Schäden durch Korrosion der Bewehrung Einleitung

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1 Schäden durch Korrosion der Bewehrung Einleitung Die Korrosion der Bewehrung in Stahlbeton und aller korrodierbaren, metallischen Einbauteile tritt nur unter bestimmten Randbedingungen auf. Sie kann durch die geeignete Dicke und Qualität des Überdeckungsbetons während der geplanten Nutzungsdauer verhindert werden. Es können aber auch Bewehrungsstähle mit erhöhtem Korrosionswiderstand eingesetzt werden, wenn besonders hohe Anforderungen erfüllt werden müssen (siehe Korrosionsschutz). Erscheinungsformen Betonoberfläche Je nach Ausmass wird die Bewehrungskorrosion in Form von Rostfahnen auf der Betonoberfläche oder durch Abplatzungen des Überdeckungsbetons sichtbar (Abb ). Rostfahnen auf der Bauteiloberfläche sind das erste sichtbare Zeichen. Durch die Bildung von Rost (Eisenhydroxid) vergrössert sich das Volumen des Stahls um das 2.3-fache. Der dabei entstehende Druck führt zur Bildung von Rissen im Überdeckungsbeton und in fortgeschrittenem Stadium zu Abplatzungen über den korrodierenden Bewehrungsstäben.

2 Abb : An der Betonoberfläche sichtbare Korrosionsschäden eines Stahlbetonbauteils: Rostfahne (links), Betonabplatzung über der korrodierenden Bewehrung (rechts). Bewehrung Die Bewehrung erleidet durch die Korrosion einen Querschnittsverlust. Dieser hat einen direkten Einfluss auf die Tragsicherheit des Bauteils. Es wird zwischen einem flächigen Abtrag durch Korrosion infolge Karbonatisierung und punktuellem Lochfrass durch chloridinduzierte Korrosion unterschieden. Die Querschnittsschwächung durch Lochfrass ist in der Regel wesentlich stärker ausgeprägt und damit kritischer (Abb ). Während die flächige Bewehrungskorrosion durch Abplatzungen des Überdeckungsbetons sichtbar wird, findet Lochfrasskorrosion häufig unbemerkt und ohne an der Oberfläche sichtbare Zeichen statt.

3 Abb : Korrosionsschäden der Bewehrung: gleichmässiger Korrosionsabtrag des Bewehrungsstahls durch Karbonatisierung (oben), lokaler Korrosionsabtrag (Lochfrass) durch Chloride, nur sichtbar nach dem Freilegen der Bewehrung (unten).

4 Entstehung und Vermeidung Bewehrungsstahl ist im alkalischen, unkarbonatisierten und chloridfreien Beton dauerhaft vor Korrosion geschützt. Dieser Schutz ist in erster Linie auf die hohe Alkalität der Porenlösung des Zementsteins zurückzuführen, deren ph-wert je nach Art und Menge des verwendeten Zementes und ggf. verwendeter Zusatzstoffe (z. B. Flugasche, Silikastaub) zwischen 12.5 und 13.5 liegt. Auf der Stahloberfläche bildet sich bei hohen ph-werten und in Anwesenheit von Sauerstoff eine wenige Nanometer dicke, beständige Eisenoxidschicht (Passivschicht, Passivierung des Stahls), welche die Korrosion des Stahls verhindert. Der Korrosionsschutz beruht im Wesentlichen nicht auf der Dicke, sondern auf der Dichte, Porenfreiheit und Haftung der Passivschicht. Die schützende Passivschicht auf der Stahloberfläche kann durch zwei Vorgänge zerstört werden, welche massgebend von der Dicke und der Qualität des Überdeckungsbetons sowie von den Umgebungsbedingungen beeinflusst werden: Als Folge der Karbonatisierung sinkt die Alkalität der Porenlösung des Zementsteins auf einen ph-wert < 10 und verursacht eine flächige Depassivierung der Stahloberfläche Es tritt ein kritischer Chloridgehalt in der Porenlösung des Betons auf, infolge des Eindringens von Tausalzen, Meerwasser etc.. Die Chloride durchdringen die Passivschicht an einzelnen Stellen und führen zu einer lokalen Depassivierung der Stahloberfläche Die Bewehrungskorrosion setzt ein, wenn drei Bedingungen erfüllt sind: Zerstörung der Passivschicht des Bewehrungsstahls (Depassivierung) Verfügbarkeit von Feuchtigkeit (elektrische Leitfähigkeit des Betons) Verfügbarkeit von Sauerstoff Bei ständig wassergesättigten oder ständig trockenen Bauteilen ist das Risiko der Bewehrungskorrosion gering, da entweder kein Sauerstoff oder keine Feuchtigkeit vorhanden sind. Regelmässige Feuchtigkeitswechsel dagegen erhöhen das Korrosionsrisiko. Das Vordringen von Kohlendioxid (CO2), Chloriden (Cl ), Wasser (H2O) und Sauerstoff (O2) bis zur Bewehrung wird durch Risse ab einer Rissbreite von ca mm begünstigt. Risse sind jedoch nicht zwingend Voraussetzung für das Auftreten von Bewehrungskorrosion. Die Korrosionsvorgänge von metallischen Werkstoffen sind elektrochemische Prozesse, die aus einer anodischen Teilreaktion (Oxidationsprozess) und einer

5 kathodischen Teilreaktion (Reduktionsprozess) zusammengesetzt sind. Diese beiden Reaktionen laufen gleichzeitig und mit gleicher Geschwindigkeit (Stromdichte) auf der Stahloberfläche ab. Bei der Bewehrungskorrosion entstehen aktiv korrodierte Bereiche neben passiven Zonen und bilden zusammen ein sogenanntes Korrosionselement. Vergleichbar mit einer kurzgeschlossenen Batterie liegen dabei die Anode (oxidierender Bereich) und die Kathode (reduzierender Bereich) nebeneinander und sind aufgrund der Betonfeuchtigkeit elektrisch leitend miteinander verbunden (Abb ). Es findet ein Stromfluss statt und damit einhergehend der Materialabtrag des Bewehrungsstahls (Rost) an der Anode. Sind Anode und Kathode mikroskopisch klein und liegen nah beieinander, wird von einem Mikroelement gesprochen. Dies führt zu einem flächigen, gleichmässigen Stahlabtrag und ist typisch für Korrosion infolge Karbonatisierung (Abb a). Liegen Anode und Kathode örtlich weiter voneinander entfernt und haben grössere Abmessungen wird von einem Makroelement gesprochen. Makroelemente treten in der Regel bei chloridinduzierter Korrosion, die zu Lochfrass führt, auf (Abb b). Neben der Bildung von Rost entsteht bei der kathodischen Teilreaktion Wasserstoff, welcher in den Bewehrungsstahl eindringt und zu einer Versprödung des Stahls führen kann. Begünstigt wird dieser Vorgang durch das Vorhandensein einer grossen Stahlzugspannung, wie er vor allem bei hochfestem Spannstählen vorliegt. Es wird dann von der sogenannten wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion gesprochen. Spannungsrisskorrosion entsteht, wenn der Baustoff eine hohe Zugspannung aufweist und gleichzeitig ein Korrosionsangriff erfolgt. Sie ist besonders kritisch, da das Versagen der korrosionsgeschwächten Bewehrung in der Regel schlagartig ohne Vorankündigung eintritt. In einem gerissenen Beton können Chloride leichter eindringen und der Beton karbonatisiert lokal schneller im Rissbereich. Dadurch werden die oben beschriebenen Vorgänge intensiviert (Abb ). Der Korrosionsstrom ist umso stärker, je grösser der Potentialunterschied zwischen Anode und Kathode ist. Der durch die Stahloberfläche fliessende anodische Teilstrom ist dabei ein Mass für die Intensität der Korrosion. Er kann durch Potentialmessungen quantitativ bestimmt werden. Potentialmessungen sind immer durch Sondieröffnungen

6 und die Bestimmung der Karbonatisierungstiefe und des Chloridgehalts zu überprüfen und zu kalibrieren. Abb a): Korrosion aufgrund von Karbonatisierung im ungerissenen Beton, Anode und Kathode liegen dicht beieinander (Mikroelement), flächige Korrosion. Abb a): Korrosion aufgrund von Karbonatisierung im gerissenen Beton: im Riss schreitet die

7 Karbonatisierung schneller voran, Anode und Kathoden liegen im Rissbereich dicht beieinander (Mikroelement). Abb b): Korrosion aufgrund von Chloriden im ungerissenen Beton: Anode und Kathode liegen weiter entfernt (Makroelement), Lochfrass. Abb b): Korrosion aufgrund von Chloriden im gerissenen Beton: die Anode liegt im Rissbereich, die

8 Kathode liegt weiter entfernt im ungerissenen Beton (Makroelement), Lochfrass. Vorbeugende Massnahmen und Grundprinzipien für die Instandsetzung Der Korrosionsschutz der Bewehrung ist wesentlich für die Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauten. Im Neubau wird er über die Dicke und Qualität des Überdeckungsbetons (Widerstand gegen das Eindringen von CO2 und Chloriden) sichergestellt (siehe Korrosionsschutz). Bei bestehenden Bauten kann die Wiederherstellung des Korrosionsschutzes mit unterschiedlichen Methoden erreicht werden. Ziel aller Massnahmen ist es, Korrosion zu vermeiden, indem entweder die anodische oder die kathodische Teilreaktion unterbunden wird. Dabei werden die folgenden Grundprinzipien für den Korrosionsschutz der Bewehrung angewendet. Repassivierung des Bewehrungsstahls Durch das Einbetten des Bewehrungsstahls in einen zementgebundenen Instandsetzungsmörtel oder -beton wird der ph-wert wieder angehoben, so dass sich erneut eine Passivschicht auf der Stahloberfläche (Repassivierung) bildet. Beschichtung der Stahloberfläche Durch das Aufbringen einer geeigneten Beschichtung, z. B. eines Korrosionsschutzanstrichs auf Epoxidharzbasis, wird die anodische Eisenauflösung verhindert. Die elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche des Bewehrungsstahls wird aufgehoben, so dass kein Korrosionselement mehr entstehen kann. Kathodischer Korrosionsschutz (KKS) Durch gezielte Beaufschlagung der Bewehrung mit Fremdstrom und/oder die Anordnung von sogenannten Opfer- oder Inertanoden wird erreicht, dass die gesamte Bewehrung kathodisch wirkt und damit die Korrosion der Bewehrung verhindert wird. Die Korrosion findet ausschliesslich an der Opferanode statt. Inhibitoren Inhibitoren sind organische und anorganische Verbindungen, die bei ausreichender Konzentration die Korrosion von Stahl im Beton verhindern, verlangsamen oder zum Stillstand bringen. Sie können dem zementgebundenen Instandsetzungsmörtel oder -beton zugegeben werden oder auf den bereits erhärteten Festbeton

9 nachträglich appliziert werden. Je nach Art sind Inhibitoren kathodisch und/oder anodisch wirksam. Absenkung des Wassergehaltes Durch die Absenkung des Wassergehaltes des Betons wird die elektrische Leitfähigkeit und damit der Ionenfluss so stark reduziert, dass die Korrosionsgeschwindigkeit auf praktisch vernachlässigbare Werte sinkt. Eine Hydrophobierung der Betonoberfläche verhindert z. B. das Eindringen von Wasser und Chloriden bei gleichzeitiger Austrocknung des Betons (siehe Sichtbeton).