automatisierten Beschichtungseinheit durchgeführt werden, durch die die Effizienz im Vergleich zur Handapplikation gesteigert wird.

Damit ist dann die Zinkschicht nach oben versiegelt und es können verschiedene Regelaufbauten folgen. Abschließend wird ein organisches Deckschichtsystem auf die Zinkschicht appliziert, welches für die mechanische Widerstandsfähigkeit sorgt und vor dem weiteren Eindringen von Chloriden sowie Feuchtigkeit schützt.

Zeit- und kostensparende Instandsetzung

Die Vorteile des Systems liegen einerseits in der hohen Kostenersparnis durch den Wegfall der kostenintensiven Stemmarbeiten. Auf der anderen Seite ergibt sich eine große Zeitersparnis bei der Ausführung des Systems, da auf jegliche Aushärtezeiten, wie sie bei einem Neuaufbau mit Beton und Mörtel zu berücksichtigen wären, verzichtet werden kann. Das System ist schnell aufgebracht und das sanierte Objekt schnell wieder einsatzbereit. Im Falle einer Parkhaussanierung ist dadurch mit geringen Ausfallzeiten zu rechnen. Darüber hinaus werden die Durchfahrtshöhe und die Traglast nicht reduziert, da lediglich eine im Mittel 150 µm dünne Zinkschicht aufgebracht wird.

Der kathodische Korrosionsschutz durch Zink als Opferanode basiert auf den Erfahrungen einer fast 20-jährigen Entwicklung und bietet nun die Möglichkeit bereits geschädigten, aber noch funktionsfähigen Stahlbeton kostengünstiger und schneller als mit konventionellen Methoden instand zu setzen und in seinem Zustand dauerhaft und sicher zu erhalten.