3.2 Korrosion zementgebundener Baustoffe. Lösender Angriff. Lösender Angriff auf Beton u. a. zementgebundene

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1 3.2 Korrosion zementgebundener Baustoffe Lösender Angriff Lösender Angriff auf Beton u. a. zementgebundene Baustoffe durch Säuren kalklösende Kohlensäure austauschfähige Salze weiches Wasser Fette und Öle Oberflächliche Umwandlung und Abtrag von schwerlöslichen in leichtlösliche Verbindungen

2 Betonaggressivität von Wässern nach DIN 4030 Parameter Angriff schwach stark sehr stark Art ph-wert 6, 5-5,5 5, 5-4,5 < 4,5 L CO 2 in mg/l > 60 L NH + 4 in mg/l > 60 L Mg 2+ in mg/l > 1500 L, T SO 2-4 in mg/l > 3000 T L = lösender Angriff T = treibender Angriff

3 Angriff durch Säuren Starke Säuren (H 2 SO 4, HNO 3, HCl) lösen alle Hydratationsprodukte des Zementsteins auf 3 CaO 2 SiO 2 3 H 2 O + 6 HCl 3 CaCl SiO H 2 O CSH-Phase, schwer löslich leicht löslich in sauren Abwässern Bildung aus H 2 S durch Schwefelsäurebakterien in Abwasserrohren H 2 S + 2 O 2 2 H + + SO 4 2- in der Luft aus SO 2, NO x durch nitrifizierende Bakterien aus NH 3, NH 4 + oder (NH 2 ) 2 CO NH O 2 H + + NO H 2 O nitrifizierende Bakterien bis in 15 cm Tiefe des Sandsteins Auflösung des CaCO 3

4 Biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK) Anaerober Bereich - SOB 1), Sulfatreduktion in Gegenwart org. Stoffe Org. Stoffe + SO 4 2- S 2- + CO 2 + H 2 O H 2 SO 4 Wasserwechselzone Luft H 2 S Aerober Bereich - SRB 2), H 2 S-Oxidation in Gegenwart von Luftsauerstoff H 2 S + 2 O 2 2 H + + SO 4 2- bewirkt lösenden (0,5-10 mm/a) und treibenden Angriff Sielhaut 1) schwefeloxidierende Bakterien 2) sulfatreduzierende Bakterien SO 4 2-, R-SH c(o 2 ) < 0,1 mg/l HS - Sinkstoffe

5 Grubenwässer in Erz- und Braunkohlegebieten Aus den Grundgesteinen Pyrit und Markasit wird durch Verwitterung und mikrobielle Umsätze Säure freigesetzt. Die Seen weisen vielfach ph-werte zwischen 2,3 und 3,5 auf! FeS 2 + 3½ O 2 + H 2 O Fe H SO Fe 2+ + ½ O H 2 O 2 Fe(OH) H +

6 Schwache Säuren (Huminsäuren, Milchsäure, Fruchtsäure, Kohlensäure) greifen nur reine Calciumverbindungen an, z. B. CaCO 3 und Ca(OH) 2 in Böden (Huminsäuren in Humus, Torf, Braunkohle) HS H + M + HS M + H + in Moorwässern Molkereien, Lebensmittelindustrie

7 Magensaft Bodenreaktion und ph-werte verschiedener mitteleuropäischer Böden 1) Essig Tomatensaft Sauberer Regen Milch Reines Wasser Blut Backpulver Ammoniakwasser ph-wert sauer neutral basisch Saurer Regen Hochmoorboden Sumpfwiesenboden Mischwaldboden Flachmoorboden Wiesenboden Kalkartiger Boden 1) Enslinn, Krahn, Skupin, 2000

8 ph-wert-veränderung im Bodenwasser bei fortgesetztem Eintrag von Säure (Bliefert, 2002) ph-wert des Bodenwassers 8 6 Carbonat-Pufferbereich: CO 3 2- H + H + HCO - 3 ( CO 2 ) Tonminerale (T) im Austauscher-Pufferbereich: T O - M + + H + T O - H + + M + 4 Al-Pufferbereich: [Al 6 (OH) 15 ] H H 2 O 6 [Al(H 2 O) 6 ] 3+ M + = Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ 2 Fe-Pufferbereich: FeOOH + 3 H H 2 O [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ gesamte Säure im Boden

9 Säurefeste Fußböden Fußbodenbeschichtung, Stoffauswahl entsprechend Beanspruchung Epoxidharz Vinylesterharz keramische Platten, Problem Fugenmörtel Furanharzkitte Keine Verwendung von zementhaltigem Fugenmörtel Mörtel auf Basis Kaliwasserglas als Bindemittel (Füllstoff Quarz, Steinkohlenflugasche, enthält amorphes SiO 2 u. a. Oxide) K 2 [SiO 3 ] aq + CO 2 [SiO 2 ] aq + K 2 CO 3 Reinigung mit Heißwasser und Industriereiniger (ph-wert beachten!) Empfindlichkeit gegen Reinigungsmittel und Alkalien!

10 Angriff von kalklösender Kohlensäure 1) Gefügelockerung und Zerstörung durch CaCO 3 -Entzug 1) Henning, Knöfel, 2002

11 Angriff von überschüssiger, freier Kohlensäure Kalk - Kohlensäure Gleichgewicht CO 2 (aq) + H 2 O + CaCO 3 (s) Ca HCO 3 - Gesamtkohlensäure gebundene Kohlensäure CO 3 2-, HCO 3 - freie Kohlensäure CO 2, H 2 CO 3 zugehörige freie, stabi- lisierende Kohlensäure überschüssige freie Kohlensäure Je höher die Wasserhärte, um so mehr zugehörige, freie (stabilisierende) Kohlensäure ist erforderlich, um das Hydrogencarbonat in Lösung zu halten. In hartem Wasser wirkt erst ein höherer Gehalt an freier Kohlensäure schädigend als in weichem Wasser.

12 Zusammenhang zwischen überschüssiger und stabilisierender Kohlensäure 1) Kalk - Kohlensäure Gleichgewicht CO 2 (aq) + H 2 O + CaCO 3 (s) Ca HCO 3-1) Henning, Knöfel, 2002

13 Verhinderung der Schutzschichtbildung Ausbildung von Kalk-Rost-Schutzschichten (FeCO 3, Fe 2 O 3, CaCO 3 ) nur in sauerstoffhaltigen, nicht zu weichen, fließenden Wässern (Wasserleitungsrohren).

14 Austauschfähige Salze Mg 2+, NH 4 + Ca 2+ 2 NH 4 Cl + CaCO 3 (NH 4 ) 2 CO 3 + CaCl 2 löslich löslich Fette und Öle Fett + Ca(OH) 2 Ca-Seife + Glycerin H 2 C O(O)C R 1 H 2 C OH HC O(O)C R 2 HC OH H 2 C O(O)C R 3 H 2 C OH

15 Verseifung von Fetten H 2 C O(O)C R 1 H 2 C OH 2 HC O(O)C + 3 Ca(OH) 2 HC R 2 OH + 3 Ca(OOC R n ) 2 H 2 C O(O)C R 3 H 2 C OH Ca-Seife

16 Treibender Angriff Prinzip der Rissbildung durch schädliche Treiberscheinungen: Eindringen von Stoffen in erhärteten Beton Chemische Reaktion mit vorliegenden festen Ausgangsstoffen (Mineralphasen) Volumen der Neubildung > Volumen der Ausgangsstoffes Entstehende Spannungen > Festigkeit des Betons Wichtige Treibreaktionen gelöste Sulfate + CAH Sulfattreiben Wasser + CaO Kalktreiben Wasser + MgO Magnesiatreiben Wasser + Alkalien des Zementes Opal, Flint, Grauwacke Alkalitreiben (AKR)

17 Sulfattreiben 1) 3 CaO Al 2 O (CaSO 4 2 H 2 O) + 26 H 2 O 3 CaO Al 2 O 3 3 CaSO 4 32 H 2 O sekundärer Ettringit 1) nach Henning, Knöfel, 2002

18 Kalk- und Magnesiatreiben 1) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 MgO + H 2 O Mg(OH) 2 1) nach Henning, Knöfel, 2002

19 Alkalitreiben 1) (Alkali-Kieselsäure-Reaktion, AKR) H 2 O 1) nach Henning, Knöfel, 2002 Alkaliempfindlicher Zuschlag Einsatz von NA-Zement CEM I mit 0,6 % Na 2 O-Äquivalent, CEM III mit höherem Na 2 O - Äquivalent, fein aufgemahlen

20 H 2 O H 2 [SiO 3 ] n + 2 NaOH Na 2 [SiO 3 ] n + 2 H 2 O Alkaliempfindliche Zuschläge enthalten amorphe Kieselsäure Flinte, Opalsandstein, präkambrische Grauwacke, gebrochener Quarzporphyr

21 Auch Alkalisalze können zum Alkalitreiben führen, da sie sich mit Ca(OH) 2 zu Alkalihydroxiden umsetzen, z. B.: Na 2 SO 4 + Ca(OH) 2 2 NaOH + CaSO 4

22 DAfStb-Richtlinie "Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton" - Alkali-Richtlinie Umwelteinflüsse Feuchtigkeitsklassen (Angriffsgrad) Feuchtigkeitsklasse Abkürzung Beispiele trocken feucht feucht + Alkalizufuhr von außen feucht + Alkalizufuhr von außen + starke dynam. Beanspruchung WO Innenbauteile Hochbau, Bauteile ohne Einwirkung von Niederschlag, Oberflächenwasser, Bodenfeuchte, keine ständige Einwirkung einer rel. LF > 80 % WF Ungeschützte Außenbauteile Innenbauteile, auf die Luft einer rel. LF > 80 % einwirkt Bauteile mit häufiger Taupunktunterschreitung, massige Bauteile, deren kleinstes Maß > 0,50 m ist WA Bauteile mit Meerwassereinwirkung Bauteile mit Tausalzeinwirkung ohne zusätzl. hohe dynam. Beanspruchung Bauteile (Industrie, Landwirtsch.) mit Alkalisalzeinwirkung WS Bauteile unter Tausalzeinwirkung mit zusätzlicher hoher dynam. Beanspruchung (z. B. Betonfahrbahnen)

23 Gesteinskörnung Alkaliempfindlichkeitsklassen Klasse Gesteinskörnungen Einstufung hinsichtlich AKR E I-O E II-O E III-O E I-OF E II-OF E III-OF E I-S E III-S Opalsandstein (einschließlich Kieselkreide) Opalsandstein (einschließlich Kieselkreide) und Flint gebrochene Grauwacke, gebrochener Quarzporphyr, gebrochener Oberrheinkies u. a. Körnungen unbedenklich bedingt brauchbar bedenklich unbedenklich bedingt brauchbar bedenklich unbedenklich bedenklich

24 Vorbeugende Maßnahmen Beton mit z 330 kg/m 3 Alkaliempfindlichkeitsklasse Feuchtigkeitsklasse WO WF WA WS E I-O keine keine keine Zemente mit begrenztem Alkaligehalt E II-O keine keine NA-Zement Austausch der Gesteinskörnung E III-O keine NA-Zement Austausch der Gesteinskörnung Austausch der Gesteinskörnung

25 Beton mit z 330 kg/m 3 Alkaliempfindlichkeitsklasse Feuchtigkeitsklasse WO WF WA WS E I-OF keine keine keine Zemente mit begrenztem Alkaligehalt E II-OF keine NA-Zement NA-Zement Austausch der Gesteinskörnung E III-OF keine NA-Zement Austausch der Gesteinskörnung Austausch der Gesteinskörnung

26 Alkalireaktionen mit dolomithaltigem Zuschlag CaMg(CO 3 ) NaOH CaCO 3 + Na 2 CO 3 + Mg(OH) 2