x1 Teil 9 Korrosionsschutz, Analyse bestehender Stahlbauten 9. Einleitung In diesem Abschnitt des Scriptes werden wichtige Verfahren Vorgehensweisen bei der Beurteilung bestehender Bauten behandelt. Für eine Vielzahl von Details wird auch hier auf die umfangreiche Beispielsammlung (Anhang 2 zum Script) verwiesen, die wesentlich durch die Mitarbeit der Studierenden der HTW entstanden ist. Insofern werden hier nur einige wichtige Punkte zusammengestellt. Den Ausführungen wird eine zusammenfassende Übersicht über die Vorgänge bei der Korrosion von Metallen Stahl vorangestellt, gefolgt von einer Darstellung wichtiger Maßnahmen zum Korrosionsschutz Analyseverfahren zur Beurteilung bestehender Konstruktionen aus Stahl. Diese werden in zerstörungsfreie zerstörende Verfahren unterteilt. Vorrangig sollen zerstörungsfreie Verfahren zum Einsatz kommen. 9.1 Zur Korrosion von Metallen Stahl zusammenfassende Übersicht Der Begriff Korrosion (lat. corrodere = zernagen, zerfressen) bezeichnet die chemische oder elektrochemische Reaktion eines Metalls mit seiner Umgebung (Luft,, anderes Metall). Bild 91 zeigt ein typisches Beispiel für die Korrosion von Baustahl. Bild 91: Korrosion am Auflager eines Gewölbeträgers aus ungeschütztem Stahl im Keller eines Mehrzweckgebäudes Es ist festzustellen, dass ungeschützter Baustahl in feuchter Umgebung zwangsläufig der Korrosion ausgesetzt ist. Aus volkswirtschaftlicher Sicht ist der Schutz vor Korrosion eine wichtige Aufgabe der Bauschaffenden. Dazu MÜSSEN die Bauingenieure beitragen.
x2 Korrosion ist mit stigkeitsverlust der Metalle Substanzverlust (Querschnittsminderung) verben. Hinzu kommt die unangenehme Tatsache, dass die Korrosionsprodukte meist ein (deutlich) höheres Volumen aufweisen, als das Metall oder die Legierung. Dadurch kann es zu Folgeschäden kommen, wenn beispielsweise bei Spaltkorrosion Niete absprengt oder angrenzende Bauteile in Mitleidenschaft gezogen werden. Bild 92 zeigt ein Beispiel für einen abgesprengten Niet an einer denkmalgeschützten Konstruktion. Bild 9.2: abgesprengter Niet an einem Denkmal, beim Absprengen können herab fallende Teile sogar Leib Leben gefährden Korrosion betrifft grsätzlich alle Metalle. Sie kann vollständig oder unvollständig sein. Vollständige Korrosion führt oft zu einer Patina an der Metalloberfläche (Deckschicht = Schutzschicht) die verhindert, dass korrosive Medien bis an das verbleibende Metall vordringen können. Damit kommt die Korrosion zum Stillstand es sind keine Schutzmaßnahmen mehr erforderlich. Ein typisches Beispiel für derartige Schutzschichten sind die grünlich schimmernde Kupferdächer. Ursache dafür ist der Grünspan, dem Korrosionsprodukt von Kupfer an der Luft. Bei unvollständiger Korrosion finden nach der Auflösung des Metalls unterschiedliche Reaktionen statt. Die Korrosionsprodukte werden weiter umgewandelt es kann sich keine Schutzschicht ausbilden. Das ist bei üblichem Baustahl (leider) der Fall. Korrosive Medien tragen die Stoffe, die zur Korrosion führen bis an die Metalle heran. Oft enthalten sie diese Stoffe auch direkt. Das können Wasser, Säuren, Basen, Salze oder Gase sein. Im Gre kommt jeder Stoff, der mit dem Metall ungewollt in Kontakt tritt als korrosives Medium in Frage. Es ist folglich notwendig, sich mit den chemischen Vorgängen bei der Korrosion auseinanderzusetzen. Nur so kann man Korrosion wirksam dauerhaft verhindern.
x3 Die Begriffe Rost rosten werden ausschließlich im Zusammenhang mit Stahl gebraucht. Dabei werden durch Schwingungen, Bauwerksbewegungen, fortschreitende Korrosion, Temperaturschwankungen sowie FrostTauwechsel Spüleffekte (Regen) die Korrosionsprodukte vom Stahl mechanisch abgetragen. Daher wird oft NICHT wahrgenommen, dass die Summe aller Korrosionsprodukte bei Stahl bis zum Neunfachen des Ausgangsvolumens annehmen kann. 9.1.1 Einteilung Übersicht zur Korrosion von Metallen (hauptsächlich Stahl) Es wird grsätzlich unterschieden zwischen: chemischer Korrosion elektrochemischer Korrosion Mit chemischer Korrosion wird die direkte Metallauflösung durch die umgebenden Stoffe bezeichnet. uchtigkeit ist dabei nicht nötig. Dagegen sind häufig hohe Temperaturen erforderlich, wie sie zum Beispiel bei der Wärmebehandlung von Stahl oder beim Schweißen entstehen. Die Stoffe können bereits im Metall vorhanden sein, etwa in den Seigerungszonen, an den Korngrenzen oder als eingelagerte Fremdionen in den Kristallen selbst. Sie können aber auch von außen injiziert werden. Dafür kommen Ausscheidungen von Lebewesen, Schmutz, Bewuchs oder vergleichbare Einflüsse in Frage. Die elektrochemische Korrosion ist stets an das Vorhandensein eines (elektrisch leitenden) en geben. Dieser kann entsprechend der phwerte sauer, neutral oder basisch reagieren. Das beeinflusst die ablaufenden chemischen Reaktionen, die aber stets mit der Auflösung des Metalls beginnen. In der Praxis sind beide Korrosionsarten selten klar zu trennen. Es gibt entsprechend Vermischungen fließende Übergänge. Daher sind weitere Unterscheidungsmerkmale für die Korrosionsvorgänge zu beschreiben. Häufige Varianten chemischer Korrosion sind: mikrobiologisch induzierte Korrosion (meist durch Säuren am Metall) Korngrenzenkorrosion Interkristalline Korrosion. Auf der folgenden Seite sind im Bild 93 diese drei Korrosionsformen skizziert. Dabei beginnt eine mikrobiologisch induzierte Korrosion infolge Säuren in Stoffwechselendprodukten von Mikrobien, Bakterien, Pilzen oder Algen (also auch bei Bewuchs einer Konstruktion) an der Metalloberfläche zwar dort, wo sie ungeschützt ist. Der Begriff induziert meint, dass oft ein automatisches Fortschreiten der Korrosion erfolgt zwar zunächst an den Korngrenzen, die sich beim Erstarren der Schmelze bei der Stahlherstellung ergeben haben. Das führt zur Korngrenzenkorrosion. Hier lagern sich beim Erstarren vermehrt Fremdatome Fremdionen (Sulfide, Phosphide, Schlackereste) im Kristallgitter an, die mit den eingetragenen Stoffen reagieren zum Fortschreiten weitere Atome aus der Struktur herauslösen. Das schreitet im ungünstigen Fall zur interkristallinen Korrosion fort. Dabei findet die Reaktion noch zwischen den Körnern bzw. an den Korngrenzen statt, aber
x4 die für die Reaktion benötigten Stoffe müssen aus den randnahen Bereichen der Körner gelöst werden. Dort fehlen diese dann destabilisieren das Kristallgefüge es kommt zum Kornzerfall. Bekannte Form in dieser Hinsicht ist die Chromverknappung in den Randbereichen der Körner bei bestimmten Edelstählen. Dadurch wird der Stahl nicht mehr passiviert in der Folge kann auch Eisen aus dem Verb gelöst werden. Säure a) M M b) Cr Cr c) Bild 93: chemische Korrosion, a) mikrobiologisch induzierte Korrosion, b) Korngrenzenkorrosion, c) Interkristalline Korrosion Eletrochemische Korrosion tritt in der Praxis wesentlich häufiger auf wird daher hier auch entsprechend intensiver behandelt. Sie ist geben an einen en, wobei beim ungeschützten Baustahl bereits eine Luftfeuchtigkeit von mehr als 70% elektrolytisch wirkt. isch bedeutet, dass ein Strom fließt, analog dem bekannten galvanischen Element (Batterie). Das Prinzip ist vielfach erläutert dargestellt. Der Minuspol ist dabei die Anode der Pluspol die Kathode.
x5 Das Metall wird stets an der Anode aufgelöst. Es ist unedler als die Kathode. Anode unedel = Auflösung (Autsch) Die dabei entstehenden freien Elektronen (Anode ist der Elektronendonator) wandern im Metall zur Kathode werden dort von anderen Verbindungen aufgenommen (Kathode ist der Elektronenakzeptor). Oft wird damit eine rasch fortschreitende Kettenreaktion ausgelöst. Kathode Elektronen = katastrophales Ergebnis für das Metall In den Bildern 94 bis 99 sind die wichtigsten Erscheinungsformen der elektrochemischen Korrosion zusammengestellt. Es wird wie folgt unterschieden: Kontaktkorrosion Lochkorrosion oder Lochfraß Muldenkorrosion Flächenkorrosion Spaltkorrosion Spannungsrisskorrosion Dabei stellt die Spannungsrisskorrosion einen Sonderfall dar. Sie tritt bei bestimmten Edelstählen auf, beginnt durch Mikrorisse an der Außenseite zugbeanspruchter Bauteile, die quer zur Spannungsrichtung verlaufen setzt sich ins Innere fort. Sie ist meistens an das Vorhandensein von Chloridionen geknüpft kann zum plötzlichen Versagen des Bauteils auf Zug führen. Hier gab es bereits Schadensfälle mit Todesopfern. keine bzw. unwirksame Schutzschicht Bild 94: Flächenkorrosion, gleichmäßiger Abtrag des Metalls auf einer größeren ungeschützten Fläche, links schematische Darstellung, rechts Beispiel in diesem Fall ist das Bauteil der Witterung ausgesetzt an der Ecke wurde der Schutzanstrich unwirksam (erodiert mechanisch abgetragen)
x6 Schutzschicht, schadhaft Bild 95: Muldenbildung, Die Zinkschutzschicht wurde in einem begrenzten Bereich beschädigt, der liegt an der Stahloberfläche an es entsteht eine Mulde, nahe der Zinkschicht wird zunächst die Zinkschutzschicht aufgelöst, in der Mitte bilden sich lokale Elemente an denen das Eisen aus dem Stahl gelöst wird, Muldenkorrosion ist nicht so tief, wie der Lochfraß Schutzschicht, punktuell schadhaft Bild 96: Lochfraß, hier initiiert durch den Fremdeintrag von glühenden Spänen, bei Nacharbeiten (Flexen), die Schutzschicht ist in einem sehr kleinen Bereich gestört, bei Edelstählen wird der Stahl in der Nähe der Späne passiviert kann ebenfalls rosten, Tiefe Geschwindigkeit der Korrosion werden durch phwert des en Fremdionen stark beeinflusst, besonders gefährlich sind hier Chloridionen, wegen der geringen Ausdehnung an der Oberfläche des Materials besteht bei Lochfraß die Gefahr der Unterschätzung des Ausmaßes der Schäden, im Beispiel handelt es sich um einen Bau nach 2jähriger Standzeit, die optische Beeinträchtigung ist bereits beträchtlich
x7 dringt ein Bild 97: Kontaktkorrosion, der verbindet Metalle unterschiedlicher Potenziale, es fließt ein Strom, bei dem das unedlere Metall aufgelöst wird, im Beispiel wurde ein ungeschütztes Gewinde einer druckschlaffen Verbandsdiagonale in ein (edleres) Gussteil (Spannschloss) geschraubt, die Korrosion des Gewindes begann noch während der Bauarbeiten, da die Kontaktfläche (s. Skizze) im Nachgang nicht mehr geschützt werden kann, ist hier die Dauerhaftigkeit eingeschränkt Spreng wirkung Bild 98: Spaltkorrosion, die Korrosion beginnt an den Kontaktflächen zweier verbener Bauteile (u.u. als Kontaktkorrosion) setzt sich nach innen fort, Kennzeichen der Spaltkorrosion ist die Sprengwirkung der Korrosionsprodukte, da diese hier nicht mechanisch abgetragen werden können (s. a. Bild 92), die Einhaltung maximaler Abstände der Verbindungsmittel ist u.a. dazu da, der Gefahr der Spaltkorrosion wirksam zu begegnen
x8 Zug Zug Spannungsriß Bild 99: Spannungsrisskorrosion (Sonderfall), die Spannungsrisskorrosion ist transkristallin (Gegensatz zu interkristallin!), sie ist an vorhandene Zugspannungen geben, die Risse treten senkrecht zum Verlauf der Spannungen auf wachsen von außen nach innen, im Beispiel der vorgespannten Schraube sind deutlich die korrodierten Bereiche (sehr rauhe unebene Oberfläche) die durch Zugspannungsüberschreitung geschädigte Fläche (oben rechts) zu unterscheiden Bedeutung für das Bauwesen hat im Wesentlichen die eletrochemische Korrosion. Daher werden im Folgenden die Vorgänge etwas ausführlicher beschrieben. 9.1.2 Korrosionselemente Spannungsreihe der Metalle Bild 910 zeigt drei häufige Korrosionselemente. Als Korrosionselement wird eine oft zeitlich lokal begrenzte Einheit verstanden, in der die chemischen Reaktionen zur Metallauflösung ablaufen können. Bedingungen für das Fließen eines elektrischen Stroms sind unterschiedliche Potenziale an Anode (Minuspol) Kathode (Pluspol). Diese können erreicht werden durch den Potenzialunterschied der beteiligten Metalle (Daniellelement), eine unterschiedliche Konzentration der Metalle an Anode Kathode (Konzentrationselement) oder einen Temperaturunterschied zwischen Anode Kathode (Temperaturelement). Konzentration u./o. Temperatur jeweils an der Anode höher als an der Kathode. V Zn V Cu Zn 2 Bild 910: c1 c2 2 V t1 t2 2 wichtige Korrosionselemente elektrochemischer Korrosion, links: DaniellElement, Mitte: Konzentrationselement, rechts: Temperaturelement
x9 Für das im Bild 910 links dargestellte Daniellelement gelten für Zink (Anode) Kupfer (Kathode) folgende Spannungspotenziale: Zn P = 0,763 V, Cu P = 0,337 V (91) Das unedlere Zink wird sich bei Anliegen eines en auflösen. Dabei sind zwei Reaktionen zu unterscheiden: Anodenreaktion Kathodenreaktion An der Anode findet die Metallauflösung (Anodenreaktion) dadurch statt, dass dem Metall negativ geladene Elektronen entzogen werden (Elektronendonator). Die Metallionen gehen im en in Lösung (wandern aus dem Kristallgitter ab). Die Elektronen werden durch das Metall zur Kathode geleitet, wo die Kathodenreaktion stattfindet. Dabei treten in Abhängigkeit vom phwert des en verschiedene Reaktionen auf, wobei die Elektronen von anderen beteiligten Stoffen aufgenommen werden (Elektronenakzeptor). Insbesondere bei der stlegung von Korrosionsschutzmaßnahmen für die Klärung der Frage wo sich Anode Kathode innerhalb der Korrosionselemente befinden, kann eine Spannungsreihe (Potenzialreihe) der Elemente aufgestellt werden. Für Zink Kupfer wurden die Potenziale in Gleichung 91 bereits angegeben. Eine etwas umfangreichere Übersicht ist mit Tabelle 91 gegeben. Dabei ist auch zu erkennen, dass Wasser, Wasserstoff Sauerstoff sowie die zugehörigen HydroxidIonen Potenziale haben, die vom phwert des en abhängen. Dementsprechend laufen unterschiedliche Kathodenreaktionen ab. Es erscheint logisch, dass ein geringes Potenzialgefälle langsame Reaktionen hervorruft. Daher ist es logisch, dass Zink für den Korrosionsschutz von Stahl besonders geeignet sein muss, weil sich Zink im Falle der Ausbildung von Korrosionselementen entsprechend langsam auflösen wird, der Korrosionsschutz folglich dauerhafter sein wird. Andererseits wird für den Anwendungsfall einer Batterie (galvanische Zelle) ein möglichst großes Potenzialgefälle angestrebt. Unter Beachtung ökonomischer Effekte Umweltbedingungen ist dafür die Kombination aus Kupfer Zink seit vielen Jahren dominierend. Die Verwendung geeigneter en (Batteriesäure) dient dabei der Steuerung der Kathodenreaktion, die von dessen phwert abhängt. Bei der Beurteilung der noch dargestellten chemischen Gleichungen ist zu beachten, dass diese nur einen kleinen Teil der ablaufenden Reaktionen darstellen können. In der Realität ist der Einfluss der Umweltbedingungen viel komplexer. Oft entstehen diffuse Gemenge an Korrosionsprodukten, die unterschiedlich gefärbt, unterschiedlich dick von sehr unterschiedlicher stigkeit sind. In jedem Fall ist Korrosion der Hauptfeind von Stahlbauteilen Stahltragwerken.
x10 Oxidierte Form Freie Elektronen Reduzierte Form Li e Li 3,045 Ca 2 Ca 2,866 Mg 2 Mg 2,363 Al 3 3e Al 1,662 2 H 2O H 2 OH Zn 2 Zn 0,763 0,440 H2 0,414 (ph 7) N i 2 Ni 0,250 Sn 0,136 Pb 0,126 H2 0,000 (ph 0) Cu 2 Cu 0,337 O2 2 H 2 O 4e 4 OH 2 2H Sn 2e 2 2e Pb 2 2H Ag 2e O2 4 H e Ag 4e 2 H 2O Hg2 Hg O2 4 H 4e 2 H 2O Au 3 3e Au Potenzial / Hinweis 0,828 (ph 14) 0,401 (ph 14) 0,799 0,815 (ph 7) 0,854 1,229 (ph 0) 1,498 Tabelle 91: Spannnungsreihe der Elemente (Auszug) Nachfolgend werden einige ausgewählte Korrosionselemente dargestellt die Reaktionen erläutert. Dabei werden folgende Unterscheidungen getroffen: Wasserstoffkorrosion Sauerstoffkorrosion in Abhängigkeit vom phwert des en. Weiter wird dargelegt: Auflösung von Eisen bei Überzug mit Zinn (Anwendungsfall Weißblech) Auflösung von Zink bei uerverzinken (Anwendungsfall Korrosionsschutz)