Dauerhaftigkeit von Stahlbeton

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1 Dauerhaftigkeit von Stahlbeton Prof. Bernhard Elsener, Institut für Baustoffe, HIF E 15, ETHZ Projektarbeit Zustandserfassung Brücken Rapperswil elsener@ethz.ch Tel Ifb.ethz.ch/corrosion Werkstoffe II - Korrosion Bernhard Elsener Bauingenieurwissenschaften Bachelor, 3. Sem. 1 FS 2011 Infrastruktur Strassen Bahn Wasserkraft Bachelor 2. Semester 2 FS 2013

2 Infrastruktur Gesamtwert der Infrastrukturbauten 440 Mia Franken (2001) Das sind ca Fr / Einwohner oder 2 x Lötschberg Alptransit pro Jahr Bachelor 2. Semester 3 FS 2013 Beton Pantheon in Rom steht schon seit fast 2000 Jahren Dies zeigt, dass Beton ein ebenso dauerhaftes Material sein kann wie natürlich vorkommende Steine. Beton kann allerdings nur auf Druck und nicht auf Zug beansprucht werden. Bachelor 2. Semester 4 FS 2013

3 Stahlbeton Ideales Konstruktionsmaterial... Aber nicht, wie noch bis etwa 1970 angenommen wurde, auf ewig dauerhaft. Bachelor 2. Semester 5 FS 2013 Stahlbeton Stahlbeton als Verbundwerkstoff Beton (aus Zuschlägen, Wasser und Zement) ist einfach herstellbar. > Hohe Druckfestigkeit. Stähle für die Bewehrung, verschiedene Funktionen (Statik, Tragwerk). > Hohe Zugfestigkeit. Die Bewehrung liegt im intakten Beton im passiven Zustand vor. Bei genügend dichtem Beton und dicker Ueberdeckung geschützt. Bachelor 2. Semester 6 FS 2013

4 Beton Komponenten von Beton Ein qualitativ guter Beton (hohe Festigkeit und Dauerhaftigkeit) besteht aus - Zuschlägen (Kies, Sand) - Zement und Wasser - Mineralische Zusatzstoffe - Zusatzmittel Ein schlechter Beton besteht aus - Zuschlägen (Kies, Sand) - Zement und Wasser - Mineralische Zusatzstoffe - Zusatzmittel Der Unterschied besteht im Know How den richtigen Mischungsverhältnissen Bachelor 2. Semester 7 FS 2013 Beton Hydratation von Zement Die Reaktion Zement + H 2 O bildet Calzium-Silikat-Hydrat (Zementstein) Idealer (stöchiometrischer) w/z Wert = 0.4 Zementstein mit Gelporen im nm Bereich und Ca(OH) 2 Kristallen > Porenwasser ph > 12.5, alkalisch Bachelor 2. Semester 8 FS 2013

5 Beton Das Porensystem in Beton Luftporen Gelporen Kapillarporen Gelporen: im nm Bereich, lassen Wassermoleküle durchdiffundieren Kapillarporen: typisch 0.1 µm, kontrollieren die Transportphänomene Luftporen: typisch 0.1 mm, wirken gegen Frost- Tausalz Schäden Bachelor 2. Semester 9 FS 2013 Beton Entstehung von Kapillarporen Die Kapillarporen entstehen durch überschüssiges Wasser, welches anschliessend verdampft Der Prozentanteil der Kapillarporen steigt linear mit dem w/z Wert an und sinkt mit dem Hydratationsgrad Kapillarporosität für 90% Hydratationsgrad Die Kapillarporen sind verantwortlich für die raschen Transportvorgänge im Beton, d.h. die Wechselwirkung zwischen Beton und Umgebung. Bachelor 2. Semester 10 FS 2013

6 Beton Einfluss der Kapillarporen Festigkeit Permeabilität Kapillarporen % 0 Kapillarporen % 40 Die Permeabilität, d.h. die Betonqualität, hängt extrem stark vom Gehalt an Kapillarporen ab. Schwellwert bei etwa 22 %. Bachelor 2. Semester 11 FS 2013 Stahlbeton Dauerhafter Beton tiefer Wasser/Zement Wert (w/z < 0.5, für sehr hohe Anforderung < 0.45) gute Nachbehandlung (langes feucht halten des Betons). Dies ist besonders wichtig für den Ueberdeckungsbeton Schwindrisse an der Betonoberfläche als Folge ungenügender Nachbehandlung Normgemässe Betonüberdeckung Korrektes Verdichten (Vibrieren) beim Einbringen Nur ein dichter Beton ist ein dauerhafter Beton Bachelor 2. Semester 12 FS 2013

7 Korrosion von Stahl in Beton Korrosion von Stahl in Beton Verlust der Passivität durch Eindringen von Chloriden oder Absinken des ph Werts (Karbonatisierung) Chloridinduziert lokale Korrosion Korrosion durch Karbonatisierung Lokale Korrosion der Bewehrung durch Eindringen von Chloriden (Brückenplatte) Gleichmässige Korrosion der Bewehrung und Betonabplatzung durch Karbonatisierung Ursachen der Korrosion? Bachelor 2. Semester 13 FS 2013 Korrosion von Stahl in Beton Auch Bauwerke altern... Korrosion der Bewehrung durch Chloride (Streusalz, Meerwasser) Querschnittsverluste Probleme mit Dauerhaftigkeit / Sicherheit Riesige Aufgabe: Erhalten der Tragwerke, zunehmend bedeutender für Bauingenieure. Bachelor 2. Semester 14 FS 2013

8 Korrosion von Stahl in Beton Kosten der Korrosion Altersverteilung der Brücken (Schweiz) number Sunniberg, < 10 Jahre 800 number > < 10 Age of bridges (years) Instandsetzung von 1 m 2 Brückenplatte kostet sfr. (CH 2001) Reussbrücke, 40 Jahre Bachelor 2. Semester 15 FS 2013 Korrosion von Stahl in Beton Ein Beispiel von vielen... Gesamtsanierung Rofla A13 (2004/05) TBA GR Info Nr. 59 Freilegen der korrodierten Bewehrung (Traversabrücke) Ursachen der Korrosion?...die damals üblichen Betonüberdeckungen von 0-3 Zentimetern... Bachelor 2. Semester 16 FS 2013

9 Korrosion von Stahl in Beton Korrosion durch Karbonatisierung Eindringen von CO 2 CO 2 + Ca(OH) 2 ---> CaCO 3 In Gegenwart von H 2 O und O 2 kommt es zu Rostbildung violett = alkalisch ph Wert mit Indikator angezeigt Im karbonatisierten Beton sinkt ph Wert < 10: Depassivierung Rost ist voluminöser als Eisen Beton platzt ab. Bachelor 2. Semester 17 FS 2013 Korrosion von Stahl in Beton Eindringen der Karbonatisierung Laborbedingung konstant 65% RH (Kapillarporen ideal offen, leicht feucht) Aussenklima nicht direkt beregnet (bei hohen RH kondensiert Feuchte in den kleinen Kapillarporen -> Eindringen von CO 2 gestoppt) Aussenklima beregnet (Beton wird bei Regen sehr rasch durchfeuchtet, trocknet aber sehr langsam aus -> Eindringen von CO 2 gestoppt) Korrosion der Bewehrung durch Karbonatisierung ist eine Folge des Nichteinhaltens der Normen (Ueberdeckung d ü und Betonqualität) Bachelor 2. Semester 18 FS 2013

10 Korrosion von Stahl in Beton Kontrolle der Betonüberdeckung Betonüberdeckung gemäss Beanspruchungsklasse Sind in den Normen festgehalten. Die Werte sind Mindestüberdeckungen von der Betonoberfläche bis zur Stahloberfläche (nicht ø Werte!) Zeichnerisch bzw. im Detailplan festlegen Verantwortung des projektierenden Ingenieurs -> Distanzhalter In der Ausführung kontrollieren Verantwortung Polier, Bauleitung Korrosion der Bewehrung durch Karbonatisierung lässt sich vermeiden. Bachelor 2. Semester 19 FS 2013 Korrosion von Stahl in Beton Korrosion durch Chloride Eindringen von Chloriden aus Tausalzen (bis zu 40 kg/m 2 in exponierten Lagen) Starke lokale Querschnittsverluste Chloridgehalt an der Bewehrung grösser Cl - krit -> Depassivierung Die Korrosionsprodukte in den Löchern sind löslich (Eisen hydroxy chlorid Komplexe) -> keine Abplatzungen Bachelor 2. Semester 20 FS 2013

11 Korrosion von Stahl in Beton Mechanismus: Makroelementkorrosion Passive Bewehrung Potential V Kathode (guter O 2 Zutritt) Lokale Korrosion Potential V Anode (hohe Cl - Gehalte, feucht) Anode (kleine Fläche) und Kathode (grosse Fläche) können auch bis zu 1 m voneinander entfernt liegen. Makroelementkorrosion führt zu einer starken Beschleunigung des Angriffs, Korrosionsgeschwindigkeiten bis zu 1 mm/jahr Bachelor 2. Semester 21 FS 2013 Korrosion von Stahl in Beton Zeitlicher Verlauf der Korrosion Zerstörungsgrad limit state Vorbeugende Massnahmen leicht möglich Ende der Nutzungsdauer Risse, Korrosion und Abplatzungen sichtbar Zeit Schäden mit NDT lokalisierbar Stahl in Beton ist passiv Eindringen von CO 2 / Cl - Stahl ist depassiviert (Ende der Initiierungsphase) In Gegenwart von Feuchtigkeit und O 2 Korrosionsfortschritt Initiierung Fortschritt Je früher ein (möglicher) Schaden entdeckt wird, desto einfacher (und billiger) ist die Instandsetzung ( The rule of five ). Bachelor 2. Semester 22 FS 2013

12 Untersuchungsmethoden Wie untersuchen wir Stahlbeton? Grundsatz: von einfachen zu komplizierten Methoden. 1. Visuelle Inspektion 2. Druckfestigkeit 3. Ueberdeckung 4. Korrosionszustand Bewehrung 5. Betonqualität / Feuchte und dann zerstörende Versuche. Bachelor 2. Semester 23 FS 2013 Untersuchungsmethoden Visuelle Inspektion Rostspuren Feuchte Bereiche - Abplatzungen Risse Vorsicht bei der Interpretation! Achtung: Chloridinduzierte Lochfrasskorrosion zeigt keine Betonabplatzungen. Kann visuell nicht oder erst sehr spät detektiert werden. Bachelor 2. Semester 24 FS 2013

13 Untersuchungsmethoden Beton Druckfestigkeit - Schmidt Hammer Eine Stahlkugel wird von einer Feder auf den Stahlbolzen auf der Betonoberfläche geschossen. Gemessen wird der Rückprall der Kugel. Mittels Eichkurve wird die Rückprallhärte auf die Druckfestigkeit umgerechnet. Beton ist inhomogen: Zuschlagstoffe bis 32 mm Durchmesser die nahe an der Oberfläche liegen können Mindestens fünf Messungen pro Ort an benachbarten Stellen Mittelwert Bachelor 2. Semester 25 FS 2013 Untersuchungsmethoden Bewehrungsüberdeckung Profometer Ferroscan Magnetische Methoden Detektion der Bewehrung hängt vom Durchmesser und der Ueber deckung ab. Ferroscan ermöglicht Tiefenprofil Bachelor 2. Semester 26 FS 2013

14 Untersuchungsmethoden Korrosionszustand der Bewehrung - Potential(feld)messung Erlaubt Lokalisierung der korrodierenden Berreiche der Bewehrung Einflussgrössen: Betonüberdeckung, Grösse der Bereiche, Betonfeuchtigkeit Bachelor 2. Semester 27 FS 2013 Untersuchungsmethoden Resultat eine Potentialfeldmessung Potentialfeld der Roflabrücke (12 x 6m) Lokalisieren der Korrosion ist einfacher bei... - kleiner Ueberdeckung - feuchtem Beton - grossen Feuchteunterschieden - feinerem Raster Interpretation basiert auf Potentialunterschieden, nicht auf absoluten Potentialwerten! Für grosse Flächen mehrere (rad)elektroden -> mehr Informationen in Werkstoffe III (Praktikum 5. Semester) Bachelor 2. Semester 28 FS 2013

15 Untersuchungsmethoden Potentialfeldmessung ok Belag 3 Bohrungen ø 50 mm Chloridprofilbestimmung. ø 100 mit Bewehrung Anordnung der weiterführenden zerstörenden Prüfungen auf der Basis des Potentialfeldes: - Bohrkerne für Chloridanalysen - Freilegen der Bewehrung - Messung der Korrosionsgeschwindigkeit -> mehr Informationen im Masterstudium Zerstörungsfreie Prüfung ZfP Bachelor 2. Semester 29 FS 2013 Untersuchungsmethoden Elektrischer Betonwiderstand (Betonqualität, Feuchte) Messprinzip Messelektroden An den zwei äusseren Elektroden wird der Wechselstrom in den Beton Eingespiesen ( I). An den inneren Elektroden wird U gemessen. Einflussgrössen: Betonporosität, Feuchtigkeit, Ionengehalt, Temperatur Bachelor 2. Semester 30 FS 2013

16 Kombination von Methoden Potential(feld) und elektrischer Betonwiderstand Korrosion passiv trocken nass Bereiche mit hohem Korrosionsrisiko: feucht, (noch) passiv Häufigste Fälle: Bewehrung korrodierend, Beton feucht Oder: Bewehrung passiv, Beton trocken (keine Chloirde). Bachelor 2. Semester 31 FS 2013 Wer mehr wissen möchte... L. Bertolini, B. Elsener, P. Pedeferri, R. Polder Corrosion of Steel in Concrete Wiley VCH (2004). Neuauflage 2013 Siehe auch web-page ifb.ethz.ch/education Information zur Dauerhaftigkeit von Stahl in Beton Information zu den Untersuchungstechniken Bachelor 2. Semester 32 FS 2013