Betonsanierung mit KKS: Wie der Korrosionsschutz wirkt

Er belegt unter definierten Bedingungen die Wirkung des Schutzstroms auf die Bewehrung.

Beim kathodischen Korrosionsschutz von Beton wird der Bewehrungsstahl elektrochemisch zur Kathode gemacht. Die anodische Eisenauflösung wird unterbunden. Dadurch kann eine laufende Bewehrungskorrosion gestoppt werden, ohne chloridbelasteten Beton flächig abzubrechen. Das Verfahren ist deshalb für tragkritische Bauteile und für denkmalgeschützte Substanz relevant.

Die technische Grundlage bildet die Norm DIN EN ISO 12696:2022. Sie regelt Auslegung, Installation und Überwachung von KKS-Systemen für Stahl in Beton. Der Korrosionsschutz ersetzt jedoch keine Schadensanalyse. Er ersetzt auch keine statische Beurteilung bereits geschädigter Bewehrung.

Die Korrosion beginnt an der Anode

Stahlbeton schützt die Bewehrung normalerweise durch seine alkalische Porenlösung. An der Stahloberfläche bildet sich eine passivierende Schicht. Diese Schicht begrenzt die anodische Metallauflösung.

Zwei Einwirkungen können diesen Zustand verändern:

• Chloride dringen in den Beton ein und zerstören lokal die Passivität.
• Die Carbonatisierung senkt den pH-Wert der Porenlösung bis zur Bewehrung.

An der depassivierten Stelle entsteht eine Anode. Eisen geht dort in Lösung. Die Reaktion setzt Elektronen frei. Diese Elektronen fließen im Metall zu kathodischen Bereichen. Dort läuft eine Reduktion ab. Bei ausreichender Feuchte und Sauerstoffversorgung kann sich ein Korrosionselement ausbilden.

Die sichtbaren Folgen erscheinen oft erst später:

• Rostfahnen an der Betonoberfläche.
• Längsrisse über den Bewehrungsstäben.
• Abplatzungen und Hohlstellen.
• Querschnittsverlust der Bewehrung.
• Reduzierte Verbundwirkung zwischen Stahl und Beton.
• Veränderung der Steifigkeit und Tragfähigkeit des Bauteils.

Die Schadensausprägung folgt nicht allein der sichtbaren Abplatzung. Eine geringe Oberflächenstörung kann mit einer größeren chloridbedingten Korrosionszone verbunden sein. Umgekehrt kann eine lokale Abplatzung bereits einen relevanten Querschnittsverlust anzeigen. Die Bestandsaufnahme muss deshalb chemische, elektrische und statische Befunde verbinden.

KKS behandelt den elektrochemischen Korrosionsprozess. Er stellt keinen verlorenen Stahlquerschnitt wieder her.

Kathodischer Korrosionsschutz von Beton: die Funktionsweise

Beim KKS mit Fremdstrom wird der Bewehrungsstahl an den Minuspol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die Bewehrung übernimmt die Funktion der Kathode. Ein Anodensystem wird im oder am Beton angeordnet und mit dem Pluspol verbunden.

Der Stromkreis besteht aus vier Teilen:

1. Gleichspannungsquelle: Sie erzeugt den erforderlichen Schutzstrom.

2. Kathode: Die elektrisch verbundene Bewehrung nimmt Elektronen auf.

3. Elektrolyt: Die feuchte Porenlösung im Beton ermöglicht den Ionenfluss.

4. Anode: Sie gibt den eingeprägten Strom in den Beton ab.

Die Polarität ist eindeutig:

An der Bewehrung wird die kathodische Teilreaktion begünstigt. Dabei entstehen Hydroxidionen. Der pH-Wert an der Stahloberfläche steigt. Unter geeigneten Bedingungen kann sich die Passivierung der Bewehrung wieder ausbilden. Der Schutzstrom verhindert zugleich die weitere anodische Eisenauflösung.

Die Wirkung hängt von der elektrischen Kontinuität der Bewehrung ab. Getrennte Bewehrungsabschnitte erhalten keinen ausreichenden Schutzstrom. Auch Beschichtungen, Fugen, Fehlstellen und elektrisch nicht verbundene Einbauteile beeinflussen die Stromverteilung.

Der Begriff „elektrochemischer Korrosionsschutz Beton“ beschreibt daher kein einzelnes Gerät. Gemeint ist ein System aus Anoden, Anschlüssen, Gleichrichter, Referenzelektroden, Messstellen und Überwachung. Der Nachweis betrifft das Gesamtsystem.

Fremdstromanode im Stahlbeton

Fremdstromsysteme eignen sich für Bauteile mit höherem Schutzstrombedarf. Die Anode kann als Titangitter, als Mischmetalloxid-Anode oder in einer anderen für das System geeigneten Form ausgeführt werden. Die Einbaulage richtet sich nach Geometrie, Betondeckung, Feuchteverteilung und gewünschter Stromverteilung.

Typische Anordnungen sind:

• Anodengitter unter einer neuen Deckschicht.
• Streifen- oder Bandanoden in eingefrästen Nuten.
• Oberflächennahe Anoden in einem leitfähigen Mörtel.
• Anoden in Bohrungen oder lokalen Einbauzonen.
• Flächige Systeme an Deckenunterseiten, Wänden oder Stützen.

Die konstruktive Auswahl erfolgt nicht nach dem Anodentyp allein. Sie hängt von der vorhandenen Bewehrung und vom Instandsetzungsziel ab. Eine flächige Korrosionsbeanspruchung erfordert eine andere Stromverteilung als ein lokal begrenzter Schaden. Bei dichter Bewehrung kann die Abschirmung durch Stahl zu einer ungleichmäßigen Wirkung führen. Bei stark austrocknendem Beton sinkt die elektrische Leitfähigkeit.

Die Anode muss dauerhaft elektrisch und mechanisch angeschlossen werden. Der Anschluss darf nicht mit der Bewehrung verbunden werden. Eine solche Verbindung würde den vorgesehenen Stromkreis verändern. Sie kann die Schutzwirkung aufheben und zu Fehlströmen führen.

Das Anodensystem liegt im alkalischen und feuchteabhängigen Betonmilieu. Deshalb müssen Materialverträglichkeit, Stromdichte und Anschlussausbildung zusammen betrachtet werden. Die Anode ist kein passives Einbauteil. Sie ist eine belastete Elektrode. Ihre Funktion muss während des Betriebs überprüfbar bleiben.

Galvanische Systeme bilden eine zweite Gruppe. Hier liefern Opferanoden aus Zink oder Magnesium den Strom ohne externe Spannungsquelle. Die galvanische Potentialdifferenz treibt den Prozess. Der Aufbau ist einfacher. Die verfügbare Strommenge ist jedoch an das Anodenmaterial und an die Umgebungsbedingungen gebunden. Feuchtegehalt, Chloridgehalt und elektrische Kontaktbedingungen beeinflussen die Wirkung. Eine projektspezifische Lebensdauer lässt sich ohne diese Daten nicht belastbar angeben.

KKS in der Betonsanierung beginnt mit der Zustandserfassung

Die Instandsetzungsplanung KKS beginnt nicht mit der Auswahl des Gleichrichters. Sie beginnt mit der Ermittlung des Korrosionszustands.

Erforderlich ist eine räumlich aufgelöste Untersuchung des Bauteils. Dazu gehören je nach Aufgabe:

• Sichtprüfung der Betonoberfläche.
• Erfassung von Rissen, Abplatzungen und Hohlstellen.
• Ortung der Bewehrung und Bestimmung der Betondeckung.
• Prüfung der elektrischen Durchgängigkeit der Bewehrung.
• Bestimmung von Chloridgehalten in unterschiedlichen Tiefen.
• Ermittlung der Carbonatisierungstiefe.
• Potentialfeldmessung.
• Bewertung der Betonfeuchte und der elektrischen Leitfähigkeit.
• Prüfung der Bauteilgeometrie und der Lastabtragung.
• Erfassung früherer Instandsetzungen und Beschichtungen.

Die Potentialfeldmessung zeigt Bereiche mit erhöhter Korrosionswahrscheinlichkeit. Sie misst nicht direkt den Stahlquerschnitt. Sie ersetzt deshalb weder die Freilegung einzelner Bewehrungsstellen noch die statische Bewertung. Chloridprofile liefern Informationen zur Eindringtiefe und zur Konzentration. Auch sie erklären den Schadensmechanismus nur zusammen mit den übrigen Befunden.

Die elektrische Durchgängigkeit besitzt eine eigene Bedeutung. Ein KKS-System benötigt eine zusammenhängende Kathode. Bewehrungsstäbe, Matten, Anschlussbereiche und nachträglich eingebaute Stahlteile können elektrisch getrennt sein. Der Planer muss die tatsächliche Verbindung erfassen. Planunterlagen aus dem Bestand genügen dafür nicht immer.

Die statische Untersuchung bleibt eigenständig. KKS stoppt die Korrosion. KKS ergänzt keinen fehlenden Bewehrungsquerschnitt. Es repariert keine gebrochenen Stäbe. Es stellt keine ausreichende Verankerung her. Bei einem Querschnittsverlust muss die Tragwerksplanung die verbleibende Tragfähigkeit bestimmen und gegebenenfalls eine Ergänzung oder Entlastung vorsehen.

Stromverteilung und Nachweis

Die Auslegung des KKS-Systems folgt der Stromverteilung im Bauteil. Der Schutzstrom muss die gefährdeten Bewehrungsbereiche erreichen. Eine hohe Gesamtstromstärke beweist keine gleichmäßige Schutzwirkung. Lokale Über- und Unterversorgungen sind möglich.

Die maßgebenden Einflussgrößen sind:

• Abstand zwischen Anode und Bewehrung.
• Lage und Durchmesser der Bewehrungsstäbe.
• Betondeckung.
• Chloridverteilung.
• Betonfeuchte.
• Porenstruktur und elektrischer Widerstand.
• Geometrie des Bauteils.
• Anschlusswiderstände.
• Abgrenzung einzelner Regelzonen.
• Fremdströme und metallische Nebenschlüsse.

Das System wird deshalb in Regel- oder Überwachungsbereiche gegliedert. Jeder Bereich erhält definierte Anschlüsse und Messstellen. Referenzelektroden erfassen das Potential der Bewehrung. Der Gleichrichter kann den Strom pro Bereich regeln. Die Regelung darf nicht allein auf eine zentrale Gesamtmessung gestützt werden, wenn das Bauteil stark unterschiedliche Zustände aufweist.

Der Nachweis erfolgt über Potentialmessungen und Depolarisationsmessungen. Beim Depolarisationskriterium wird der Schutzstrom abgeschaltet. Danach wird die Potentialänderung der Bewehrung über den festgelegten Zeitraum verfolgt. Nach DIN EN ISO 12696 gilt die Depolarisation von 100 mV innerhalb von 24 Stunden als Schutzkriterium unter den jeweiligen Nachweisbedingungen.

Der Messwert besitzt nur im Zusammenhang mit der Messanordnung Aussagekraft. Referenzelektrode, Messleitung, Abschaltzeitpunkt und Messdauer müssen bekannt sein. Ein isolierter Zahlenwert ohne Dokumentation ist kein belastbarer Nachweis.

Die Überwachung muss außerdem Unterbrechungen erkennen. Zu kontrollieren sind mindestens:

• Anschluss der Bewehrung an den Minuspol.
• Anschluss und Zustand der Anoden.
• Ausgangsstrom und Ausgangsspannung.
• Potentiale der überwachten Bewehrungsbereiche.
• Funktion der Referenzelektroden.
• Elektrische Durchgängigkeit.
• Feuchte- und Temperaturbedingungen, soweit sie die Messung beeinflussen.
• Alarmzustände und Ausfälle der Stromversorgung.

Die Wartung ist Teil des Systems. KKS funktioniert nicht ohne Kontrolle und elektrische Durchgangsprüfungen der Anoden- und Kathodenanschlüsse. Der Instandhaltungsplan muss Messintervalle, Grenzwerte, Ausfallmeldungen und Reaktionsmaßnahmen festlegen.

Bestandsschutz und Denkmalschutz

Bei denkmalgeschützten Bauwerken ist der Materialabtrag oft begrenzt. Ein großflächiger Ausbau chloridhaltigen Betons kann die historische Substanz verändern. Er kann außerdem Bewehrung freilegen, Querschnitte schwächen und Anschlussdetails beeinträchtigen.

KKS verfolgt hier einen anderen Ansatz. Der chloridhaltige Beton kann im Bauwerk verbleiben, wenn die Bewehrung durch den Schutzstrom ausreichend polarisiert wird. Der Umfang des Abbruchs lässt sich dadurch reduzieren. Das bedeutet nicht, dass jede beschädigte Oberfläche unverändert bleibt. Lose Betonteile, hohle Bereiche und statisch relevante Schäden müssen weiterhin bearbeitet werden.

Die denkmalpflegerische Eignung hängt von der Einbauweise ab. Sichtbare Leitungen, Anoden, Abdeckungen und Messstellen müssen in das Gestaltungskonzept integriert werden. Eingriffe in historische Oberflächen sind zu dokumentieren. Der technische Betrieb erfordert zugleich Zugang zu den Mess- und Regelkomponenten.

Bei einer Rekonstruktion muss die historische Konstruktion zuerst verstanden werden. Tragwirkung, Bauabschnitte und frühere Reparaturen bestimmen die Stromzonen. Eine moderne Anode kann technisch funktionieren und dennoch durch eine ungeeignete Einbauposition den Bestand beeinträchtigen. Die Lösung muss daher die Elektrochemie, die Mechanik, die Bauphysik und die Denkmalpflege zusammenführen.

Besondere Risiken entstehen durch Feuchteänderungen. Ein dauerhaft trockener Beton leitet den Schutzstrom nur eingeschränkt. Wasserführende Risse oder lokal feuchte Zonen können dagegen eine ungleichmäßige Stromverteilung erzeugen. Die Bauphysik ist deshalb kein nachgelagerter Aspekt. Sie beeinflusst die elektrische Funktion des Systems.

Die geringere Abtragsmenge ist der zentrale Vorteil von KKS. Sie ist aber nur dann tragfähig, wenn Zustandserfassung, Stromverteilung und Überwachung zusammen geplant werden.

Abgrenzung zu herkömmlichen Instandsetzungsverfahren

Die klassische Betonsanierung entfernt geschädigten Beton, legt die Bewehrung frei, reinigt den Stahl und stellt den Betonquerschnitt wieder her. Dieses Vorgehen bleibt bei lokal begrenzten Schäden und ausreichender Zugänglichkeit sinnvoll.

KKS verfolgt ein anderes Instandsetzungsprinzip. Der Korrosionsprozess wird elektrochemisch beeinflusst. Der chloridbelastete Beton muss nicht vollständig entfernt werden. Der Aufwand verlagert sich von Abbruch und Reprofilierung auf Planung, Installation, Messung und Betrieb.

Beide Verfahren können kombiniert werden. Lokale Abplatzungen werden entfernt und reprofilert. Die verbleibende chloridbelastete Substanz wird durch KKS überwacht und geschützt. Die Kombination ist häufig komplexer als ein isoliertes Verfahren. Sie kann jedoch den Eingriff in den Bestand begrenzen.

Oberflächenbeschichtungen haben eine andere Funktion. Sie reduzieren den Zutritt von Wasser, Chloriden oder Kohlendioxid. Ihre Wirkung hängt von der vorhandenen Rissbildung, der Untergrundvorbereitung und der Dauerhaftigkeit der Beschichtung ab. Eine Beschichtung ersetzt keinen KKS-Nachweis. Ein KKS-System ersetzt umgekehrt keine Abdichtung, wenn Wasser über Fugen oder Risse in das Bauteil gelangt.

Grenzen des Verfahrens

KKS ist kein universeller Reparaturmechanismus. Die technische Eignung endet dort, wo die Randbedingungen nicht beherrscht werden können.

Eine eingeschränkte Eignung liegt vor, wenn:

• die Bewehrung elektrisch nicht durchgängig ist;
• die Anode nicht ausreichend angeordnet werden kann;
• der Beton in den Schutzbereichen dauerhaft zu trocken ist;
• die Messstellen nicht zugänglich bleiben;
• Fremdströme die Messung oder den Betrieb beeinflussen;
• der statische Querschnitt bereits unzureichend ist;
• lose und nicht tragfähige Betonteile im Bestand verbleiben würden;
• der Feuchtehaushalt des Bauteils nicht kontrolliert werden kann.

Auch eine hohe Schutzstromabgabe ist kein Ersatz für eine fehlerhafte Planung. Zu hohe lokale Stromdichten können unerwünschte elektrochemische Reaktionen fördern. Die Regelung muss deshalb auf die Bauteilbedingungen abgestimmt werden. Grenzwerte und Alarmzustände gehören in die Betriebsdokumentation.

Die Anodenanschlüsse benötigen eine dauerhaft kontrollierbare Ausbildung. Kabel, Verbindungen und Übergänge sind typische Schwachstellen. Sie liegen oft in Bereichen, die nach Abschluss der Sanierung nicht mehr zugänglich sind. Der Einbau muss deshalb mit einer vollständigen Bestandsdokumentation verbunden werden.

Die Dokumentation umfasst mindestens:

1. Bestandspläne mit Bewehrung und Anodenzonen.

2. Lage und Kennzeichnung aller elektrischen Anschlüsse.

3. Messstellen und Referenzelektroden.

4. Regelbereiche des Gleichrichters.

5. Ausgangswerte nach der Inbetriebnahme.

6. Messergebnisse der Schutz- und Depolarisationsnachweise.

7. Wartungsintervalle und Grenzwerte.

8. Vorgehen bei Ausfall oder Abweichung.

Ohne diese Unterlagen ist die spätere Bewertung erschwert. Der Betreiber kann dann nicht sicher unterscheiden, ob eine Messabweichung aus dem Bauteil, aus der Referenzelektrode oder aus einer unterbrochenen Leitung stammt.

Planung der Sanierung

Die Planung muss die mechanischen und elektrochemischen Nachweise trennen und anschließend wieder zusammenführen. Der Tragwerksplaner bewertet die Lastabtragung und den vorhandenen Querschnitt. Der Fachplaner für KKS bestimmt Stromzonen, Anoden, Anschlüsse und Messkonzept. Die Bauphysik bewertet Feuchte und Transportvorgänge. Bei einem Denkmal kommt die denkmalpflegerische Abstimmung hinzu.

Die Reihenfolge ist sachlich:

• Schadensmechanismus feststellen.
• Korrosionsbereiche kartieren.
• Tragfähigkeit und Restquerschnitt bewerten.
• Elektrische Durchgängigkeit nachweisen.
• Feuchte- und Widerstandsverhältnisse erfassen.
• Anodensystem und Regelzonen festlegen.
• Einbaufolgen mit der Betoninstandsetzung abstimmen.
• Mess- und Wartungskonzept definieren.
• Schutzwirkung nach der Inbetriebnahme nachweisen.

Die Ausführung darf nicht allein nach einem Planbild kontrolliert werden. Entscheidend ist die Funktion im eingebauten Zustand. Leitungsunterbrechungen, nicht angeschlossene Bewehrungsbereiche und verdeckte Anodenfehler können die gesamte Bewertung verändern.

Bei Änderungen am Bauwerk muss das KKS-System erneut betrachtet werden. Neue Bohrungen, zusätzliche Stahlteile, Beschichtungen, Fugenabdichtungen oder nachträgliche Verstärkungen beeinflussen Stromwege und Messung. Jede Änderung am geschützten Bauteil gehört deshalb in die Betriebsdokumentation.

Fazit

Der kathodische Korrosionsschutz von Beton verhindert die anodische Auflösung der Bewehrung durch eine kontrollierte elektrochemische Polarisation. Beim Fremdstromsystem liegt die Bewehrung am Minuspol. Die Anode wird am Pluspol betrieben. Die Wirkung wird über Potentiale und Depolarisation nachgewiesen. Maßgebend ist unter den Bedingungen der DIN EN ISO 12696 das 100-mV-Kriterium innerhalb von 24 Stunden.

Der Vorteil liegt im begrenzten Betonabtrag. Chloridbelastete Bereiche können im Bauwerk verbleiben. Das reduziert Eingriffe in tragende und denkmalgeschützte Substanz. Der Preis dafür ist ein dauerhaft zu planendes technisches System mit Anoden, Anschlüssen, Messstellen, Regelung und Wartung.

KKS ist damit kein Ersatz für Tragwerksplanung und Schadensanalyse. Es ist ein Verfahren der Bauwerkserhaltung. Seine Eignung ergibt sich aus dem nachgewiesenen Korrosionsmechanismus, der elektrischen Durchgängigkeit, der Feuchte im Beton, der erforderlichen Stromverteilung und der späteren Überwachbarkeit. Fehlt einer dieser Nachweise, ist die Sanierung technisch nicht abgeschlossen.