Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauten

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1 Werkstoffe III (Praktikum) Herbstsemester 2009 mittwochs, bis Uhr Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauten Name: Gruppe: Datum: Leitung: Prof. Dr. Bernhard Elsener (HIF E 15) Dr. Heidi Ungricht (HIF E 17.1) Raum: HIF B 19 Wichtiger Hinweis: Abgabe der vollständig gelösten Übungen und der ausgewerteten Praktikumsversuche bis ca. eine Woche nach der Durchführung. Die Übungen können im roten Briefkorb in einem gekennzeichneten Schrank im Gang des E-Stockes beim Büro HIF E18 abgegeben werden. Korrigierte Exemplare können eine Woche nach dem letzten Praktikumstermin im entsprechenden grünen Briefkorb an derselben Stelle abgeholt werden.

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3 Inhalt Potentialmessung zur Detektion und Ortung der Korrosion von Stahl in Beton 1. Einleitung 3 2. Grundlagen Elektrochemische Grundlagen, Korrosionspotential Einwirken von Chloriden Karbonatisierung Zusammenwirken der Korrosionsparameter 9 3. Potentialmessung Messprinzip Durchführung Grosse Objekte Einflüsse auf das Potential der Bewehrung Korrosionszustand der Bewehrung Andere Metalle Betonfeuchtigkeit ph Wert des Porenwassers Chloridgehalt des Betons Makroelement Erschwerter Sauerstoffzutritt Interpretation und Beispiele Cugnertobelbrücke II San Bernardino Tunnel Wahrscheinlichkeitsverteilung der Potentialwerte Messungen im Projektstaddium einer Sanierung Zusammenhang Potential Chloridgehalt Literatur 20 Hochlegierte Stähle als Bewehrung in Stahlbetonbauten 1 Bildung der Passivschicht 21 2 Elektrochemische Untersuchungen der Passivierung 24 3 Zusammensetzung der Passivfilme 24 4 Hochlegierte Stähle im Beton 27 Literatur 28 Praktikumsaufgaben 1. Korrosionspotential verschiedener Stähle in Lösung 29 Aufgaben, Fragen Potentialmessungen auf Stahlbeton 31 Versuche, Interpretation 31 Potentialfeldmessung nach Instandsetzung 32 2

4 Potentialmessung zur Detektion und Ortung der Korrosion von Stahl in Beton 1. Einleitung Schwere, die Tragsicherheit beeinträchtigende Schäden an Stahlbetontragwerken entstehen durch Korrosion der Bewehrung. Die oft sehr hohen Chloridkonzentrationen im Ueberdeckungsbeton stellen bei gleichzeitigem Vorliegen von Feuchtigkeit und Sauerstoff auch in ansonsten guter Bausubstanz ein grosses Korrosionsrisiko dar. Der zeitliche Verlauf der Korrosion ist insbesondere von der Art der Feuchtigkeitseinwirkung, den mikroklimatischen Verhältnissen sowie der Dicke und Dichte der Betonüberdeckung abhängig. Da eine zuverlässige theoretische Voraussage des Korrosionsfortschritts nur in Ausnahmefällen möglich ist, setzen Unterhalt sowie Planung und Ausführung von Sanierungsmassnahmen von Kunstbauten eine genaue Zustandsermittlung voraus. Ueberwachung und Unterhalt von Bauwerken werden durch Normen und Richtlinien geregelt. In der Schweiz schreibt die einschlägige SIA Norm 260 vor: "Die Bauwerke sind vor der Inbetriebnahme sorgfältig zu untersuchen und nach der Inbetriebnahme durch periodische und eingehende Untersuchungen ständig zu überwachen und zu untersuchen." Der Unterhalt umfasst dabei alle Massnahmen zur Substanzerhaltung eines bestehenden Bauwerks und dessen technischen Einrichtungen. Der richtige Betrieb (Schmieren, Wartung, Farbanstriche, Fugendichtung etc.) verringert den Unterhalt, kann ihn aber nicht ersetzen. Der Unterhalt von Kunstbauten setzt nach ca. 5 6 Jahren ein, wobei umfassende Unterhaltsmassnahmen erst nach ca Jahren durchzuführen sind. Internationale Untersuchungen haben gezeigt, dass bei Verkehrsanlagen mit Unterhaltskosten von ca % der Investitionskosten gerechnet werden muss. Für das schweizerische Nationalstrassennetz (Gesamtinvestition ca. 40 Mia sfr. auf der Preisbasis 1983) bedeutet das einen jährlichen Unterhaltsaufwand von Mio Franken. Wird der Unterhalt vernachlässigt, so entstehen auf die Dauer grosse volkswirtschaftliche Verluste. Eine Brücke oder ein Tunnel kann eine gewisse Zeit auch ohne Unterhalt ihren Dienst versehen, doch nimmt dabei die Qualität und die Betriebssicherheit der Anlage ständig ab, bis zu dem Punkt, an dem aus Sicherheitsgründen der Betrieb eingestellt werden muss. Die Wiederherstellung derart vernachlässigter Bauwerke ist wesentlich aufwendiger. Die Projektierung und die Ausführung von Unterhalts- oder Instandsetzungs-mass-nahmen ist anspruchsvoll. Sie erfordert eine genaue Zustandsuntersuchung, die Abklärung der Schadensursache und eine Zustandsbeurteilung. Eine sorgfältige, geplante Bauwerksüberwachung (visuelle Beobachtung, Inspektion, Zustandsuntersuchung) ist Voraussetzung, um rechtzeitig Schäden zu erkennen und damit Unterhalts- bzw. Erneuerungsmassnahmen vorauszuplanen und durchführen zu können (siehe SIA 469) 3

5 Die Problematik der Bauwerksuntersuchung ist folgende: - die bewährte und auf jeden Fall immer durchzuführende visuelle Inspektion kann verdeckte Schäden erst erfassen, wenn diese an der Oberfläche des Bauwerks sichtbar werden. - die punktuellen Probenentnahmen an Bauwerken liefern zwar genaue, aber für das Bauwerk als ganzes nicht repräsentative Werte aus Laboruntersuchungen. Insbesondere die Hauptursache für Schäden, die Korrosion der Bewehrung, wird so sehr oft nicht oder viel zu spät entdeckt. Untersuchungen im Sinne einer Früherkennung der Schäden müssen daher Stahlbetonbauwerke in den den Umwelteinflüssen besonders ausgesetzten oberflächennahen Bereichen (mindestens die oberste Lage der Bewehrung) rasch, zerstörungsfrei und flächendeckend erfassen können und wirtschaftlich arbeiten. Die Potentialmessung als Mittel der Zustandserfassung erfüllt diese Anforderungen ideal, sie ist praktisch zerstörungsfrei und kann auch Aussagen über jene Seite eines Bauteils erlauben, welche für übliche Untersuchungsverfahren nicht zugänglich ist. 2. Grundlagen Im Gegensatz zu Stahl an der Atmosphäre, welcher in Gegenwart von Sauerstoff und Feuchtigkeit rostet, bilden dieselben unlegierten Stähle in stark alkalischen Medien, wie etwa dem Porenwasser des Betons, auf der Metalloberfläche spontan dünne, nur wenige Atomlagen umfassende Schutzschichten (Passivfilme), der Stahl wird dadurch vor weiteren Korrosionsangriffen geschützt. Abb. 1: Das Korrosionsverhalten von Armierungsstahl in Abhängigkeit des ph-werts sowie in Gegenwart von Chloridionen 4

6 In Anwesenheit ausreichender Mengen von Chloriden auf der passiven Stahloberfläche oder bei einem Abfall des ph-werts des Porenwassers infolge Karbonatisierung des Betons kommt es zur Depassivierung, d.h. der lokalen Zerstörung des schützenden Passivfilms. Korrosion tritt aber erst auf, wenn gleichzeitig auch Sauerstoff und Feuchtigkeit an der Stahloberfläche vorliegen. Sowohl der Zeitpunkt der Depassivierung als auch der zeitliche Verlauf des weiteren Korrosionsvorgangs hängt stark von der Wanderung korrosionsfördernder Stoffe im Beton, d.h. von der Porosität und dem Feuchtigkeitsgehalt des Betons ab Elektrochemische Grundlagen - Korrosionspotential Für Stahl bzw. Eisen in sauerstoffhaltigen Elektrolyten (Wasser, Boden, Beton) können die ablaufenden Reaktionen wie folgt geschrieben werden: Fe Fe e - Anode (1.a) H 2 O + 1/2 O e - 2 OH - Kathode (1.b) Fe + H 2 O + 1/2 O 2 Fe(OH) 2 Gesamt (2.) Das Korrosionsprodukt Eisenhydroxid (Fe(OH) 2 ) reagiert dann weiter zu FeOOH (Rost). Auf Stahl in Beton dagegen bildet sich wegen des hohen ph-werts im Porenwasser (ph>12.5) ein nur wenige nm dicker, schützender Oxid- bzw. Passivfilm. Abb. 2: Korrosionspotentiale von Armierungsstahl in Beton im Passivzustand und bei Korrosion unter Chlorideinfluss bzw. bei tiefen ph-werten Wie in Abb. 2 gezeigt wird, bestimmen die anodische und die kathodische Reaktion das Korrosionspotential, an dem wegen der Bedingung der Elektroneutralität die anodische gleich der kathodischen Teilstromdichte sein muss. Für einen intakten, passiven Armierungsstahl in Beton misst man ca mv bis 0 mv gegen die Kupfersulfatelektrode, ein rostiges, korrodierendes Eisen ergibt Werte von ca mv bis -700 mv CSE. 5

7 Das Korrosionspotential von Stahl in Lösungen oder auch in Beton kann mittels einer Referenzelektrode experimentell bestimmt werden (s. Praktikumsaufgaben). Die am häufigsten gebrauchten Referenz oder Bezugselektroden sind die Kalomel, die Silberchlorid oder die Kupfersulfat Elektrode. Deren Potential gegenüber dem Nullpunkt der Spannungsreihe (Standardwasserstoffelectrode NWE) ist unterschiedlich, beim Vergleich von Messwerten muss dies berücksichtig werden. Tabelle 1: Potentiale verschiedener Referenzelektroden Elektrode Salz Potential vs NWE Kalomel Hg 2 Cl 2 Gesättigt KCl V Silberchlorid AgCl Gesättigt KCl V Kupfersulfat - Gesättigt CuSO V Stahl im alkalischen Beton Passivität Im alkalischen Beton führt die Korrosionsreaktion (2) auf Eisen oder Stahl zu einem sehr dünnen, gut haftenden Oxidfilm auf der Oberlfäche des Stahls, dem Passivfilm. Die Dicke des Passivfilms liegt in der Grössenordnung von einigen Nanometern (10-9 m). Dieser Film schützt den darunterliegenden Stahl vor weiteren Korrosionsangriffen. Wie aus Abb. 2 ersichtlich ist die anodische Stromdichte/Potentialkurve durch eine praktisch potentialunabhänige, konstante und sehr geringe Stromdichte (< 0.1 μa/cm 2 = < 1 μm/jahr) gegeben. Das Korrosionspotential wird damit durch die kathodische Teilreaktion (1b), d.h. den ph Wert und den Sauerstoffgehalt bestimmt. Mit dem Nernst schen Gesetz lässt sich für die Reaktion (1b) die ph Abhängigkeit zu E = *pH berechnen - je höher der ph Wert desto negativer ist das Korrosionspotential. Stahl im korrodierenden Zustand Durch Chloride (2.2) oder durch Karbonatisierung (2.3) wird der Passivfilm instabil bzw. zerstört (Depassivierung), in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff kommt es zur Korrosion des Bewehrungsstahls (Gl. 3) mit Bildung von Rost oder, in sehr feuchtem chloridhaltigen Beton, von löslichen Eisenchlorid Verbindungen. Das Korrosionspotential des Stahls im korrodierenden Zustand ist sehr viel negativer als das Potential im passiven Zustand (Abb. 2), Charakteristisch für Korrosionsangriffe an Stahlbetonbauwerken ist also das Nebeneinander von passivem und korrodierendem Armierungsstahl (Abb 3), es entsteht ein kurzgeschlossenes galvanisches Element ähnlich einer Batterie, ein sog. Makroelement: Die korrodierende Stelle wird zur Anode (stark negative Potentiale) und wird von einem wesentlich grösseren, passiven und kathodisch wirkenden Oberflächenbereich (positivere Potentiale) umgeben, was den lokalen Angriff verstärkt. 6

8 Abb.3: Verstärkte lokale Korrosion an einem Armierungsstahl im Beton infolge Makroelementbildung In diesem Makroelement fliesst als Folge der vorhandenen Zellspannung U von ca. 0.5 Volt (nämlich dem Unterschied zwischen passivem und korrodierendem Stahl) ein Korrosionsstrom I korr : I korr = U / (RE + RA+ RK) (3) der stark vereinfacht durch den Widerstand des Betons RE und die beiden Reaktionswiderstände der anodischen bzw. kathodischen Teilreaktion (RA, RK) bestimmt wird. Der Stromfluss erfolgt im Stahl elektrisch (Elektronen) und im Beton elektrolytisch (Ionen). Mit diesem Stromfluss im Beton gekoppelt ist ein elektrisches Feld (Abb 3), der Uebergang vom Potential der Anode zum Potential der Kathode erfolgt kontinuierlich. Dieses elektrische Feld kann nun an der Betonoberfläche experimentell erfasst werden, man misst das Potentialfeld, welches die zerstörungsfreie Lokalisierung korrodierender Bewehrung an den Bereichen mit stark negativen Potentialen erlaubt 2.2. Einwirken von Chloriden Chloride dringen durch den Beton bis zur Bewehrung vor und zerstören dort, selbst bei hohem ph-wert, den Passivfilm. Bei zeitlich wechselndem Feuchtigkeitsgehalt des Betons (Trocken/Nass Zyklen) gelangen die Chloride direkt mit dem Wasser, d.h. rasch in den Beton ein, sie können aber beim Austrocknen des Betons wieder in oberflächennahe Zonen transportiert werden. Die Feuchtigkeits- und Bewitterungsverhältnisse sind daher für die Korrosion ebenso bedeutend wie die Chloridbeaufschlagung. Da die im Bauwesen 7

9 verwendeten Zementsorten in der Lage sind, Chloride zu binden, sind Korrosionsangriffe meist erst nach Ueberschreiten bestimmter Chloridkonzentrationen möglich. Zudem ist zu beachten, dass für die Depassivierung das Verhältnis von im Porenwasser gelösten Chloriden und Hydroxidionen entscheidend ist. Da im weiteren die Korrosionsvorgänge im Beton nicht allein vom Chlorid-gehalt, sondern, wie das Modell des Makroelements (Gl. 3) zeigt, auch noch von der Betonleitfähigkeit (Porosität und Feuchtigkeit) abhängen, erstaunt es weiter nicht, dass in der Praxis kein einheitlicher Grenzwert für den Chloridgehalt des Betons vorgeschrieben wird Karbonatisierung Der für den Korrosionsschutz der Bewehrung erforderliche hohe ph-wert des Porenwassers im Beton kann durch die Einwirkung von CO 2 oder SO 2 aus der Atmosphäre durch Karbonatisierung auf Werte < 10 absinken, so dass die Voraussetzungen für eine stabile Passivität nicht mehr gegeben sind. Das Fortschreiten der Karbonatisierung ist durch die Eindringgeschwindigkeit des CO 2 in Beton bestimmt, das nur über die Gasphase rasch erfolgen kann. Da für die Karbonatisierungsreaktion selbst Wasser erforderlich ist, ergeben sich bei ganz trockenem bzw. völlig mit Wasser gefüllten Poren die geringsten Karbonatisierungsgeschwindigkeiten, während bei nur teilweise gefüllten Poren die Karbonatisierung am schnellsten fortschreitet. Nur im Falle konstanter Feuchtigkeit lässt sich das zeitliche Verhalten der Karbonatisierungstiefe mit einem parabolischen Zeitgesetz näherungsweise beschreiben, während bei natürlicher Bewitterung (ungeschützte, beregnete Oberfläche) stets endliche und bei guter Betonqualität geringe Karbonatisierungstiefen auftreten. Abb.4: Karbonatisierungstiefe in Abhängigkeit der Zeit bei verschiedenen Bewitterungsverhältnissen 8

10 2.4 Zusammenwirken der Korrosionsparameter Ausgeprägte Korrosionsangriffe treten an Bewehrungsstählen immer dann auf, wenn der Stahl depassiviert ist (durch Chloride bzw. durch Karbonatisierung) und Wasser und Sauerstoff an der Stahloberfläche vorliegen. Die Voraussetzungen für das Eindringen der korrosionsfördernden Stoffe hängen stark vom Feuchtigkeits- bzw. Wassergehalt des Betons ab (Abb. 5). Die Wanderung von O 2 und CO 2 erfolgt bei hohen Wassergehalten sehr langsam, in ausgetrocknetem Zustand jedoch rasch. Die Chloride dringen ("Huckepack" mit dem Wasser) rasch in trockenen Beton ein. Da für die Karbonatisierung selbst Wasser benötigt wird, ist die Karbonatisierungsgeschwindigkeit bei Luftfeuchtigkeiten um 60-70% gross, im Gegensatz zum Korrosionsvorgang, der erst bei höheren Feuchtigkeiten merklich abläuft. Ein optimales, die Korrosion förderndes Zusammenwirken aller Vorgänge ist deshalb bei zeitlich konstantem Wassergehalt des Betons meist wenig wahrscheinlich. Die Korrosionsgefahr ist z.b. in Innenräumen, trotz merklicher Karbonatisierung, klein. Ebenso ist die Gefährdung von Bauteilen, die im Meerwasser eingetaucht sind, trotz hoher Chloridkonzentration gering. Die Korrosionswahrscheinlichkeit steigt jedoch mit wechselnder Bewitterungszyklen (Trocken-/- Nasszyklen) stark an. Dann ergeben sich für alle Teile, zumindest vorübergehend, günstige, die Korrosion auslösende oder beschleunigende Bedingungen. Die Erfahrungen aus der Praxis lehren, dass aus diesem Grunde die Korrosionsgefahr im Bereich von Wasserwechselzonen oder im Spritzwasserbereich wesentlich grösser ist. Massnahmen, die den Wassergehalt des Betons stabilisieren, erniedrigen deshalb die Korrosionsgefahr. Abb.5: Zusammenwirken der Korrosionsparameter Chlorid, Sauerstoff und Feuchtigkeit 9

11 3. Potentialmessung Im Gegensatz zu Nordamerika begann man in Europa erst anfangs der 80er Jahre vereinzelt Bauwerke mit der Potentialmessung zu untersuchen. Die Schweiz hatte bei der Einführung im Vergleich zu den übrigen Ländern eine Pionierrolle; dies ist vorab den Forschungsarbeiten am IBWK (Institut für Baustoffe, Werkstoffchemie und Korrosion) zu verdanken. Die Potentialmessung erlaubt grundsätzlich - eine flächendeckende Aussage zu machebn bezgl. * Lage und Ausmass von Korrosionsherden * Korrosionszustand der Bewehrung * Chloridverseuchung des Betons * Karbonatisierung des Betons * Feuchtigkeitsverteilung (z.b. unter Abdichtungen) in einem Bauteil - eine Entscheidungsgrundlage zu liefern, ob und ggf. in welchem Umfang Erhaltungs- und Erneuerungsmassnahmen notwendig sind. - den Erfolg von Erhaltungs- und Erneuerungsmassnahmen zu kontrollieren. Dazu sind aber Erfahrungen in der Interpretation der Messdaten erforderlich. 3.1 Messprinzip Bei Stahlbetonbauwerken kann das Korrosionspotential der Bewehrung in einem weiten Bereich variieren (Tab. 2). Das Korrosionspotential eines korrodierenden, im chloridhaltigen Beton liegenden Stahles unterscheidet sich von jenem eines nicht korrodierenden (passiven) Stahles im alkalischen, chloridfreien Beton um bis zu mehreren 100 mv. Diese Tatsache wird bei der Potentialmessung auf Stahlbetonbauten genutzt, um eine Aussage über den Korrosionszustand der Bewehrung zu machen. Wie Abb. 3 zeigt, ist mit dem Stromfluss über einem Makroelement ein elektrisches Feld im Beton gekoppelt. An der Betonoberfläche kann dieses elektrische Feld mit geeigneten Messeinrichtungen (Referenzelektroden) gemessen werden, man erhält das Potentialfeld. Negativere Potentialwerte deuten auf Korrosion hin. 3.2 Durchführung Für die Potentialmessung werden grundsätzlich benötigt: - Anschluß an die Bewehrung - Referenzelektrode - Spannungsmessgerät - Kabel. Als Referenzelektrode (s. Tabelle 1) wird meist eine Kupfer/Kupfersulfat Elektrode angewendet, bei der ein Kupferstab in eine wäßrige, gesättigte Kupfersulfat (CuSO 4 )-Lösung eingetaucht ist. Der zweite Anschluß des Voltmeters wird mit der freigelegten oder angebohrten Armierung verbunden (Abb. 6). Der Anschluß an die Armierung erfolgt am sichersten durch Anbohren des Stahls und Kontaktieren mit einer selbstschneidenden Schraube. Damit in diesem Messkreis nur ein sehr kleiner Strom fließt ist ein hochohmiges Voltmeter erforderlich, Eingangsimpedanz > Ohm/Volt. Der Kontakt zwischen 10

12 Elektrode und Beton ist sehr wichtig; meist werden zur Abtrennung der Elektrodenflüssigkeit Holzzapfen als poröses Diaphragma und feuchter Schaumgummi eingesetzt. Abb. 6: Potentialmessung auf der Betonoberfläche zum Auffinden korrodierender Bereiche Das Vorgehen beim Messen der Potentialwerte ist einfach, einige wichtige Punkte sind aber zu beachten (s. Richtlinie RILEM TC154, Potentialmessungen, im Anhang): - Anlegen eines Rasters auf der auszumessenden Betonoberfläche (die Dimension des Rasters bestimmt die Grösse der noch lokalisierbaren Bereiche) - Guter elektrischer Kontakt zur Bewehrung herstellen (kein Clip) - Ueberprüfen der Elektrode - Voltmeter anschliessen und Stabilität des Messwerts beobachten - Messung an jedem Messpunkt ausführen, beachten dass der Schaumgummi stets genügend feucht gehalten wird 3.3 Grosse Objekte - Einsatz von Messgeräten mit Datenerfassung Das Arbeiten mit einer Einzelelektrode ist bei grossen Flächen und kleinem Raster unbequem und zeitraubend, deshalb werden heute bereits Datenerfassungsgeräte mit 4 oder 8 Elektroden und automatischer Registrierung der Potentialwerte angeboten. Um das Ausmessen grosser Brückenoberflächen, Wänden oder auch Untersichten weiter zu beschleunigen, wurde am Institut für Baustoffe, Werkstoffchemie und Korrosion (IBWK) der ETH Zürich ein System entwickelt, welches die Referenzelektroden fix enthält und den Kontakt zum Beton über acht stets feucht gehaltene Kontakträder bewerkstelligt (Abb. 7). Mit dieser Anordnung können problemlos 2-4 m 2 /min (auch Wände oder über Kopf) ausgemessen werden. Die rasche Messung und die damit auftretende grosse Datenmenge erfordert den Einsatz von Messgeräten mit Datenerfassung. Die vorhandene Software ermöglicht das on-line Abspeichern der Messdaten, die numerische Darstellung auf Bildschirm oder Drucker und eine zusammengefasste grafische Darstellung des Poten-tialfeldes mit maximal 10 m Breite 11

13 und beliebiger Länge (Abb. 8) So ist es möglich, bereits auf der Baustelle eine Darstellung des Potentialfelds zu erhalten und die Bereiche, wo Korrosion zu erwarten ist, zu bezeichnen. Abb.7: Messystem für Potentialfeldmessungen mit acht Radelektroden im praktischen Einsatz Abb. 8: Messanordnung, Datenerfassung und Datenauswertung bei der Potentialfeldmessung 12

14 4 Einflüsse auf das Potential der Bewehrung Tabelle 3. gibt eine Uebersicht über die wichtigsten Einflussgrössen auf die an der Betonoberfläche gemessenen Potentiale von Stahl in Beton. 4.1 Korrosionszustand der Bewehrung Das Potential der Bewehrung im Beton kann von ca mv bis mvcse variieren; je nach Korrosionszustand der Bewehrung und Belüftung des Betons (Tab.2.). Das Potential der passiven Bewehrung im alkalischen Beton liegt bei normaler Feuchtigkeit zwischen -150 und +150 mvcse. Die Verteilung auf einem Bauteil ist abhängig von Feuchtigkeits- und anderen Schwankungen der Betoneigenschaften (Abb. 9), sie beträgt ca. ± 60 mv. Das Potential der korrodierenden in chloridhaltigem Beton liegenden Bewehrung nimmt Werte bis etwa -600 mvcse an. Potentialwerte unter diesem Wert sind selten und treten nur auf, wenn die Betonfeuchtigkeit sehr hoch und damit die Belüftung sehr schlecht ist. Bei der Korrosion infolge Karbonatisierung sind die Potentiale i.a. deutlich positiver als bei der chloridinduzierten Korrosion. Die Verteilung der Werte der korrodierenden Bewehrung ist meist deutlich breiter als die der passiven Bewehrung (Abb. 9). Tabelle 3.: Einflüsse auf das Korrosionspotential der Bewehrung Haupteinflüsse: - Korrosionszustand der Bewehrung - Chloridgehalt des Betons - Feuchtigkeit und Widerstand des Betons - ph-wert des Betonporenwassers (Karbonatisie-rungstiefe des Betons) - Sauerstoffgehalt des Betons - Makroelemente Störeinflüsse - Beläge - lokal durchnässter Beton - starker Regen - lokale Flickstellen mit Kunstharz- oder kunststoffmodifizierten Mörteln oder Betonen - Diffusionspotential - hochohmige Oberflächenschichten - Streuströme von Gleichstrombahnen und KKS-Anlagen Dritter - Wechselspannungsbeeinflussung durch Hochspannungs-leitungen der SBB und der Elektrizitätswerke - Erdungs- und Sendeanlagen, Funkgeräte Nebeneinflüsse - Temperatur - Betoneinflüsse - Alter des Betons - Ueberdeckung der Bewehrung - Anordnung der Bewehrung - Risse und Fugen - Nicht vollständig mit Beton umhüllte Bewehrung oder andere metallische Einbauteile Messfehler - defekte Kabel (starker Regen) - zu niederohmige Messgeräte - schlechter Kontakt zwischen Referenzelektrode und Beton - ungenügende Befeuchtung des Betons - ungenügende Vermaschung der Bewehrung - planparallel zur Oberfläche verlaufende, innere Risse, z.b. bei Abplatzungen oder Schicht-tren-nungen 13

15 Abb. 9: Bestimmung der Potentialgrenzwerte für Korrosion oder Passivzustand mit statistischer Auswertung Korrosion Passivzustand Hauptwert -300 mv -200 mv Standardabweichung 100 mv 60mV 4.2 Andere Metalle In Stahlbetonbauwerken kommen vereinzelt Elemente aus verzinktem oder hochlegiertem Bewehrungsstahl zum Einsatz. Im elektrischen Kontakt mit der Bewehrung können sie die gemessenen Potentiale beeinflussen: verzinkte Teile zeigen in karbonatisiertem Beton bei normaler Feuchtigkeit etwas positivere Potentiale als unlegierter Stahl. Im feuchten bis nassen Beton liegen die Korrosionspotentiale verzinkter Teile deutlich niedriger. Die hochlegierten Stähle sind gegenüber dem normalen Bewehrungsstahl korrosionsbeständiger. Das Potential der passiven, nichtkorrodierenden hochlegierten Stähle ist praktisch identisch mit demjenigen des normalen Stahls, da der ph-wert des Porenwassers potentialbestimmend ist. Hier gibt es keine Beeinflussung. 14

16 4.3 Betonfeuchtigkeit Grundsätzlich wird mit abnehmender Betonfeuchtigkeit (zunehmender spezifischer Betonwiderstand) das Korrosionspotential der Bewehrung positiver. Abb. 10. zeigt den Einfluss von Betonfeuchtigkeit und Chloridgehalt. Offensichtlich reagiert das Potential im chloridfreien Beton weniger auf die Betonfeuchtigkeit. Kürzere Regenperioden haben keinen signifikanten Einfluss auf das Korrosionspotential. Abb. 10: Einfluss der Betonfeuchtigkeit auf das Potential; Laborproben 4.4 ph-wert des Porenwassers Mit abnehmendem ph-wert steigt das Gleichgewichtspotential der Sauerstoffelektrode, nicht korrodierender Stahl in karbonatisiertem Beton weist daher positivere Korrosionspotentiale auf. Beginnt die Bewehrung zu korrodieren (ph < 11) wird das Korrosionspotential negativer. 4.5 Chloridgehalt des Betons Mit zunehmendem Chloridgehalt auf dem Niveau der Bewehrung wird deren Potential negativer (Abb. 11.). Diese Abhängigkeit ist ab einem kritischen Chloridgehalt ausgeprägter. Chloride im Beton erhöhen wegen ihrer Hygroskapazität die Betonfeuchtigkeit im Vergleich zu Cl - -freiem Beton. 15

17 Abb.11: Zusammenhang zwischen Chloridgehalt in verschiedenen Tiefen und dem an der Oberfläche gemessenen Potential 4.6 Makroelement Die Ausdehnung von Makroelementen hängt von verschiedenen Faktoren ab: - Fläche der korrodierenden Bewehrung (Grösse des Korrosionsherdes) - Betonfeuchtigkeit - Chloridgehalt des Betons - Spez. Widerstand des Betons - Korrosionsgeschwindigkeit an der Anode - Verhältnis F k /F A - Bauteilabmessungen Sehr kleine Korrosionsherde können nur mit einem feinen Messraster (Potentialfeldmessung) festgestellt werden. 4.7 Erschwerter Sauerstoffzutritt Wie bereits bei der Herleitung des Korrosionspotentials gezeigt wurde, bestimmen die anodische und die kathodische Teilreaktion das Korrosionspotential. Im Wasser oder im Erdboden ist der Sauerstoffzutritt erschwert oder unmöglich, die kathodische Teilreaktion (Sauerstoffreduktion, Gl.1b) wird praktisch nicht mehr ablaufen können. Dadurch verschiebt sich das Korrosionspotential zu sehr negativen Werten, ohne dass eine nennenswerte Korrosionsreaktion abläuft! Aus dem Wasser bzw. dem Erdboden herausragende Stahlbetonkonstruktionen weisen durch diese Beeinflussung in einer Uebergangszone negative Werte auf, welche das Vorliegen von Korrosion vortäuschen. 16

18 5 Interpretation und Beispiele Die an der Betonoberfläche gemessenen Potentiale werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst, es ist für die Zuordnung "passive bzw. korrodierende Bewehrung" also stets eine Interpretation der Messresultate erforderlich. Oft wird dabei der aus den USA stammende ASTM Standard C empfohlen. Die im ASTM Standard aufgeführten Grenzwerte stammen aus einer Vielzahl von Labor- und Feldmessungen, hauptsächlich Brückenplatten ohne Asphalt oder wasserdichte Membran in den USA. Die praktische Erfahrung zeigt aber, dass unter anderen Bedingungen (Dicke der Ueberdeckung, Feuchtigkeit und Chloridgehalt im Beton) auch andere Potentialbereiche auf Korrosionsreaktionen an der Armierung hinweisen. An Beispielen aus der Arbeit des IBWK soll dies illustriert werden: 5.1 Cugnertobelbrücke II Die in der Schynschlucht gelegene Brücke an der Hauptstrasse Thusis - Tiefencastel ist eine ca. 45 m lange, gebogene und talwärts geneigte Hohlkastenbrücke, Baujahr Die Potentialfeldmessungen wurden im Sommer 1986 im Rahmen einer Sanierung durchgeführt. In Abb. 12.ist ein Ausschnitt aus dem gemessenen Potentialfeld dargestellt. Sofort ins Auge sticht die unruhige, kleinräumige Struktur des Potentialfeldes, welche auf eine Vielzahl von kleinen lokalen Korrosionsstellen hindeutet. Nach dem Freilegen der Armierung bestätigte sich dies eindrücklich. Als Grenzwert für das Vorliegen von Korrosion wurde der Wert von -300 mv (CuSO 4 ) erhalten, mit dem ASTM Grenzwert von -350 mv wären über 70% aller (vor allem kleinen) Korrosionsstellen nicht angezeigt worden, die rein visuelle Beurteilung ergab nur vereinzelte, anhand von Rostspuren sichtbare Korrosionsstellen! Im weiteren zeigt sich klar, dass das Auffinden von sehr lokalisierten Lochfrassangriffen einen genügend feinen Messraster voraussetzt, ein Abstand von 15 cm von Punkt zu Punkt war gerade ausreichend. Abb.12: Potentialfeldmessungen Fahrbahnplatte Cugnertobelbrücke II 17

19 5.2. San Bernardino Tunnel Der 6.6 km lange San Bernardino Tunnel (N 13) ist von der Konstruktion her gesehen eine "Brücke im Tunnel". Die doppelt abgestützte und an den Tunnelwänden im Gewölbe gelagerte Fahrbahnplatte besteht wegen den grossen auftretenden Dehnwegen aus Abschnitten mit Scheinfugen alle 2.5 m und echten Dilatationsfugen alle 25 m. Die Untersicht der Fahrbahnplatte wurde im Bereich von 15 Fugen (5 DF, 10 SF) auf einer Fläche von je ca. 125 m 2 mit der Potentialfeldmessung auf Korrosionsschäden überprüft. Ein Beispiel ist in Abb.13. gezeigt. Hier ist offensichtlich, dass Korrosionsschäden nur im Bereich der Fugen auftreten, der Grossteil der Fahrbahnplatte ist intakt. Zur Ueberprüfung wurde die Armierung im Uebergangsbereich korrodiert / intakt auf einer Fläche von ca. 1 m 2 freigelegt (Fenster A). Mit dem Kriterium -350 mv werden praktisch alle, auch erst beginnende Korrosionsstellen erfasst. Abb.13: Potentialfeldmessungen Fahrbahnplatte San Bernardino Das Schadensbild wird durch die aus Bohrkernen bestimmten Chloridgehalte abgerundet: in Uebereinstimmung mit dem Potentialfeld werden nur in der Nähe der Fuge Chloridgehalte >0.4% (pro Zementgewicht) gemessen. Zwischen dem mit der Potentialfeldmessung festgestellten Vorliegen von Korrosion und dem gemessenen Chloridgehalt besteht in über 90% aller Fälle (total 60 Bohrkerne) eine eindeutige Korrelation: - zu hohe Chloridgehalte sind stets mit Potentialwerten unter -350 mv verbunden - Bereiche mit Chloridgehalten unter 0.4% zeigen Potentialwerte positiver als -250 mv. Im Vergleich zur rein visuellen Inspektion (Abplatzungen, Frost/Tausalzschäden am Beton) ist die mit der Potentialfeldmesstechnik festgestellte korrodierende Zone etwa 30-50% grösser. 18

20 5.3 Wahrscheinlichkeitsverteilung der Potentialwerte Ein Vorteil der computerunterstützten Datenerfassung bei der Potentialfeldmessung einer Brückenplatte, Stützwand, Widerlager etc. ist die Möglichkeit der statistischen Auswertung der Daten. Abb.14. zeigt die Verteilung (Summenhäufigkeit) der Potentialwerte für verschiedene Brückenplatten. Es werden stets zwei Verteilungen (Geraden mit unterschiedlicher Steigung) gefunden. Der Mittelwert der Potentiale im Passivbereich variiert von Objekt zu Objekt (abhängig von der Betonfeuchtigkeit), hingegen bleibt die Standardabweichung (Steigung) konstant bei = 40 mv. Das Beispiel San Bernardino (kein Knickpunkt, sondern starke Verschiebung der aktiven Potentiale zu negativen Werten) zeigt den Einfluss stark unterschiedlicher Betonfeuchte deutlich. Weitere Interpretationen wie z.b. die korrodierende Fläche des Objekts (in Prozent der Gesamtfläche) werden gegenwärtig bearbeitet. Abb. 14: Summenhäufigkeit der Potentialwerte für verschieden Brückenplatten Abb.15: Einfluss des Messrasters auf die Summenhäufigkeit der Potentialwerte (Computer Simulation) 5.4 Messungen im Projektstadium einer Sanierung Sehr häufig wäre eine grobe, flächendeckende Information über den Korrosionszustand der Bewehrung bereits für die Ausarbeitung des Sanierungsprojektes dringend erforderlich. Diese Information kann mittels Einzelmessungen in einem grossen Raster (ca. 1m x 1m) von der Untersicht der Brückenplatte oder kleinen Bohrungen durch den Belag erhalten werden. Abb. 15. zeigt, dass auch bei einer Vergrösserung des Messrasters die statistische Information (Potentialverteilung) erhalten bleibt, die Lokalisierung kleiner korrodierenden Bereiche geht damit aber verloren. 19

21 Auf der Basis der Resultate aus Einzelmessungen können dann gezielt Bohrkerne für Chloridanalysen, elektrische Widerstandsmessungen oder andere weitergehende Bauwerksuntersuchungen angeordnet werden. 5.5 Zusammenhang Potential Chloridgehalt Im Rahmen der Zustandserfassung vor einer Instandsetzung wurden an verschiedenen Bauwerken Potentialfeldmessungen und Chloridanalysen durchgeführt. Dabei wurde sehr häufig ein klarer Zusammenhang zwischen den ermittelten Chloridgehalten im Beton und den Potentialwerten an der Betonoberfläche gefunden (Abb. 11.). Dies erlaubt für ein bestimmtes Bauteil (Brückenplatte, Widerlagerwand etc.) eine zerstörungsfreie Bestimmung des Chloridgehalts anhand des Potentialfelds, ein "chloride mapping". Die Erfahrungen mit der Potentialfeldmessung können wie folgt zusammengefasst werden: - Die Interpretation der Potentialfelder, d.h. die Lokalisierung korrodierender Bereiche, kann nicht auf einem absoluten Potentialwert (wie im ASTM Standard vorgeschlagen) basieren. Die Struktur des Potentialfelds und der Gradient sind bessere Möglichkeiten, um Art (Lochfrass oder gleichmässiger Angriff) und Ort der Korrosion zu bestimmen (s. RILEM Richtlinie im Anhang). - Die statistische Auswertung der Daten und jüngste Erfahrungen zeigen, dass Einzelmessungen von der Brückenunterseite oder durch Bohrungen im Belag in einem Raster von ca. 1m x 1m genügend genau sind, um das Ausmass der Korrosion bereits im Projektstadium einer Instandsetzung zu erfassen. Literatur: B. Elsener, Half-cell potential measurements potential mapping on reinforced concrete structures, Materials and Structures 36 (2003) (s. Anhang) B. Elsener, Half-cell potential mapping to assess repair work on RC structures, Construction and Building Materials 15 (2001) L. Bertolini, B. Elsener, R. Polder, P. Pedeferri, Corrosion of steel in concrete, WILEY VCH (2004) B. Elsener, D. Fluckiger, H. Wojtas, H. Bohni, Methoden zur Erfassung der Korrosion von Stahl in Beton, ASTRA/EVED Bericht 521 (1996) F. Hunkeler, Grundlagen der Korrosion und der Potentialfeldmessung bei Stahlbetonbauten, ASTRA/EVED Bericht 510 (1994) 20

22 Hochlegierte Stähle als Bewehrung im Stahlbeton Obwohl thermodynamisch unedel verhalten sich viele Metalle und deren Legierungen in der Praxis korrosionsbeständig. Typische Systeme, welche ihre Beständigkeit der Passivierung verdanken, sind die hochlegierten Stähle, Aluminiumlegierungen, Titan aber auch normaler Stahl im alkalischen Milieu (Stahl im Beton). Dieses Verhalten ist durch die spontane Bildung einer dünnen, schützenden Oxidschicht, der Passivschicht, als Produkt der anodischen Metallauflösung bedingt. Die Eisenbasislegierungen bilden sehr dünne Passivschichten, auf Aluminium und Titan entstehen Passivschichten im μm Bereich, die zudem über Anodisierung noch dicker erzeugt werden können. Die Passivschicht wirkt als kinetische Barriere an der Grenzfläche Metall / Elektrolyt und verhindert die weitere Auflösung des Metalls. Diese rein kinetische Barriere ist gleichzeitig auch die Schwachstelle der passiven Metalle: ist die Passivschicht zerstört (z.b. durch Chlorideinwirkung) können örtlich sehr hohe Korrosionsgeschwindigkeiten auftreten (Lochfrass, Spalt- oder Spannungsrisskorrosion). 1 Bildung der Passivschicht Die Passivierung ist stets mit einer (minimalen) anodischen Auflösung verbunden, die entstehenden Korrosionsprodukte sind jedoch nicht im Wasser gelöst oder lose auf der Oberfläche vorliegend sondern bilden eine kompakte, festhaftende Oxidschicht. Abbildung 1: Stromdichte Potentialkurve eines passivierbaren Metalls und Einfluss von Cr und Mo auf die anodische Stromdichte-Potential-Kurve hochlegierter Stähle. Die anodische Stromdichte-Potentialkurve steigt zunächst vom Gleichgewichtspotential steil an (durchtrittsgesteuert) und erreicht bei e = e p ein Stromdichtemaximum i krit. Der anschliessende Abfall, welcher mehrere Zehnerpotenzen betragen kann, ist auf die Passivierung der Elektrode zurückzuführen. Im passiven Bereich selbst löst sich das Metall 21

23 nur noch mit sehr kleiner Geschwindigkeit (i p < 10-6 Acm -2 ) auf (Passivität, anodischer Schutz). Diese Stromdichte der Metallauflösung im passiven Bereich bleibt dann in einem weiten Potentialbereich konstant, steigt aber bei einigen Metallen (Fe, Ni, Cr) durch Auflösung des Passivfilms (z.b. Chromoxid Cr 2 O 3 --> CrO 2-4 (aq.)) wieder an. Meist findet im gleichen Potentialbereich die Sauerstoffentwicklung (2 H 2 O --> O 2 + 4H + + 4e - ) statt. Um die spontane Bildung der schützenden Passivschicht zu ermöglichen müssen folgenden Bedingungen eingehalten sein (Abb. 8.12): 1. E K > p, das Normalpotential der kathodischen Teilreaktion ist positiver als das Passivierungspotential 2. i K ( p) > i krit, die kathodische Teilstromdichte am Passivierungspotential ist grösser als die kritische Stromdichte Wie aus Abb. 2 und den obigen Bedingungen ersichtlich spielen für die Passivierung sowohl metallbezogene Grössen (Passivierungspotential, i krit ) als auch die Umgebung (kathodische Teilstromkurve E K, i k ) eine Rolle. Eine bestimmte Legierung kann daher je nach Umgebung passiv vorliegen oder nicht (Abb. 8.12). Abb. 2: Verschiedene Teilreaktionen und ihr Einfluss auf die Passivität. Von 1 zu 3 zunehmender Sauerstoffgehalt in der Lösung. Spontane und stabile Passivität ist nur im Fall 3 (Abb. 2) erzielbar. In diesem Fall hat die kathodische Teilreaktion (hier O 2 Reduktion) eine genügend hohe Grenzstromdichte, so dass die kritische Stromdichte i krit überschritten wird. Das Korrosionspotential korr liegt dann im Passivbereich, für die Korrosionsstromdichte gilt dann i korr = i p. Die Grössen p, i krit und i p hängen von der Art und der Zusammensetzung der Legierung und vom der Umgebung ab. Die Passivierung ist somit ein typisches Systemverhalten, eine Legierung kann in einer Umgebung passiv vorliegen, in einer andern (z.b. sauerstoff-ärmeren) nicht (Abb. 8.12). 22

24 Legierungseinfluss: Durch Zulegieren von Chrom und Molybdän verringert sich die kritische Stromdichte i krit (Abb. 8.13), zum anderen verschiebt sich das Passivierungspotential zu kathodischeren (negativeren) Werten (Abb. 8.11). Damit kann eine spontane Passivierung viel leichter ablaufen. Durch Chrom wird ausserdem die Passivstromdichte verringert, d.h. die Auflösungsrate im passiven Zustand wird geringer. Molybdän senkt die kritische Stromdichte für die Passivierung i krit (Abb. 8.13) die Passivstromdichte wird hingegen durch den Mo- Gehalt nur unwesentlich beeinflusst. Abbildung 3: Einfluss der Legierungselemente Chrom und Molybdän auf die kritische Stromdichte für die Passivierung (Medium 0.1 N H 2 SO 4 ). Umgebungseinfluss: Umgebungsseitig sind vor allem der ph Wert und der O 2 Gehalt entscheidend. Der ph Wert der Umgebung ist insbesondere für Eisen, Stähle und Eisenbasislegierungen wichtig, steigender ph Wert senkt die kritische Stromdichte für die Passivierung (2 ph Einheiten um ca. einen Faktor 10). Dies ist der Grund für die Stabilität von Stahl im Beton. Abbildung 4: Stromdichte Potentialkurven eines aktiven (unlegierter Stahl) und eines passiven Metalls (hochlegierter Stahl) im Vergleich. Beachte die grosse Differenz der Korrosionspotentiale. 23

25 2 Elektrochemische Untersuchung der Passivierung Mit elektrochemischen Versuchen (Potentialmessung, Stromdichte-Potentialkurven, potentiostatische Passivierung) kann das Passivierungsverhalten eines Systems Legierung / Elektrolyt untersucht werden. Die Bildung der schützenden Oxidschicht manifestiert sich in einem asymptotisch ansteigenden Potential bzw. in stark sinkenden Stromdichten (Abb. 5). Abbildung 5: Passivierung hochlegierter Stähle in alkalischer 0.1 N NaOH Lösung. a) Verlauf des Korrosionspotentials, b) Verlauf der Passivierungsstromdichte ( = V SCE) D. Addari, PhD Thesis University Cagliari (2005) 3 Zusammensetzung der Passivfilme Passivfilme sind oxidisch/hydroxidische Schichten. Bei den hochlegierten Stählen, ist es hauptsächlich der Chromgehalt (dazu der Molybdängehalt), welcher die Passivierung erleichtert. Mittels oberflächenanalytischer Methoden wie XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) kann die Dicke und die chemische Zusammensetzung der Passivschichten bestimmt werden. Untersuchungen an verschiedenen hochlegierten Stählen (Tab. 1) haben gezeigt, dass der Gehalt an Chrom(III) in der Passivschicht vom ph Wert der Umgebung bestimmt wird, zwischen den verschiedenen hochlegierten Stählen findet sich trotz stark unterschiedlichem Chromgehalt praktisch kein Unterschied (Abb. 7). Tab. 1 Cr, Ni und Mo-Gehalte verschiedener hochlegierter Stähle Stahl DIN Cr % Ni % Mo % Fe15Cr

26 Fe2p3/2 Fe15Cr 15 min 0.1 N NaOH Cr2p3/ min 0.1 N NaOH Intensity (a.u.) Intensity (a.u.) Binding Energy (ev) signal of metallic iron ev signal of Fe(II) in Fe3O ev satellite ev signal of Fe(III) in Fe2O ev signal of Fe(III) in FeOOH ev Binding Energy (ev) signal of metallic chromium signal of Cr(III) in Cr2O3 signal of Cr(III) in Cr(OH) ev ev ev Abb. 6: Hochauflösende XPS Spektren von Eisen Fe2p3/2 und Chrom Cr2p3/2 einer Fe15Cr Legierung nach 15 min in 0.1 N NaOH ph 13. D. Addari, PhD Thesis University of Cagliari (2005) composition (weight %) Feox Crox Niox Moox composition (weight %) Fe Cr Ni Mo 0 C-steel Fe15Cr C-steel Fe15Cr Abb. 7: Zusammensetzung des Passivfilms (links) und des Interface unter dem Passivfilm (rechts) für die verschiedenen untersuchten Eisenbasislegierungen. Passivierung = -0.1 V SCE, 0.1 N NaOH, 24 h. D. Addari, PhD Thesis University of Cagliari (2005) 25

27 Potentialabhängigkeit Mit XPS Analysen auf potentiostatisch polarisierten Proben aus hochlegierten Stählen wurde die Potential- und ph Abhängigkeit der Passivfilmzusammensetzung in sauren Lösungen (0.1 N Schwefelsäure) untersucht. Mit zunehmendem Potential werden die Filme eisenreicher und die Dicke der Passivfilme nimmt zu (Abb. 8). Dieser Trend wurde auch in weniger sauren bzw. neutralen Medien festgestellt. Abbildung 8: Potentialabhängigkeit der Passivfilmzusammenssetzung (links) und der Passivfilmdicke (rechts) für CrNi Stahl in 0.1 N H 2 SO 4. B. Beccu, PhD Thesis University of Cagliari (1997) Der ph Wert beeinflusst die Passivfilmzusammensetzung stark: Die höchsten Chromanreicherungen im Passivfilm findet man in sauren Medien, mit zunehmendem ph Wert nimmt der Chromgehalt im Film ab (Abb. 9). Abbildung 9: Passivfilmzusammensetzung des hochlegierten Stahls DIN in 0.1 N Sulfatlösung bei verschiedenen ph Werten, Potential 0.2 V SCE. B. Beccu, PhD Thesis University of Cagliari (1997) 26

28 4 Hochlegierte Stähle im Beton Für hochbeanspruchte Bauteile, wo weder Betonüberdeckung noch Betonqualität ausreichen, um eine genügende Dauerhaftigkeit zu erreichen (insbesondere bei Chloridgefährdung) sowie für Spezialteile (z.b. Kragplattenanschlüsse) kann der Einsatz von hochlegierten Stählen als Bewehrung sinnvoll und wirtschaftlich sein. Mögliche Einsatzbereiche sind: - Bügelbewehrung bei Stützen im Kontakt- bzw. Spritzwasserbereich oder bei Konsolköpfen - äussere Bewehrungslage im untern Bereich von exponierten Stützmauern und Galerierückwänden - Bewehrung von Brückenbrüstungen - Bewehrung im Bereich von Fugen, Fahrbahnübergängen, Gelenken Nichtrostende Stähle wurden bis heute vor allem im Labor in Bezug auf ihre Passivität und chloridinduzierten Lochfrass untersucht. Der kritische korrosionsauslösende Chloridgehalt ist in alkalischen Lösungen und in Mörtel bzw. Beton wesentlich höher als bei den normalen unlegierten Bewehrungsstählen. Nichtrostende Stähle können ohne Einschränkungen mit normalem Stahl im gleichen Bauteil eingesetzt werden, Mischbewehrung stellt kein Problem dar, da sich die Potentiale der Stähle im passiven Zustand nicht unterscheiden. Die Beständigkeit gegen Korrosion ist um Grössendordnungen höher. Der etwas höhere thermische Ausdehnungskoeffizient stellt für Betonbauwerke kein Problem dar. Nichtrostende Stähle als Bewehrung werden heute im grossen Stil in Kanada und den nördlichen Staaten der USA eingesetzt. Die Erfahrungen sind durchwegs sehr positiv. In der Schweiz sind die teilweise mit nichtrostenden Stählen gebauten Objekte an einer Hand abzuzählen. Es sind dies - Rheinbrücke Schaffhausen (Hauptbewehrung des Pylons und des Konsolkopfes) - Sunnibergbrücke Klosters (äussere Bewehrung der Leitmauer, Bügelbewehrung) - Compongabrücke Thusis (Hauptbewehrung der Leitmauer, Bewehrung Mauerkronen) - Galerie Castasegna (Hauptbewehrung Stützen) - Umfahrung Flims (Bügelbewehrung der Stützen) - Rheinbrücke Basel (Konsolkopf, Leitmauer) Es wurden fast durchwegs Stähle des Typs DIN eingesetzt, vereinzelt oder Top12. 27

29 Literatur Guidance on the use of stanless steel reinforcement, Concrete Society Technical Report 51, the Concrete Societey, Berkshire UK (1998) Corrosion of steel in reinforced concrete, Final report COST 521, European Communities (2003) p (stainless steels) F. Hunkeler, Einsatz von nichtrostenden Bewehrungsstählen im Betonbau, VSS Bericht 543 (2000) 28

30 Praktikumsaufgaben 1. Korrosion verschiedener Stähle in Lösungen Mittels einer Referenzelektrode (Saturated Calomel Electrode, SCE) soll das Korrosionspotential verschiedener Stähle in drei Lösungen gemessen werden. Metalle: Stab 1 Baustahl St 500 Stab 2 Chromstahl Top12 (DIN , 12% Cr) Stab 3 Chromnickelstahl (DIN , 18% Cr, 8% Ni) Frage: wie unterscheidet sich Chromnickelstahl festigkeitsmässig von den beiden andern Materialien? Wie kann man diesen Werkstoff rasch und zerstörungsfrei von den andern beiden Bewehrungsmaterialien unterscheiden? Lösungen L1 L2 L3 L4 0.1 N NaCl Lösung (neutral, chloridhaltig) 0.1 N NaOH (simulierte Betonporenlösung) 0.1 N NaOH N NaCl (chloridhaltige Betonporenlösung) 0.1 N NaOH + 1 N NaCl (stark chloridhaltige Porenlösung) Versuchsdurchführung: Die drei verschiedenen Stähle (Vorbehandlung: sandgestrahlt) sollen je 20 Minuten in die Lösungen eingetaucht werden. Mit der Bezugselektrode und dem mv Meter soll das Potential nach 0, 5, 10, 15 und 20 Minuten (Zeit ablesen) gemessen und tabelliert werden. Notieren Sie auch ev. Beobachtungen. In der Lösung L1 (0.1 N NaCl) soll nach ca. 10 min der hochlegierte Chromnickelstahl mit dem Baustahl kurzgeschlossen werden (elektrische Verbindung oder Kontakt). Lesen Sie das Potential der kurzgeschlossenen Stähle ab. Wie verläuft das Potential des hochlegierten Stahls nach Auflösen des Kurzschlusses? In der Lösung L2 (0.1 N NaOH) sollen der hochlegierte Chromnickelstahl mit dem Baustahl kurzgeschlossen werden. Lesen Sie das Potential der kurzgeschlossenen Stähle ab. In der Lösung L2 (0.1 N NaOH) soll der unlegierte Bewehrungsstahl und (später) der hochlegierte CrNi Stahl mit einem scharfen Gegenstand (Skalpell, Messer) angekratzt werden. Beobachten und regiestrieren Sie während und nach dem Kratzen das Korrosionspotential der beiden Stähle. Führen Sie denselben Versuch in der Lösung L4 (0.1 N NaOH + 1 N NaCl) durch. 29

31 Aufgaben: Ausgehend von der Tabelle mit den Messdaten soll der Zeitverlauf der Korrosionspotentiale der drei Materialien in den vier Medien dargestellt werden. Die Grafiken sollen a) einen klaren Vergleich der Werkstoffe in den einzelnen Medien und b) einen klaren Einfluss der Lösungen auf die einzelnen Werkstoffe erlauben. Beantworten Sie folgende Fragen: 1. Wie unterscheiden sich die gemessenen Potentialwerte der drei Materialien in den vier Lösungen? 2. Wie können diese Resultate interpretiert werden? 3. Warum ist der Effekt eines Kurzschlusses zwischen normalem und hochlegiertem CrNi Stahl in 0.1 N NaCl so ausgeprägt, in 0.1 N NaOH hingegen nicht? 4. Warum ist der Effekt einer mechanischen Verletzung (Katzen) je nach Lösung und Werkstoff unterschiedlich? 5. Was bedeutet dieses Resultat für die Anwendung der drei Materialien in Stahlbetonbauwerken? 30

32 2. Potentialmessungen auf Stahlbeton Potentialmessungen auf Stahlbeton werden zur Detektion und Ortung korrodierender Bewehrung eingesetzt (s. Theorieteil). Versuche An einer zweilagig bewehrten Betonplatte (1m x 1m) sollen in einem Raster von 10 cm die Potentiale auf der Betonoberfläche von beiden Seiten der Platte mittels Kupfersulfatelektrode gemessen werden. Die gemessenen Potentialwerte sind in je einer Tabelle (10 x 10 Messwerte) einzutragen. Darstellung der Messwerte Erarbeiten Sie eine graphische Darstellung des Potentialfeldes der Platte (Equipotentiallinien). Interpretation Die Messwerte müssen zur Ortung der korrodierenden Bewehrung interpretiert werden. a) Wie lautet das Resultat bei Anwendung des fixen Grenzwertes nach ASTM (Korrosion tritt mit 95% Wahrscheinlichkeit bei Potentialen < V CSE auf)? b) Wie sieht das Resultat aus, wenn auf Potentialdifferenzen abgestützt wird? c) Vergleichen Sie die von beiden Seiten erhaltenen Messwerte. Was stellen Sie fest? Was bedeutet das Resultat im Hinblick auf die Anwendung der Potentialmesstechnik auf Bauwerken? 31

33 Potentialfeldmessung nach Instandsetzung Das farbige Potentialfeld (wird im Praktikum abgegeben) zeigt einen Ausschnitt von 9 x 12 m der Roflabrücke (A13) an der Nordrampe des San Bernardino. Oben: Potentialfeldmessung nach Entfernen des Belags, unten: Potentialfeldmessung der gleichen Fläche nach der Instandsetzung. Die Instandsetzung wurde mittels Betonabtrag und Neubetonieren ausgeführt. Skala: violett und rot: < mv CSE bis hellblau und weiss: 0 mv CSE Beantworten Sie folgende Fragen: Was bedeuten die negativen Potentialwerte (violett und rot)? Warum treten diese negativen Werte auf? Bestimmen Sie aufgrund dieser Ueberlegungen und der Theorie anhand des Potentialfelds die Bereiche, in denen der Beton abgetragen werden muss. Analysieren Sie nun das Potentialfeld, das sechs Monate nach der Instandsetzung aufgenommen wurde. Was stellen Sie fest? Wie lässt sich dieser Befund erklären? 32

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