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Application of electrical fields on textile-reinforced mortar interlayers for leakage detection and prevention of chloride-induced corrosion damages

Drießen-Ohlenforst, Carla^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Carla Driessen-Ohlenforst, geb. Driessen

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Raupach, Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Breit, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-05-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-05548
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/847712/files/847712.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Baustoffkunde - Bauwerkserhaltung (311310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
carbon reinforced concrete (frei) ; cathodic protection (frei) ; monitoring (frei) ; numerical simulations (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Lebensdauer von Brücken ist häufig durch eine unzureichende Querkrafttragfähigkeit in Querrichtung und durch Undichtigkeiten in der Abdichtungsschicht gefährdet, die zu Chlorideintritt und damit zu Korrosionsschäden führen. Um teure Instandsetzungsarbeiten und Verkehrsbehinderungen zu vermeiden, wurde eine dünne, multifunktionale Zwischenlage aus textilbewehrtem Beton namens SMART-DECK entwickelt. Diese Zwischenschicht bietet vier Funktionen: eine vollflächige Feuchtigkeitsüberwachung in Echtzeit, eine Chloridbarriere, einen vorbeugenden kathodischen Korrosionsschutz und eine Querkraftverstärkung. Tritt eine Leckage auf, kann der kathodische Korrosionsschutz eingeschaltet werden, um die Bewehrung vor Korrosionsschäden zu schützen. Die Erneuerung der beschädigten Brückendeckabdichtung muss nicht sofort erfolgen, sondern kann über die Jahre, z.B. in verkehrsarme Zeiten, verschoben werden. Die vollflächige Fehlstellendetektion wird durch die Messung des Elektrolytwiderstands zwischen zwei in Mörtel eingebettete Carbongelege realisiert. Der Elektrolytwiderstand wird mit Hilfe eines Wechselstroms gemessen. Abnehmende Werte des gemessenen Elektrolytwiderstandes deuten auf Wassereintritt durch Leckagen in der Brückenabdichtung hin. Durch numerische Simulationen wird die theoretische Größe eines nachweisbaren Leckagebereichs berechnet, der von der Geometrie der Leckagen, dem Elektrolytwiderstand des Mörtels im nassen und trockenen Zustand, der Position der Leckage und anderen Randbedingungen abhängt. Wird eine Fehlstelle in der Abdichtung festgestellt, wird zwischen den Carbongelegen ein elektrisches Feld aufgebracht, die so genannte "elektrochemische Chloridbarriere", die das Eindringen von Chloriden in den Beton verhindert. Die negativ geladenen Chloridionen werden am oberen Carbongelege festgehalten, welches als Anode polarisiert ist, um chloridinduzierte Korrosion an der Bewehrung zu verhindern. Es wird der Frage nachgegangen, welche Spannungen und elektrische Feldstärken notwendig sind, um kritische Chloridgehalte am Betonstahl zu vermeiden. Laborversuche zeigten, dass bereits Spannungen von weniger als 2 Volt die Chloridkonzentration hinter der Anode im Vergleich zu Referenzproben reduzieren. Darüber hinaus wurde ein unerwarteter Effekt beobachtet: Höhere Spannungen führten nicht zu allen Zeiten über die gesamte Probentiefe zu niedrigeren Chloridkonzentrationen. Dazu wurden analytische und numerische Untersuchungen durchgeführt. Es wurde untersucht, ob die Spannungen zur Realisierung einer elektrochemischen Chloridbarriere kleiner sein können, als sie für einen klassischen präventiven kathodischen Schutz sein müssen. Ein Vorteil dieser Chloridbarriere ist, dass die anodische Polarisation der Carbongelege aufgrund der geringeren Stromdichten reduziert werden kann. Es wurden verschiedene Spannungen, elektrische Feldstärken, Anodenmaterialien und Anodenanordnungen untersucht.

The service life of bridges is often threatened by an insufficient shear force capacity in the transverse direction and by leakages in the sealing layer, which lead to chloride ingress and, therefore, corrosion damages. A thin, multifunctional interlayer of textile reinforced concrete called SMART-DECK was developed to prevent expensive repair work and traffic obstructions. This interlayer provides four functions: full-surface moisture monitoring in real-time, a chloride barrier, preventive cathodic corrosion protection, and increased shear force capacity. If leak-age occurs, the cathodic corrosion protection can be switched on to protect the reinforcement from corrosion damage. The renewing of the damaged bridge deck sealing must not be carried out immediately but can be postponed over the years, e.g., to periods with little traffic. Large-scale humidity monitoring is implemented by measuring the electrolytic resistance between two carbon meshes embedded in mortar. The electrolyte resistance is measured using an alternating current. Decreasing values in the measured electrolyte resistance indicate water ingress through leakages in a surface-applied membrane. Through numerical simulations, the theoretical size of a detectable leakage area is calculated, which depends on the geometry of the leakages, the electrolyte resistance of the mortar in wet and dry conditions, the position of the leakage, and other boundary conditions. If leakage is detected, an electrical field between the carbon meshes is built, called the “electrochemical chloride barrier” and suppresses the ingress of chlorides into the concrete. The negatively charged chloride ions are held on the upper carbon mesh that is polarized as an anode to prevent chloride-induced corrosion on the reinforcement. The question of which voltages and electrical field strengths are necessary to avoid critical chloride contents at the reinforcing steel is investigated. Laboratory tests showed that even voltages of fewer than 2 Volts reduce chloride ions behind the anode compared to reference probes. Furthermore, an unexpected effect was observed: higher voltages increase chloride ions again after passing a local minimum for specific depths of the reference probes. Analytical and numerical investigations elucidate this effect and, since the destructing test method in the laboratory did not allow research of the time dependency, determine its behavior and the overall behavior of the chloride concentration in the probes over time. It has been investigated whether the voltages to implement an electrochemical chloride barrier are smaller than they have to be for joint preventive cathodic protection. One advantage of this chloride barrier is that the anodic polarization of the carbon meshes can be reduced due to the lower current densities. Different voltages, electrical field strengths, anode materials, and anode ar-rangements were investigated.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT021397021

Interne Identnummern
RWTH-2022-05548
Datensatz-ID: 847712

Beteiligte Länder
Germany