Grundlagen der Baustofflehre - Eigenschaften

Grundlagen und Rohstoffe der
Baustoffe – Eigenschaften
Korrosion
Thomas A. BIER
Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, 09596 Freiberg,
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe
• Einleitung
Definitionen, volkswirtschaftliche Bedeutung, Geschichte
• Rohstoffe
Natürliche, Gesteine, organische
• Grundlegende Verfahren zur Herstellung von Baustoffen
Gesteine, Zuschläge, Gips, Zement, Kalk, Mörtel, Baukeramik, Steine, Bauteile,
Beton, Glas
• Grundlagen der Baustofflehre - Eigenschaften
Allgemeine Eigenschaften, Struktur, Kenngrößen
• Hydratations und Polymerisationsvorgänge
Lösungsgleichgewicht, Chemisches Potenzial, Strukturierung
• Rheologie technischer Suspensionen (mineralischer Baustoffe)
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Technologische und Strukturbedingte
Eigenschaften
Festigkeit – Mechanik der Festkörper
Verarbeitbarkeit - Mechanik der Flüssigkeiten - Rheologie Struktur – Dichte, Porosität, Zusammensetzung
Diffusion, Permeation, Transportvorgänge
Dauerhaftigkeit - Lebensdauervorhersage
Schwinden - Trocknung
Frost-Tau(Salz) Widerstand
Sulfattreiben
Alkali- Silika Reaktion
Korrosion
Stahlkorrosion
Auflösung des mineralischen Werkstoffes
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Weitere Eigenschaften
Korrosion
Stahlkorrosion
Auflösung des mineralischen Werkstoffes
Farbe
Ermüdung
Verbundwerkstoffe
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Korrosion
Korrosion ist die Zerstörung eines Werkstoffes durch
chemische und elektrochemische Reaktionen mit seiner
Umgebung oder durch physikalischen Angriff. Alle
Werkstoffe des Bauwesens, Metalle, Beton, Ziegel,
Kunststoffe, Gläser oder Holz können durch Korrosion
zerstört werden. Schon aus Wirtschaftlichkeitsgründen
ist es daher unabdingbar, bereits beim Entwurf eines
Bauwerkes Fragen der Korrosion und des
Korrosionsschutzes zu berücksichtigen.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Elektrochemische Vorgänge
Die meisten Metalle kommen in der Natur nicht in reiner Form vor, sondern als Hydroxide oder
Oxide. Durch Austreiben des Wassers bzw. des Sauerstoffes während der Verhüttung werden
sie auf ein höheres Energieniveau gebracht:
Beispiel Eisen: Fe2O3 + 3.C + Energie → 2.Fe + 3.CO
(Roteisenerz)
Eisen hat daher das Bestreben, diese Energie wieder abzugeben. Dies ist die treibende Kraft
für den Korrosionsvorgang.
Für eine Energiebetrachtung gilt:
4.Fe + 3.O2 → 2.Fe2O3 + 1117,5 kJ/mol
Steht ein Metall mit einer leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt) in Verbindung, so hat es die Tendenz,
sich in Ionen aufzulösen. Dieser Vorgang wird als Oxidation bezeichnet.
Allgemein gilt für ein n-wertiges Metall M:
M → Mn+ + n.eBeispiel des Eisens: Fe → Fe2+ + 2.e-
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Elektrochemische Vorgänge
Die frei werdenden Elektronen sammeln sich an der Oberfläche des Metalls. Je an der Oberfläche. Befinden sich
zwei verschiedene Metalle mit verschiedener Neigung zur Oxidation in einer leitenden Flüssigkeit, so
besteht zwischen beiden Metallen ein Potentialunterschied. Verbindet man beide Metalle oder Elektroden
leitend miteinander, so entsteht ein Elektronenfluss in Richtung des Potentialgefälles. Die Elektrode, von
welcher der Stromfluss ausgeht, wird als Anode bezeichnet, die andere als Kathode.
Die Anreicherung von Elektronen an der Kathode kann zu verschiedenen Reaktionen führen, die in den
folgenden Abschnitten beschrieben sind. An der Anode gehen Metallionen in Lösung. Das Metall
korrodiert. Durch Reaktionen der Metallionen in der Lösung entstehen Korrosionsprodukte.
Diese Vorgänge hängen also von der Bildung eines sog. Lokalelementes ab, das entsteht, wenn beim
Vorhandensein eines Elektrolyten zwei unterschiedliche Metalle leitfähig miteinander verbunden sind.
Welches der beiden Metalle die größere Neigung zur Auflösung in Ionen hat und damit zur Anode wird,
hängt von der Stellung der Metalle in der elektrolytischen Spannungsreihe ab. Die elektrolytische
Spannungsreihe gibt das Potential einer Metallelektrode gegenüber einer Wasserstoffelektrode an.
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Elektrolytische Spannungsreihe
Je tiefer das betrachtete Metall in der elektrolytischen Spannungsreihe steht, um so edler ist es,
bzw. um so geringer ist seine Tendenz, sich in Ionen aufzulösen.
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Wasserstoffkorrosion
Bei diesem Vorgang nimmt der Wasserstoff die freien Elektronen auf:
Dieser Korrosionsvorgang führt zu einer gleichmäßigen, u.U. restlosen
Auflösung des unedlen Metalls bzw. zu einer Sättigung des Elektrolyten mit M+Ionen.
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Sauerstoffkorrosion
Bei diesem Vorgang nimmt der Sauerstoff die freien
Elektronen auf.
Anodenreaktion:
M → Mn+ + n.e-
Kathodenreaktion: O2 + 2.H2O + 4.e- → 4.(OH)- (basisch)
oder
O2 + 4.H+ + 4.e- → 2.H2O (sauer)
Beispiel: Wassertropfenkorrosion des Eisens
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Sauerstoffkorrosion
a) Sauerstoff O2 dringt aus der Luft in den Wassertropfen. In der Nähe der Oberfläche des Wassertropfens ist die
O2-Konzentration hoch, es entsteht weißer Rost.
2.Fe + O2 + 2.H2O → 2.Fe(OH)2
b) Da die Rosthaut edler als die noch blanke Metalloberfläche ist, liegt ein Lokalelement vor, dessen Kathode die
angerostete Oberfläche, dessen Anode das noch blanke Metall ist.
c) An der Anode gehen Fe2+-Ionen in Lösung, während die freien Elektronen zur Rosthaut fließen:
Fe → Fe2+ + 2.e
d) Kathodenreaktion:
2.H2O + O2 + 4.e- → 4.(OH)e) Bildung eines Rostringes:
Fe2+ + 2.(OH)- → Fe(OH)2
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Geschwindigkeit des Korrosionsablaufs
Die Geschwindigkeit des Korrosionsablaufes hängt nicht nur ab von der Geschwindigkeit der
Metallauflösung an der Anode, sondern auch von der Geschwindigkeit der Kathodenreaktion:
2.H+ + 2.e- → H2
oder 2.H2O + O2 + 4.e- → 4.(OH)Die Geschwindigkeit der Kathodenreaktion ist von der Konzentration an H-Ionen oder an Sauerstoff
im Elektrolyten abhängig. Die H+-Ionen-Konzentration wird durch den pH-Wert beschrieben, der
den negativen Logarithmus der H-Ionen- Konzentration angibt:

Neutrale Lösung: pH = 7

Saure Lösung: pH < 7

Basische Lösung: pH > 7
In einem sauren Elektrolyten ist die Wasserstoffionenkonzentration hoch, so dass nur die
Wasserstoffkorrosion von Bedeutung ist. Die Reaktion verläuft um so schneller, je niedriger der
pH-Wert ist.
In neutralen oder basischen Lösungen ist die Wasserstoffionenkonzentration gering, so dass
Sauerstoffkorrosion überwiegt, wobei die Geschwindigkeit des Korrosionsvorganges von der
Konzentration von O2 abhängt.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Geschwindigkeit des Korrosionsablaufs
Je nach pH-Wert des Elektrolyten kann sich an der Metalloberfläche eine
Passivschicht ausbilden, die, wenn sie porenfrei und dicht ist, die Auflösung
des Metalls in Ionen und damit Korrosion verhindert. Beim Eisen führt
folgende Reaktion zur Bildung einer Passivschicht:
2Fe2+ + 3H2O → Fe2O3 + 6H+ + 2eIm Pourbaix-Diagramm können die Bedingungen abgegrenzt werden, unter
denen für ein gegebenes Metall in einer wässrigen Lösung Korrosion,
Korrosionsbeständigkeit oder Passivierung zu erwarten sind. In diesem
Diagramm wird das Elektrodenpotential E in Abhängigkeit vom pH-Wert
aufgetragen..
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Pourbaixdiagramm
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Atmosphärische Korrosion
Mit atmosphärischer Korrosion bezeichnet man Korrosionserscheinungen,
die bei Lagerung von Metallen im Freien bei normaler Temperatur
auftreten können. Bei Luftfeuchtigkeiten oberhalb 60 bis 70 % wird ein
Elektrolyt gebildet durch
a) eine adsorbierte Wasserschicht ausreichender Dicke,
b) Kondensation von Wasser an Metalloberflächen, die kälter als die
Umgebungstemperatur sind (Taubildung). Der Taupunkt kann durch
Verunreinigungen der Luft oder der Metalloberfläche erhöht werden.
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Lokalelement
Lokalelemente sind Voraussetzung zum Auftreten elektrolytischer Korrosion. Sie
können unter folgenden Bedingungen entstehen:
a) Wenn Elemente mit unterschiedlichem Potential in Kontakt stehen
(Kontaktkorrosion). Dabei löst sich der an die Kathode angrenzende Bereich der
Anode am schnellsten auf, so dass die Ausbildung einer Kerbe möglich ist.
b) Bei Legierungen, die aus Phasen mit unterschiedlichem Potential bestehen oder
bei denen durch Kristallfehler oder Konzentrationsunterschiede der
Legierungselemente örtliche Energieunterschiede vorliegen.
c) Als Folge einer unterschiedlichen Sauerstoffkonzentration in verschiedenen
Bereichen einer Metalloberfläche, z. B. Wassertropfenkorrosion
d) Örtliche Zerstörung oder Fehlstellen in einer korrosionsschützenden Deckschicht
(Lochfraß).
e) Zerstörung der Passivschicht durch Chloride, Bromide oder Jodide.
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Spannungsrisskorrosion
Dies ist eine inter- oder transkristalline Rissbildung in metallischen Werkstoffen bei
gleichzeitiger Einwirkung einer Zugspannung und eines korrodierenden Mediums.
Die Gefahr dieser Korrosionsart liegt darin, dass ohne deutlich sichtbare Schädigung
und Verformung ein Sprödbruch eintreten kann. Spannungsrisskorrosion setzt voraus,
dass
- der Werkstoff gegen die Beanspruchung empfindlich ist
- ein Korrosionsmittel vorliegt
- Zugspannungen einwirken.
Korrosionsmittel sind z. B. Nitrate oder Chloride, welche die Passivschicht der
Metalloberfläche örtlich zerstören. Es entstehen ein Lokalelement und örtliche
Korrosion, welche Ausgangspunkt eines sich unter Zugspannungen fortpflanzenden
Risses sein kann.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Korrosionsförderung
Korrosion tritt vor allen Dingen bei der Erfüllung aller oder mehrerer der im folgenden genannten
Bedingungen ein:

korrosionsanfälliger Werkstoff (hohe Tendenz zu Ionenbildung)

Vorhandensein eines Elektrolyten

korrosionsfördernde Eigenschaften des Elektrolyten:
Niedriger pH-Wert
Ungleicher Sauerstoffgehalt im Elektrolyten
Anwesenheit korrosionsfördernder Substanzen

Bildung eines Lokalelementes in einem Elektrolyten
anodische Polarisierung:
Erhöhte Metallauflösung
kathodische Polarisierung: Gefahr der Wasserstoffversprödung
Aufgabe des Korrosionsschutzes ist es, diese Bedingungen zu vermeiden oder ihre Wirkung zu
verringern. Grundsätzlich baut der Korrosionsschutz auf einem oder mehreren der folgenden
Verfahren auf:
Verhinderung der Lokalelementbildung z. B. durch Vermeidung des Kontaktes zwischen
ungleichen Metallen; Ausbildung oder Schutz einer Passivschicht;
Behinderung der O2-Zufuhr oder des Eindringens korrodierender Medien.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Konstruktiver Schutz
 Vermeidung von Wassersäcken
 geneigte und glatte Flächen, die möglichst trocken und
staubfrei bleiben
 Vermeiden von Schwitzwasserbildung durch Isolierung
 Belüften von Spalten
 Isolierung zwischen verschiedenen Metallen, die sich
sonst berühren
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Passivierung durch Beton
Vor allem bei höheren pH-Werten kann sich an der Oberfläche eines Metalles beim Vorhandensein von
Sauerstoff eine Oxidschicht bilden, die das Metall vor dem Angriff des korrodierenden Mediums schützt.
Voraussetzung hierfür ist ein ausreichend hoher pH-Wert.
Diese Bedingung ist z. B. für einen im Beton eingebetteten Stahl gegeben. Das im Beton enthaltene
Porenwasser ist alkalisch und hat eine pH-Wert von 12,6. Nach dem Pourbaix-Diagramm sind dann die
Bedingungen zur Stahlpassivierung gegeben. Der Korrosionsschutz liegt jedoch nicht mehr vor, wenn der
pH Wert des Betons abfällt oder die Passivität des Stahles auf andere Weise beeinflusst wird. Hierzu einige
Beispiele:
- Große Fehlstellen im Beton, die sich mit Wasser mit niederem pH-Wert füllen können
- Karbonatisierung des Betons: Dringt aus der Luft Kohlendioxid in den Beton ein, so kann es mit
Hydratationsprodukten des Zementsteins z. B. wie folgt reagieren:
Ca(OH)2 + CO2 →CaCO3 + H2O
Dieser Vorgang bewirkt eine wesentliche Reduktion des pH-Wertes des Porenwassers.
- In der Nähe von Rissen kann der eingebettete Stahl der freien, u.U. sauren Atmosphäre ausgesetzt sein
- Unter bestimmten Bedingungen im Beton enthaltene Chloride oder Nitrate zerstören die Passivschicht
- Bestimmte Zemente führen zur Entstehung von Sulfiden, welche als Katalysatorgifte die Bildung
molekularen Wasserstoffes verhindern.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Maßnahmen für Betonbau
Die schützende Wirkung des Betons gegenüber eingebettetem Stahl
kann wie folgt gesichert werden:
- ausreichende Betonüberdeckung
- Herstellung eines dichten Betons, der das Eindringen von CO2 und
anderer korrodierender Medien klein hält
- Kontrolle der im Gebrauchszustand zulässigen Rissbreiten
- Vermeidung von Komponenten im Beton, welche Chloride oder
Nitrate enthalten oder welche zur Bildung von Sulfiden führen.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Stähle
 Die Widerstandsfähigkeit von Stählen gegen Korrosion sinkt mit steigendem
Gehalt an Schwefel und zunehmender Kaltverformung. Sie hängt auch von der
Art des Vergütens ab.
 Durch Legierungszugaben (Cu; Si; Cr; Ni; Mo) kann der Korrosionswiderstand
erhöht werden. Bei Chrom-Nickel- oder Chrom-Nickel-Molybdänstählen bilde
sich eine Passivschicht durch das Chrom (Cr-Gehalt > 12 %). Voraussetzung für
einen wirksamen Korrosionsschutz ist eine glatte und entzunderte Oberfläche.
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Inhibitoren
Dies sind Substanzen, die dem Elektrolyt als Flüssigkeit oder Gas
zugesetzt werden und somit den Korrosionsvorgang verhindern oder
hemmen.
Physikalische Inhibitoren werden an der Oberfläche des Metalls adsorbiert
und schützen sie auf diese Weise.
Chemische Inhibitoren reagieren mit oder verändern die Metalloberfläche,
wobei das Reaktionsprodukt korrosionsschützend ist.
Beispiele im Bauwesen:
- Beton als Inhibitor
- Schutz von Spannstählen im Spannkanal (z. B. VPI-Pulver)
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Elektrochemischer Schutz
Korrosion und Korrosionsgeschwindigkeit hängen vom elektrischen
Potential bei der Ionenauflösung des Metalles ab. Durch Anlegen einer
zusätzlichen elektrischen Spannung können die Potentiale so
beeinflusst werden, dass die anodische Korrosion gering ist. Dies
geschieht entweder durch Erhöhung des elektrischen Potentials, so
dass eine Passivierung der Oberfläche möglich ist (Anodenschutz),
oder durch Anlegen eines negativen Potentials, so dass das zu
schützende Metall zur Kathode wird (Kathodenschutz).
Kathodenschutz kann erreicht werden entweder:
- durch eine elektrisch leitfähige Verbindung des zu schützenden Metalls
mit einem weniger edlen Metall oder
- durch Anlegen einer Fremdspannung, die das zu schützende Metall zur
Kathode macht.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Anstriche
Die älteste Art des Korrosionsschutzes besteht darin, Metalle mit
einem diffusionsdichten, beständigen Überzug zu versehen, der
auch zu einer Oberflächenpassivierung führen kann.
Beispiele:
 Bleimennige (Pb3O4)
 Zinkchromat- und Chlorkautschukanstriche.
Bedingungen für die dauerhafte Wirksamkeit von Anstrichen sind:
Diffusionsdichte; Verformbarkeit auch über lange Dauer;
Stabilität bei erhöhten Temperaturen; dauerhafte Haftung mit
dem metallischen Untergrund.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Metallische- und
Kunststoffüberzüge
Unter Fremdmetallüberzügen versteht man das Überziehen eines Metalls mit
einem weniger oder nicht korrosionsanfälligen Werkstoff. Voraussetzung
für die Wirksamkeit von Fremdmetallüberzügen ist, dass sie porenlos und
unverletzt sind, falls der Überzug edler als das zu schützende Metall ist, z.
B. Nickel auf Eisen. Ist der Überzug unedler, so heilt die Überzugsschicht
bei Verletzungen aus, z. B. Zink auf Eisen.
Kunststoffüberzüge können auf Metalloberflächen im Tauchverfahren
aufgebracht werden. Ähnlich wie Anstriche bilden sie keinen
elektrochemischen Schutz. Ihre Wirksamkeit hängt daher von der völligen
Dichtigkeit ab. Sie müssen die für Anstriche genannten Bedingungen erfüllen.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Korrosion von Beton
Trockener Beton ist im Allgemeinen gegenüber trockenen Salzen unempfindlich.
Saure Wässer, d.h. Wässer, die freie Säuren enthalten, können auf Zementstein und carbonathaltige Gesteinskörnungen
lösend wirken. Allgemein gilt, dass bei Wässern mit einem pH-Wert kleiner 6,5 die Gefahr der Betonkorrosion besteht.
Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid können für den Beton vor allen Dingen deswegen schädlich sein, weil sie zur
Bildung von Sulfaten führen können.
Kalklösende Kohlensäure greift Beton vor allem dadurch an, dass das im Zementsteinbefindliche Calciumhydroxid gelöst
wird.
Chloride greifen den Beton nicht oder nur wenig an, können jedoch zu einer Korrosionvon im Beton eingebetteten Stahl
führen.
Ammoniumsalze und Magnesiumsalze können ebenfalls das Calciumhydroxid desZementsteines angreifen. Ebenso
wirken weiche Wässer calciumhydroxidlösend.
Fette und Öle können je nach Zusammensetzung und Herkunft verschiedene Wirkungenauf den Beton ausüben. Vorsicht ist
geboten vor allen Dingen bei pflanzlichen und tierischen Fetten, weil diese als Ester der Fettsäure mit dem
Calciumhydroxid des Zementsteines fettsaure Calciumsalze bilden.
Böden, Grundwasser und Abgase können Sulfate in der Form von z.B. K2SO4, Na2SO4 und MgSO4 enthalten. Wenn
Sulfate in gelöster Form in den Beton eindringen, können sie mit noch nicht hydratisiertem C3A reagieren oder
Bestandteile des Zementsteines zu Gips oder Ettringit umsetzen. Diese Reaktion ist mit einer Volumenvergrößerung
verbunden und führt bei ausreichendem Vorhandensein von Wasser zu einer Schädigung oder Zerstörung des Betons.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Korrosion von Beton
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Sulfatangriff
Portlandzement
Ca (OH)2 + SO4--
=>
=>
CaSO4
CaSO4 + C3A
<=
Ettringit
Tonerdezement
Kein Ca (OH)2
<=
Kein CaSO4
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
=>
Kein Sulfatangriff
Säure
pH 5.6 eqm von
atm CO2 mit Wasser
pH 12.5 eqm von
CH mit Wasser
Normaler
Regen
Sauer
Regen
Atm
SO3
NOx
Grundwasser
Abwassernetze
14
13
12
11
10
9
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
8
7
6
5
4
3
2
1
Vereinfachte Korrosionsreaktionen
CaCO3 +
2H+
CaO
+
2H+
Al2O3
+
6H+
MgO
+
2H+
SO3
SiO2
=> Ca2+
+
CO2
=> Ca2+
+
H2O
=> 2Al3+
+
3 H 2O
2 mol
=> Mg2+
+
H2O
+
H+
=> SO3
+
H+
+
H+
=> SiO2
+
H+
100g
56g
102g
100g
2 mol
2 mol
6 mol
+
H2O

Nur schwache KalziumKalzium- und Aluminiumsalze reagieren mit H+.

Der Korrosionsfortschritt eines Materials hängt von seiner chemischen Zusammensetzung ab.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Die Pufferkapazität
PK für einige Oxyde
Definition der Pufferkapazität
(PK):
die Säuremenge (in millimol)
die zur Zerstörung einer
gegebenen Menge Materials
(in Gramm) notwendig ist.
CaO
MgO
Al2O3
Fe2O3
Na2O
K2O
SiO2
35.7 mmol/g
50.0
58.8
37.5
38.5
21.3
0
(= 2 mol H +/ 56g of CaO)
PK für einige Zements (mmol/g)
Tonerdezement
Hochtonerdezement
Potlandzement
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
40-45
50-52
25-28
Chemische Korrosion : Parameter
Korrosionsfortschritt
• Degradation
durch Zerstörung
der Kalzium und
Aluminiumoxyde
=
Material
• Pufferkapazität
x
Bedingungen
• Bildung einer
Schutzschicht
• Stärke und
Konzentration
der H+ Ionen
• Porosität des
Materials
• Stabilität der
gebildeten
Säuresalze
• Verlust der
Zuschläge
• Pufferkapazität
der Umwelt
• Temperatur
Masseverlust =
(Gramm)
1/Pufferkapazität
(Gramm/mmol)
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
x Menge der verbrauchten Säure
(mmol)
Chemischer Angriff
 Absence of calcium hydroxide
 Presence of hydrated alumina gel, AHx:
 stable above about pH3
 large neutralisation capacity
below pH3
 Discourages growth of bacteria
 Generally used in converted form - not
deterimental to performance
 Application in pipes below installation
or as lining to larger sewers
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Optische Kenngrößen –
CIEL*a*b* nach DIN 6174
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Optische Kenngrößen –
CIEL*a*b* nach DIN 6174
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Optische Kenngrößen –
CIEL*a*b* nach DIN 6174
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Ermüdungsverhalten
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Ermüdungsverhalten eines
Baustahls - Wöhlerlinien
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Ermüdungsverhalten
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Parameter
auf
Ermüdung
sverhalten
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Wichtige Einflussparameter
Beanspruchung: Die Anzahl der Lastspiele zum Bruch N nimmt ab mit:
- steigender Mittelspannung σm
- steigender Spannungsamplitude σa
Aggressive Medien, welche eine Korrosion des beanspruchten Werkstoffes fördern,
reduzieren die Anzahl der Lastspiele bis zum Bruch.
Werkstoffeigenschaften:
Eine Anhebung der Streckgrenze von Metallen, z. B. durch Kaltverformung, führt zu
keiner wesentlichen Erhöhung der Dauerfestigkeit.
Die Dauerfestigkeit zäher Werkstoffe wird durch Kerben wesentlich herabgesetzt.
Bei spröden Werkstoffen wirken sich Kerben auf die Dauerfestigkeit dagegen
wenig aus.
Spröde und rauhe Oberflächenschichten verringern die Dauerfestigkeit eines
Werkstoffes. Glatte, duktile Überzüge können die Dauerfestigkeit erhöhen.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Darstellung des Ermüdungsverhaltens
Wöhler-Linien:
Zusammenhang zwischen Anzahl der Lastspiele bis zum Bruch, N
und σa bzw. σo, falls σm oder σu konstant sind.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Darstellung des Ermüdungsverhaltens
Smith-Diagramm:
Darstellung der Kombinationen von σm, σa, σo, σu, die für einen
Werkstoff nach einer bestimmten Anzahl von Lastspielen N einen
Ermüdungsbruch verursachen:
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Darstellung durch Wöhler Kurven
Beispiel von Wöhler-Linien eines S235JRG1 (USt 37)
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Darstellung durch Wöhler Kurven
Die Ermüdungsfestigkeit von Werkstoffen ist meist großen Streuungen unterworfen. Daher
werden häufig Wöhler-Linien für bestimmte Versagenswahrscheinlichkeiten
angegeben.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Ermüdung an Bauwerken
Während eines Dauerschwingversuches
im Labor werden Spannungsamplitude
und Mittelspannung meist konstant
gehalten. In einer Baukonstruktion
dagegen können Mittelspannung und
Spannungsamplitude in weiten Grenzen
schwanken. Das zu erwartende
Ermüdungsverhalten kann aus einfachen
Laborversuchen mit Hilfe der PalmgrenMiner-Regel abgeschätzt werden.
Danach tritt der Bruch ein, wenn
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Ermüdungsbruch
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Betone und Mörtel
Füller - Sande – Mehle- Zuschlag
Zusatzmittel
Bindemittel
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Wasser
Beton
Kriterien für Betonauswahl
Festigkeit
W/Z Wert, Zementart, -gehalt und Zuschlagsart, Zusatzmittel
Verarbeitungsverhalten
Mehlkorngehalt, Sieblinie, Zusatzmittel und –stoffe
Bauteilgröße – Bewehrung
Größtkorn, Fließmaß
Umwelteinflüsse – Dauerhaftigkeit
W/Z Wert, Zementart, Nachbehandlung
Wirtschaftlichkeit
Rohstoffkosten, Transport, Baustellenlogistik, Maschinen
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Zuschlag - Gesteinskörnungen
Verwendung von gebrochenen und gesiebten (klassifizierten) Gesteinen als Zuschlage zu Mörteln und Betonen
Die Kornzusammensetzung wird durch den Buchstaben der
Grenzsieblinie (A, B, C oder U) unter Zusatz des Zahlenwertes für
das Größtkorn (z.B. B 16) gekennzeichnet.
Allgemeine Verwendung:
• Sieblinienbereiche 3 und 4
• für Kornzusammensetzungen außerhalb dieser Bereiche
Einschränkungen:
• Korngemische unterhalb A sind schwer zu verarbeiten =
Bereich 1
• Korngemische oberhalb C haben hohen Zementleimbedarf
= Bereich 5
• Die Grenzsieblinie U sollte von stetigen Korngemischen
(Ausfallkörnungen) nicht unterschritten werden.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Zuschlag - Sieblinien
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Normale Gesteinskörnungen
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Leichte Gesteinskörnungen
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Schwere Gesteinskörnungen
- Strahlenschutz
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Verbundwerkstoffe
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Verbundwerkstoffe
Beispiele für Teilchenverbundwerkstoffe
Verbundwerkstoff
Teilchen
Matrix
Schleifscheiben
keramisch
polymer/glas
Hartmetall
keramisch
metallisch
Keramikverbunde
keramisch
keramisch
Spanplatten
organisch
polymer
Beton
keramisch (mineralisch)
keramisch (mineralisch)
Polymerbeton
mineralisch
polymer
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Verbundwerkstoffe
Beispiele für Faserverbundwerkstoffe
glasfaserverstärktes Glas,
borfaserverstärktes Aluminium,
Faserzement (z. B. „Eternit“),
kohlefaserverstärktes Siliciumcarbid (z. B. in Hochleistungsbremsscheiben)
eigenverstärkte Thermoplaste (Kunststofffasern in Kunststoffmatrix der
gleichen Zusammensetzung)
Stahlbeton
Faserbeton
Faser-Kunststoff-Verbunde
kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK)
glasfaserverstärkter Kunststoff (GfK)
aramidfaserverstärkter Kunststoff (AFK)
Faser-Keramik-Verbunde (Ceramic Matrix Composites (CMC))
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Verbundwerkstoffe
Beispiele für Schichtverbundwerkstoffe
Verbundplatten (z. B. Sperrholz)
Verbundrohre
TiGr-Composit: Ein Werkstoff aus Titan, Kohlenstofffasern und Epoxidharz
Glare: Ein Werkstoff auf glasfaserverstärktem Kunststoff und Aluminium
Honeycomb
Bimetall
Hylite, eine Sandwich-Struktur aus einer Kunststoffplatte, die zwischen zwei
Aluminiumplatten/-folien eingebettet ist.
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Generelle Größen – Homogenität vorausgesetzt
Rohdichte und Wärmeleitfähigkeit
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Mechanische Betrachtung von
Verbundwerkstoffen
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Mechanische Betrachtung von
Verbundwerkstoffen
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Mechanische Betrachtung von
Verbundwerkstoffen
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
E-Modul der Verbundwerkstoffe
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
E-Modul von Beton
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Festigkeit von Verbundwerkstoffen
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Schwinden des Verbundwerkstoffs
Beton
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010
Schwinden des Verbundwerkstoffs
Beton
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2010