3 Anforderungen an Schutzsysteme und Grundsätze zur Wahl
4.3 Alterungs- und Schädi- Schädi-gungsmechanismen
4.3.1 Allgemeines
Die Aussage, dass Stahlbeton aus Beton und Stahl-bewehrung besteht, ist an sich trivial. Sie beinhal-tet aber, dass es sich dabei um eine Verbundbau-weise handelt, deren Dauerhaftigkeit von den Ei-genschaften der einzelnen Bestandteilen und von deren gegenseitigem Zusammenwirken abhängt.
Im weiteren darf nicht vergessen werden, dass auch der Beton selbst ein Verbundwerkstoff ist, der aus Zement, Zuschlagstoffen, Anmachwasser und Zusätzen (Zusatzmittel und Zusatzstoffe) besteht.
In Abschnitt 2.3 sind allgemeine Hinweise zur Alte-rung und Schädigung enthalten, wobei vor allem die Unterscheidung in äussere und innere Ein-flüsse oder Belastungen wichtig ist. Auf den Stahl-beton bezogen heisst dies, dass dessen Bestand-teile durch beide Arten altern oder Schaden erlei-den können. Als Verbundbauweise ist es zudem wichtig, dass die Bestandteile in mannigfaltiger Hinsicht untereinander verträglich sind. Für wei-tere Informationen in bezug auf Zusammenset-zung und Verhalten der Stahlbetonbestandteile sei auf die Fachliteratur verwiesen (z.B. in bezug auf Beton [4.8]).
Wenn nun im folgenden vor allem von der Schädi-gung der Bewehrung durch Korrosion die Rede ist, dann darum, weil Untersuchungen ge-zeigt haben, dass diese Art kostenmässig den weitaus grössten Anteil hat. Dabei dürfen die Schädigungsarten des Betons wie Frost, Frost-Tausalz, betonaggressive Wässer und Alkalireak-tionen natürlich nicht ausser acht gelassen wer-den. Deren Behandlung würde aber den Rahmen dieser Dokumentation sprengen und es muss auf entsprechende Fachliteratur verwiesen werden (z.B. [4.7]).
Das Thema Korrosion löst bei uns Bauingenieuren meistens ein Unbehagen aus; dies vor allem dar-um, weil wir in der Regel Mühe haben, uns mit den elektrochemischen Vorgängen, welche der Korro-sion zugrundeliegen, vertraut zu machen. Es ist aber trotzdem erforderlich, dass wir uns einige wichtige Grundlagen vor Augen halten. Im übrigen ist dazu auch für den Nichtkorrosionsspezialisten gut verständliche Literatur vorhanden [4.6, 4.7].
4.3.2 Korrosionsmechanismen und -risiken
Es ist eine der wesentlichen Voraussetzungen für das Funktionieren des Stahlbetons, dass der Be-tonstahl normalerweise durch den umgebenden Beton geschützt ist. Damit es nun trotzdem zur Korrosion kommt, braucht es drei Bedingungen (siehe Bild 4.9). Diese sind:
– ein Elektrolyt muss vorhanden sein
– die Wirkung der Passivschicht muss aufgeho-ben sein und
– Sauerstoff ist bis zum Stahl vorgedrungen
Elektrolytbildung, nach [4.7]:
Ist der Beton feucht, dann ist die erste der genann-ten Voraussetzungen erfüllt. Da Feuchtigkeit auch über Kondensation von Wasserdampf aus der Luft in den Beton gelangen kann (Kapillarkondensa-tion), muss zur Durchfeuchtung des Betons nicht unbedingt Wasser in flüssiger Form einwirken. Die Luftfeuchtigkeit von Innenräumen ist aber in der Regel zu gering, als dass sie genügend Feuchtig-keit für die Elektrolytbildung liefert. Im Freien da-gegen ist das Feuchtigkeitsangebot im allgemei-nen ausreichend, um eiallgemei-nen Elektrolyten im Beton entstehen zu lassen. Der Feuchtigkeitsgehalt des Betons selbst wird in Abhängigkeit von den Witte-rungsbedingungen schwanken.
Bild 4.9 Einwirkungen, welche die Bewehrungs-korrosion im Beton beeinflussen, aus [4.7]
Verlust der Passivierung, nach [4.7]:
Die Passivschicht auf der Stahloberfläche kann – aufgehoben werden durch Karbonatisierung
des Betons (Bild 4.10) oder
– durchbrochen werden durch die Anwesenheit von korrosionsfördernden Substanzen, z.B. von Chloriden (Bild 4.11).
Die im erstgenannten Fall mögliche Korrosion kann «Karbonatisierungskorrosion» genannt wer-den, während es sich im zweiten Fall um «Chlorid-korrosion» handelt, wenn man den auslösenden Faktor als Unterscheidungskriterium ansieht.
Bei der Karbonatisierung reagiert das CO2 der Luft mit dem Kalziumhydroxid des Betons zu Kalzium-karbonat. Dabei wird Wasser freigesetzt.
Als korrosionsfördernde Substanzen zählen neben den Chloriden auch Schwefelverbindungen, ins-besondere die Sulfate. Die Rolle der Chloride bei der Korrosion wird hier weiter behandelt, weil sie den grössten Anteil an den beobachteten Korro-sionsschäden am Stahl haben. Bezüglich der Be-deutung der Sulfate wird auf weiterführende Lite-ratur verwiesen, z.B. [4.8].
Bild 4.11 Chlorideindringtiefen in Abhängigkeit der Zeit, aus [4.3]
Bemerkung: Die im Diagramm gezeigten Resultate sind als Beispiel zu verstehen; in der Praxis können Abweichungen in beiden Richtungen sowohl bezüglich zeitlichem Verlauf, als auch bezüglich Karbonatisie-rungstiefe auftreten.
1) Diese Angabe bezieht sich auf den
%-Anteil der Chloride auf die Zement-masse
Bild 4.10 Karbonatisierungstiefe in Abhängigkeit der Zeit bei verschiedenen Bewitterungsver-hältnissen, aus [4.6]
direkt: dem Regen ausgesetzt indirekt: unter Dach
Bemerkung: Die im Diagramm gezeigten Resultate sind als Beispiel zu verstehen; in der Praxis können Abweichungen in beiden Richtungen sowohl bezüglich zeitlichem Verlauf, als auch bezüglich Karbonatisie-rungstiefe auftreten.
Sauerstoff, nach [4.7]:
Sauerstoff und Kohlendioxid verhalten sich in ih-rer Einwirkung unterschiedlich.
Da das Kohlendioxid beim Eindringen in den Beton gebunden wird, hängt die Eindringgeschwindig-keit der Karbonatisierungsfront auch vom Nach-schub ab. Beim Sauerstoff liegen diese
Vorausset-1)
zungen nicht vor. Seine Diffusionsgeschwindigkeit wird hauptsächlich von der Dichtigkeit und vom Feuchtigkeitsgehalt des Gefüges bestimmt. Des-halb kann Sauerstoff schneller als die Karbonati-sierungsfront bis zur Stahloberfläche vordringen, sei es im gasförmigen Zustand oder in Wasser gelöst. Messungen des Sauerstoffgehaltes im Be-reich der Stahloberfläche sind ausserordentlich schwierig. Massnahmen zur Verringerung des Sauerstoffgehaltes am Stahl, z.B. Beschichtung, sind erst dann von besonderem Interesse, wenn die Korrosion nicht durch die Beseitigung der an-deren Korrosionsparameter gestoppt werden kann.
Damit sich die Voraussetzungen für die Korrosion an der Stahloberfläche einstellen können, müssen das Wasser, der Sauerstoff und die Chloride bzw.
die Karbonatisierungsfront bis an den Stahl vorge-drungen sein. Jeweils günstige Eindringvoraus-setzungen werden jedoch bei unterschiedlichen Zuständen erreicht. So wird bei hohen Wasserge-halten das Eindringen von Sauerstoff und Kohlen-säure zunehmend gebremst, das der korrosions-fördernden Substanzen, wie Cl+, jedoch geför-dert. Bei geringen Wassergehalten kann Sauer-stoff leichter vordringen, jedoch wird dann die Karbonatisierungsreaktion gehemmt, da sie Feuchtigkeit benötigt. Bei Wassergehalten, die sich bei relativen Luftfeuchtigkeiten zwischen 40%
und 60% im Beton einstellen, ist die Karbona-tisierung am grössten. Bei diesen Luft-feuchtigkeiten ist der Wassergehalt des Betons im allgemeinen zu gering zur Elektrolytbildung, so dass eine Korrosion nicht in Gang kommt. Diese gegenseitige Abhängigkeit ist schematisch in Bild 4.12 dargestellt. Daraus ist zu erkennen, dass es bei konstanten Lagerungsverhältnissen nur einen sehr engen Bereich gibt, in dem optimale Korrosi-onsbedingungen vorliegen. Ausserhalb dieses Be-reiches läuft die Korrosion nur sehr langsam bzw.
überhaupt nicht ab. So besteht z.B. in trockenen Innenräumen trotz relativ hoher Karbonatisie-rungsrate keine Korrosionsgefahr.
Zur Abschätzung des Korrosionsrisikos sind, neben den bereits in Abschnitt 4.2 diskutierten Einflüssen wie Dicke und Dichtigkeit der Be-tondeckschicht und der obenstehend erläuter-ten Korrosionsparametern, weitere Informationen über die korrosionsauslösenden bzw. -fördernden Risikofaktoren notwendig. Hinweise dazu gibt Bild
Betonbau
4.12 und die nachfolgenden Bemerkungen nach [4.9]:
– Chloride: In voll alkalischem Beton besteht bei Chloridkonzentrationen >0,4 % Cl+ /Zement-masse an der Bewehrung ein Korrosionsrisiko.
Aus Bohrkernen kann ein Chlorid-Tiefenprofil ermittelt werden, das Aufschluss über akut gefährdete, potentiell gefährdete oder unge-fährdete Bereiche der Bewehrung gibt.
– Durchfeuchtung: Durch visuelle Kontrollen oder durch Messung des elektrischen Wider-standes des Betons lassen sich Bereiche mit übermässig hoher Feuchtigkeit erfassen. Be-sondere Beachtung ist dabei der Exposition des Bauteils zu schenken, da insbesondere wechselnde Durchnässung/Austrocknung des Betons das Korrosionsrisiko (vor allem in Ge-genwart von Chloriden) stark erhöht.
– Karbonatisierung: Für Stahl in karbonatisier-tem, d.h. nicht mehr genügend alkalischem Be-ton kann bereits ein akutes Korrosionsrisiko be-stehen. Dies allerdings nur dann, wenn weitere Korrosionsfaktoren gegeben sind. Das zeitliche Vordringen (und damit der Zeitpunkt der akuten Korrosionsgefährdung) kann auf keinen Fall nur unter Einbezug von Betonkenngrössen (z.B.
W/Z-Faktor) und einem verallgemeinerten Ge-setz vorausgesagt werden. Die Expositionsbe-dingungen (bewittert, vor Regen geschützt usw.) des betrachteten Bauteils sind ebenso wichtig.
Bild 4.12 Zusammenwirken der Korrosionsparame-ter, aus [4.7]
Auf der Basis des experimentell erfassten Korrosi-onszustandes der Bewehrung, den Kenntnissen über die Risikofaktoren und deren Zusammenwir-ken, sowie den gegenwärtigen respektive zu er-wartenden Nutzungsbedingungen des Bauwerks lässt sich das Korrosionsrisiko beurteilen. In Ta-belle 4.3 sind in einer groben Einteilung einige typische Fälle zusammengestellt. In chloridhalti-gem, nichtkarbonatisiertem Beton verlaufen die Korrosionsangriffe meist als Lochfrass.
Eine normgemässe Überdeckung der Bewehrung und ein dichter Beton verzögern das Eindringen von Schadstoffen und damit den Beginn der Korro-sion stark, u.a. [4.2 und 4.10].
Tab. 4.3 Zu erwartendes Korrosionsrisiko (bzw.
Wahrscheinlichkeit des Auftretens am Betonstahl in Beton als Funktion verschie-dener Einflussgrössen, aus [4.9]:
– sehr klein
+ erheblich bis gross ++ sehr gross
+++ immer Korrosion
1) Diese Angaben beziehen sich auf den %-Anteil der Chloride auf die Zementmasse