3.5 Korrosion der Baumetalle. Korrosionswirkung

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1 3.5 Korrosion der Baumetalle Korrosionswirkung Korrosion - Materialveränderung an der Oberfläche fester Körper durch korrosive Stoffe oder Medien (Wasser, Ionen, Gase) Korrosion von Metallen, Beton, Naturstein, Bitumen oder Glas nicht immer mit negativen Einfluss auf die Nutzbarkeit der Werkstoffe Schutz durch Deckschichten Für die Beständigkeit, z. B. im Trinkwasserbereich, ist häufig eine Korrosion des Werkstoffs notwendig.

2 Korrosion metallischer Werkstoffe Normalspannungsreihe der Metalle und kathodische Reduktion (Potentiale in V) Mg 2+ Mg Al 3+ Al Zn 2+ Zn Fe 2+ Fe 2 H + H 2 Pb 2+ Pb 2 H + H 2 Cu 2+ Cu O 2 OH - O 2 H 2 O - 2,36-1,66-0,76-0,44-0,41-0, ,34 + 0,82 + 1,23 ph = 7 ph = 0 ph = 7 ph = 0 Unedel Edel Oxidierbarkeit (Korrosion) Besonderheiten der elektrochemischen Korrosion praktische (technische) Spannungsreihe Berücksichtigung der Korrosionsprodukte bzw. Deckschichten (Passivität) praxisnahe Medien Phänomen der Überspannung infolge Reaktionshemmung

3 Aluminium Gute Beständigkeit an der Atmosphäre infolge passivierender Deckschicht (transparent) 4 Al + 3 O 2 2 Al 2 O 3 Aufhebung der Passivierung durch Säuren (ph < 3-4) und Alkalien (ph > 9), Auflösung von Deckschicht und Metall 2 Al + 6 H + 2 Al H 2 2 Al + 2 OH H 2 O 2 [Al(OH) 4 ] H 2 In sauerstoffhaltigen Wässern fördern Chloride zusätzlich die Korrosion Besondere Korrosionsgefahr durch gelöste Cu 2+ -Ionen (Lochkorrosion), Probleme bei Mischinstallation (Kupfer vor Aluminium siehe Zn)

4 Wenig Korrosionsgefahr in sauerstoffarmen, geschlossenen Kreisläufen, Korrosionsgefahr bei Ansteigen des ph-wertes (Kalk-Kohlensäure- Gleichgewicht) Korrosionsschutz durch künstliche Verstärkung der Oxidschicht (elektrolytisch oxidiertes Aluminium Eloxal-Verfahren)

5 Zink Beständig an feuchter Luft 2 Zn + O 2 ZnO 2 ZnO + H 2 O + CO 2 ZnCO 3 Zn(OH) 2 Bildung von voluminösem Weißrost bei gehemmten Luftzutritt (kein CO 2 ), z. B. bei längerem Verbleib von Feuchtigkeit 2 Zn + O 2 ZnO 2 ZnO + H 2 O Zn(OH) 2 Aufhebung der Passivierung durch Säuren, Alkalien und aggressive Chloride Zn(OH) OH [Zn(OH) 4 ] 2 Besondere Korrosionsgefahr durch gelöste Cu 2+ -Ionen (Lochkorrosion), Probleme bei Mischinstallation (Kupfer vor verzinktem Stahl)

6 Wasserfließrichtung - Anordnung der Metalle In abfließendem Wasser enthaltene Cu 2+ -Ionen können die Flächenkorrosion von unedleren Metallen wie Aluminium, Zink und verzinktem Stahl fördern (insbesondere bei größeren Kupferflächen): Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ Deshalb sollten Zink, verzinkte Stahlteile oder Aluteile nicht in Fließrichtung unterhalb von Kupfer-Werkstoffen verwendet werden (Fließregel)! 1 Installation von Kupfer vor verzinktem Stahl kupferinduzierter Lochfraß! 2 Cu 2+ Zn DIN 1988

7 Bitumenkorrosion Korrosion von Zink, Titan-Zink-Legierungen u. a Metallen (Al, Fe, Cu, Pb) unterhalb von bituminösen Abdichtungen durch saures Regenwasser (H 2 SO 4, org. Säuren) Photooxidation von Bitumen Schutz der Abdichtung Acrylat-Imprägnierung Kiesschüttung Schutz des Metalls Schutzanstrich

8 Entzinkung von Messing Turner-Diagramm (Nürnberger, 1995) In Trinkwasserinstallationen bei erhöhten Chloridgehalten und geringer Carbonathärte (keine ausreichende Schutz-schichtbildung), in schwach sauren Wässern in Gegenwart von Sauerstoff

9 Eisen (unlegierte und niedrig legierte Stähle) Beständig in trockener und sauberer Luft sowie in Laugen, Bildung einer 50 nm starken Oxidschicht (Schutzschicht) Korrosion in feuchter ( > 65 % rel. LF) und verunreinigter Luft (SO 2, Cl - ) 4 Fe + 3 O H 2 O 4 FeO(OH) SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 H 2 SO 3 + ½ O 2 H 2 SO 4 Fe + 2 H SO 4 + ½ O 2 FeSO 4 + H 2 O 2 FeSO 4 + ½ O H 2 O 2 FeO(OH) + H 2 SO 4 eiserne Säule in Delhi, 400 n. Chr. Schutzschicht, trockenes Klima

10 Kalk-Rost-Schutzschichten auf der Oberfläche von Eisenwerkstoffen In Wässern bestimmen Art und Menge der gelösten Inhaltsstoffe (Sauerstoff, CO 2, Carbonathärte, Chloride), Temperatur und Fließgeschwindigkeit die Korrosivität Ausbildung von Kalk-Rost-Schutzschichten (FeCO 3, Fe 2 O 3, CaCO 3 ) in sauerstoffhaltigen, nicht zu weichen, fließenden Wässern (Wasserleitungsrohren) c(o 2 ) > 3 mg/l 1) K S 4,3 > 2 mmol/l c(ca 2+ ) > 0,5 mmol/l v > 0,1 m/s Korrosionsbegünstigung: c(cl ) + 2c(SO K S4,3 2 4 ) > 1 1) KS 4,3 - Säurekapazität HCO H + CO 2 + H 2 O

11 Korrosion der Stahlbewehrung in Beton Carbonatisierung CO 2 + H 2 O CO 2 (aq) H HCO 3 Ca OH + H + + HCO 3 CaCO H 2 O ph = 12,5 ph 9 Bewehrungsstahl durch Verlust der Passivität Passivierung geschützt ab ph 11 Bohrkern aus hinterlüfteter Vorsatzschale (Westseite) Bestimmung der Carbonatisierungstiefe

12 Carbonatisierung von Beton und Umgebungsbedingungen (DIN ) Expositionsklasse Umgebungsbedingungen Beispiele XC1 Trocken oder ständig nass Innenräume XC2 Nass, selten trocken Wasserbehälter, Gründung XC3 Mäßige Feuchte Offene Hallen, Feuchträume XC4 Wechselnd nass und trocken Fassade (direkte Beregnung)

13 Chloridionen Chloridionen können durch Diffusion (Huckepacktransport) in den Beton eindringen (Tausalze, Meerwasser, Betonbestandteile u. a. m.) Lokale Zerstörung der Passivschicht von Bewehrungsstählen O 2 Cl - Cl - H 2 O Fe + 2 Cl - FeCl e - ½ O 2 + H 2 O + 2 e - 2 OH - Lochfraßkorrosion an Bewehrungsstahl durch aggressive Chloride

14 Eindringen von Chloriden in Beton und Umgebungsbedingungen (DIN ) Expositionsklasse Umgebungsbedingungen Beispiele XD1 Mäßige Feuchte Sprühnebelbereich XD2 Nass, selten trocken Solebäder, Abwässer XD3 Wechselnd nass und trocken Brücken, Fahrbahndecken

15 Korrosionswirksamer Chloridgehalt freies Chlorid freies Chlorid + gebundenes Chlorid Gesamtchlorid C 3 A + CaCl H 2 O C 3 A CaCl 2 10 H 2 O freies Chlorid gebundenes Chlorid (Friedelsches Salz) wasserlöslich nahezu wasserunlöslich + Cl - C 3 A CaSO 4 12 H 2 O C 3 A CaCl 2 10 H 2 O Monosulfat + CO 2 - Cl - C 3 A CaCO 3 11 H 2 O

16 Zulässige Höchstwerte an Chloriden im Beton bezogen auf den Zementgehalt Beton Stahlbeton Spannbeton Chloridgehalt 1) 1,0 M.-% 0,4 M.-% 0,2 M.-% 1) Gesamtchlorid in alkalischen, nicht carbonatisierten Beton Zulässige Höchstwerte für den Chloridgehalt in Betonausgangsstoffen Ausgangsstoff Regelwerk Beton Stahlbeton Spannbeton Zement DIN ,1 M.-% 0,1 M.-% 0,1 M.-% Zuschlag DIN ,04 M.-% 0,04 M.-% 0,02 M.-% Wasser DBV-Merkblatt, DIN , mg/l 2000 mg/l 600 mg/l Zusatzmittel Rili DAfStb 0,2 M.-% 0,2 M.-% 0,2 M.-% Zusatzstoff Rili DAfStb 0,1 M.-% 0,1 M.-% 0,1 M.-%

17 Praktische Vorgehensweise (DAfStb Heft 401, 1989) Je Entnahmestelle Proben aus mindestens 5 unterschiedlichen Tiefen (0-10 mm, mm, mm u. s. w.) Tiefenprofil Je Probe Betonvolumen von 8-80 cm 3 ( Bk 1,6 cm - 5 cm) Mittelwert Cl - Salpetersäure heiß (Labor) 95 % Cl - Salpetersäure kalt (vor Ort) 80 % Cl - Wasser freies Chlorid Cl - in M.-% 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tiefe in mm

18 Zur Bestimmung des Chloridgehaltes wurde eine Probe eines Portlandzementbetons (Stahlbeton) gemahlen und bei 105 C bis zur Massekonstanz getrocknet. Nach Behandeln von 1 g des Betonmehls mit 20 ml Salpetersäure in der Wärme wurde in der Lösung ein Gesamtchloridgehalt von 28 mg/l ermittelt! Berechnen Sie den Chloridgehalt des Betons (bezogen auf den Zementgehalt), wenn der Glührückstand A des Betonmehls 93 M.-% und der unlösliche Rückstand B nach Behandeln mit Salzsäure 74 % beträgt! Glührückstand A (Glühen bei 1000 C) 93 M.-% Zement + Zuschlag Unlöslicher Rückstand B (Lösen in HCl) 74 M.-% Zuschlag

19 Kupfer Beständig in der Atmosphäre, Patina-Bildung 2 Cu + ½ O 2 Cu 2 O Cu 2 O + ½ O 2 + H 2 O + CO 2 CuCO 3 Cu(OH) 2 Beständig in schwach sauren und alkalischen Medien (ph < 12,5), auch bei Zerstörung der Deckschicht nur langsame Reaktion Korrosion bzw. Aufhebung der Passivierung durch NH 3 bzw. NH 4 + (Bildung von löslichen Kupfer-Komplexen), Angriff durch H 2 S Cu + ½ O NH 3 + H 2 O [Cu(NH 3 ) 4 ] OH - Weitgehende Beständigkeit im Trink- und Brauchwasser, in neutralen bis alkalischen Wässern (6,5 > ph > 8) in Gegenwart von Sauerstoff Ausbildung von Schutzschichten (s. oben), TrinkwV 2001: 2 mg/l Bereits im schwach sauren Bereich geringer Angriff ( Hausinstallation!) Cu + ½ O H + Cu 2+ + H 2 O

20 Blei An der Atmosphäre und in neutralen Wässern Bildung schützender Überzüge von PbCO 3 Pb(OH) 2 In weichen (< 8 dh), sauerstoffreichen Wässern entsteht poröses, nicht schützendes Pb(OH) 2 Pb + ½ O 2 + H 2 O Pb(OH) 2 Kohlensäurehaltiges Wasser mit freier, überschüssiger Kohlensäure führt zur Bildung von löslichem Bleihydrogencarbonat Pb + 2 CO 2 + H 2 O + ½ O 2 Pb(HCO 3 ) 2 In Bleirohren > 0,1 mg/l Löslichkeit (TrinkwV 2001: 0,1 mg/l), insbesondere in Warmwasser-Rohrleitungen, Anreicherung im Organismus Blut- und Nervengift

21 Beständig gegen H 3 PO 4, HF, H 2 SO 4 und HCl (Schutzüberzug aus den gebildeten Salzen) Säurebeständigkeit von der Löslichkeit der Bleisalze abhängig; Angriff durch organische Säuren bereits im schwach sauren Bereich, auch unbeständig gegen HNO 3 Pb + 2 CH 3 COOH + ½ O 2 Pb(CH 3 COO) 2 + H 2 O Pb + 4 NO H + Pb NO NO H 2 O Im Alkalischen ist Blei bereits ab ph = 9 unbeständig Pb + ½ O 2 + Ca(OH) 2 CaPbO 2 + H 2 O (Bildung von löslichem Plumbat amphoter)