Bunte Bauschäden: Farbindikator-Schnelltests zur qualitativen Prüfung typischer Betoneigenschaften und -schäden

Transkript

1 Bunte Bauschäden: Farbindikator-Schnelltests zur qualitativen Prüfung typischer Betoneigenschaften und -schäden MÄRKISCHES FORUM BAUSTOFFPRAXIS BAUWERKSDIAGNOSTIK Hennigsdorf, 27. Februar 2014 Dipl.-Ing. Jonny Henkel

2 Überblick Farbindikator-Schnelltests Überblick 1. Nachweisreaktionen bzw. Indikatoren 2. Einwirkungen auf die Dauerhaftigkeit des Betons und zugehörige Indikatortests 1. Karbonatisierung 2. Einwirkungen von Chloriden 3. Alkali-Kieselsäure-Reaktion 4. Einwirkung von Säuren 3. Zusammenfassung

3 1. Nachweisreaktionen bzw. Indikatoren Farbindikator-Schnelltests Nachweisreaktionen Die Nachweisreaktion ist eine chemische Reaktion, die das Vorhandensein eines Analyten anzeigt Von zentraler Bedeutung ist dabei neben diversen Messmethoden vor allem die Sinneswahrnehmung Nachweis von Ionen Redox-Reaktionen Säure-Base-Reaktionen Komplexbildungsreaktionen Fällungsreaktionen Nachweis von Säuren und Basen Indikatoren

4 1. Nachweisreaktionen bzw. Indikatoren Farbindikator-Schnelltests Indikatoren Indikatoren sind Hilfsmittel, die gewisse Informationen anzeigen sollen Ein Indikator dient zur Überwachung einer chemischen Reaktion bzw. eines Zustandes Häufig wird ein Zustand durch eine bestimmte Farbe, die Änderung durch eine Farbveränderung angezeigt. Dieser Vorgang ist meist reversibel. ph-indikatoren Redox-Indikatoren Komplexindikatoren Thermoindikatoren

5 2. Einwirkungen auf die Dauerhaftigkeit des Betons Farbindikator-Schnelltests Karbonatisierung Sulfatangriff Frost-Tau-Wechsel Luftschadstoffe Chloride Chemische Stoffe Biogene Schwefelsäure -Korrosion Alkali-Kieselsäure- Reaktion

6 2.1 Karbonatisierung Farbindikator-Schnelltests Karbonatisierung Die Reaktion der Zementsteinphasen mit Kohlendioxid nennt man Karbonatisierung Die Zementsteinphasen wandeln sich dabei in ein Karbonat und weitere Reaktionsprodukte um und führen zu einer Veränderung des Zementsteingefüges und einer Absenkung des ph-wertes der Porenlösung Ca(OH) 2 + CO 2 + H 2 O CaCO H 2 O Positiv: Zunahme der Dichtigkeit (Volumenzunahme +11%) Erhöhung der Betonfestigkeit um % Negativ: Senkung des ph-wertes und damit Gefahr der Stahlkorrosion Infolge der Korrosionsprodukte des Stahles Betonabplatzungen

7 2.1 Karbonatisierung Farbindikator-Schnelltests Karbonatisierung - Schnelltests Ca(OH) 2 + CO 2 + H 2 O CaCO H 2 O sauer alkalisch CaCO 3 Ca(OH) 2 Stahlkorrosion tritt ein: Bei Vorhandensein eines Elektrolyten (Wasser) Aufheben der Passivierung durch geringeren ph-wert Vordringen von Sauerstoff bis zum Stahl evtl. Vorhandensein von Chloriden Keine Korrosion tritt auf: In Wasser oder sehr feuchter Umgebung Bei großer Trockenheit (bei trockenen Innenräumen)

8 2.1 Karbonatisierung Farbindikator-Schnelltests Karbonatisierung Beispiele:

9 2.2 Einwirkung von Chloriden Farbindikator-Schnelltests Einwirkung von Chloriden Chloride können den Beton schädigen und die Bewehrung im Stahlbeton angreifen Chloride führen bei unbewehrtem Beton zu Auslaugungen (Ammoniumchlorid). Bei der Bewehrung rufen sie Lochfraßkorrosion hervor (örtl. Depassivierung) Natürliche Einwirkungen: - Geringe Eigenchloridanteile - Meerwasser Künstliche Einwirkungen -Tausalze - Chlorwasserstoffhaltige Brandgase

10 2.2 Einwirkung von Chloriden Farbindikator-Schnelltests Einwirkung von Chloriden Chloride liegen im Beton in zwei Formen vor: - gebunden, in den Hydratphasen des Zementsteins - gelöst, in der Porenlösung (freie Chloridionen Korrosionsgefahr) Gebundene Chloride können durch Karbonatisierung zersetzt werden, deshalb gilt ein kritischer Schwellenwert des Gesamtchloridgehalts von 0,4 M.-% bezogen auf den Zementgehalt (0,2 M.-% bei Spannbeton) Mit abnehmender Alkalitätist die Korrosionswahrscheinlichkeit höher, deshalb tritt nach neueren Untersuchungen bei höheren ph-werten (>11,5) Korrosion erst ab einem Gesamtchloridgehalt von 0,6-1,0 M.-% auf. Da zur Beurteilung Gesamtchloridgehalte bestimmt werden müssen, erfolgt deshalb eine quantitative chemische Analyse ( Bohrmehlproben nach DAfStb) Ermittlung der Eindringtiefe mittels Indikatorverfahren

11 2.2 Einwirkung von Chloriden Farbindikator-Schnelltests Einwirkung von Chloriden - Schnelltests UV-Verfahren nach SCHÖPPEL - Besprühen einer Betonbruchfläche mit neutraler Silbernitrat-Lösung - UV-Licht zersetzt Silberchlorid zu Chlor und freiem kolloidalem Silber - Chloridverteilung zeichnet sich blaugrau ab Chromat-Verfahren nach LOCHER und SPRUNG - Ähnlich UV-Verfahren, jedoch noch Kaliumchromat aufsprühen - nur für Betone, die salzsäurehaltigen Dämpfen ausgesetzt waren Verfahren nach COLLEPARDI - Besprühen mit Fluorescin-Lösung - Trocknen, danach mit Silbernitrat-Lösung besprühen ( rosa) - Bereiche ohne freie Chloridionen färben sich dunkler -Verfärbung tritt erst nach ca. 1 Tag auf

12 2.2 Einwirkung von Chloriden Farbindikator-Schnelltests Einwirkung von Chloriden Beispiele:

13 2.3 Alkali-Kieselsäure-Reaktion Farbindikator-Schnelltests Alkali-Kieselsäure-Reaktion AKR ist die chemische Reaktion zwischen Kieselsäure (SiO 2 ) aus den Betonzuschlägen und Alkalihydroxid (NaOH, KOH) aus der Porenlösung des erhärteten Betons bzw. aus äußerem Eintrag Das dabei entstehende Alkali-Silikat-Gel wirkt durch Volumenvergrößerung infolge Wasseraufnahme treibend und kann zu Betonschäden führen

14 2.3 Alkali-Kieselsäure-Reaktion Farbindikator-Schnelltests Alkali-Kieselsäure-Reaktion Innere Alkaliquellen: -Zement - Zusatzstoffe - Zusatzmittel -Wasser -Zuschläge, die verwitterten Feldspat enthalten Äußere Alkaliquellen -Tausalze - Meerwasser Kieselsäurequellen (reaktive Zuschläge): - Opalsandstein -Flint -Grauwacke - Kieselschiefer - Quarzporphyr -Ryolithe -Quarze -Stressquarz in anderen Gesteinen Stark alkalisch (ph 13,9) K 2 SO 4 + Ca(OH) 2 CaSO KOH 2 NaOH + SiO 2 + nh 2 O Na 2 SiO 3 nh 2 O Alkalien werden bei weiterer Feuchte wieder frei

15 2.3 Alkali-Kieselsäure-Reaktion Farbindikator-Schnelltests Alkali-Kieselsäure-Reaktion - Schnelltests Nach Natesaiyer/Hover: -15 min Eintauchen in 19%-Uranylacetat-Lösung - Anschließend mit Wasser abwaschen --> AKR-Gel erscheint im UV-Licht grün Nach Guthrie/Carey: -Eintauchen in gesättigte Natriumhexanitrocobaltat-Lösung, - Anschließend mit Wasser abwaschen --> alkalireiches Gel färbt sich gelb Nach Poole/McLachlan/Ellis: -72 h in Tetraminkupfersulfat-Lösung, - Anschließend mit Wasser abwaschen --> AKR-Gel färbt sich blau

16 2.4 Einwirkung von Säuren Farbindikator-Schnelltests Einwirkung von Säuren Säuren greifen den basischen Baustoff Beton an (lösender Angriff) Basen des Betons und angreifende Säuren reagieren i.d.r. zu löslichen Salzen und Wasser Auswaschung Beispiele für Säureangriffe: - Chemische Anlagen - Abwasseranlagen - Gärfuttersilos - Saurer Regen

17 2.4 Einwirkung von Säuren Farbindikator-Schnelltests Einwirkung von Säuren An der Oberfläche wird der Beton so stark geschädigt, dass er keine Festigkeit mehr aufweist (abreibbar) Die darunter befindliche Betonoberfläche besitzt geringe Festigkeiten, da im Zementstein bereits mikroskopisch kleine Schädigungen vorhanden sind Die Festigkeit nimmt mit abnehmender Eindringtiefe der H+-Ionen der Säure zu Fragestellung: Wie tief ist der Beton bereits vorgeschädigt und muss deshalb entfernt werden Der ph-wert des Betons nimmt nach außen hin ab. Die Einwirktiefe kann somit mit verschiedenen ph-wert- Indikatoren in Annäherung bestimmt werden ph 9,3 ph 8,2

18 3. Zusammenfassung Farbindikator-Schnelltests Zusammenfassung Mit Indikatortest sind schnell Aussagen zu Art oder Umfang des Betonschadens möglich Indikatortests unterstützen die analytisch ermittelten Ergebnisse (z.b. Eindringtiefe) Sie ermöglichen eine bessere Visualisierbarkeit (evtl. auch vor Ort) Ergebnisse von Indikatortests ermöglichen eine parallele Planung bis zur Vorlage der analytisch ermittelten Ergebnisse Sie verkürzen somit die Sanierungsphase z.t. beträchtlich

19 Literaturverzeichnis Farbindikator-Schnelltests Literaturhinweise / Quellen: [1] Stark, Wicht: Dauerhaftigkeit von Beton, Springer-Verlag 2013 [2] Guthrie, Carey: A simple environmentally friendly, and chemically specific method for the identification and evaluation of the alkali-silica reaction, Cement and Concrete Research Vielen Dank für Ihr Interesse.