III.II - IMN/HTWK

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
Betonaggressivität von Wässern nach DIN 4030
Parameter
Angriff
schwach
stark
sehr stark
Art
6, 5 - 5,5
5, 5 - 4,5
< 4,5
L
CO2 in mg/L
15 - 30
30 - 60
> 60
L
NH4+ in mg/L
15 - 30
30 - 60
> 60
L
Mg2+ in mg/L
100 - 300
300 - 1500
> 1500
L, T
SO42- in mg/L
200 - 600
600 - 3000
> 3000
T
pH-Wert
L = lösender Angriff
T = treibender Angriff
Angriff durch Säuren
Starke Säuren (H2SO4, HNO3, HCl) lösen alle Hydratationsprodukte des
Zementsteins auf
3 CaO ⋅ 2 SiO2 ⋅ 3 H2O + 6 HCl
CSH-Phase, schwer löslich
3 CaCl2 + 2 SiO2 + 6 H2O
leicht löslich
in sauren Abwässern
Bildung aus H2S durch Schwefelsäurebakterien
in Abwasserrohren
H2S + 2 O2
2 H+ + SO42in der Luft aus SO2, NOx
durch nitrifizierende Bakterien aus
NH3, NH4+ oder (NH2)2CO
NH3 + 2 O2
H+ + NO3- + H2O
nitrifizierende Bakterien bis in
15 cm Tiefe des Sandsteins
Auflösung des CaCO3
Biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK)
Anaerober Bereich - SOB1),
Sulfatreduktion in Gegenwart org. Stoffe
Org. Stoffe +
SO42-
2-
S + CO2 + H2O
Aerober Bereich - SRB2),
H2S-Oxidation in Gegenwart von Luftsauerstoff
H2S + 2 O2
2 H+ + SO42-
H2SO4
Wasserwechselzone
Luft
H2S
SO42-,
R-SH
c(O2) < 0,1 mg/L
HS-
Sielhaut
bewirkt lösenden (0,5 - 10 mm/a)
und treibenden Angriff
1)
schwefeloxidierende Bakterien
2)
sulfatreduzierende Bakterien
Sinkstoffe
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!
FeS2 + 3½ O2 + H2O
2 Fe2+ + ½ O2 + 5 H2O
Fe2+ + 2 H+ + 2 SO422 Fe(OH)3 + 4 H+
Schwache Säuren (Huminsäuren, Milchsäure, Fruchtsäure, Kohlensäure)
greifen nur reine Calciumverbindungen an, z. B. CaCO3 und Ca(OH)2
in Böden (Huminsäuren in Humus, Torf, Braunkohle)
HS –H + M+
HS–M + H+
in Moorwässern
Molkereien, Lebensmittelindustrie
1
2
5
7
Saurer Regen
neutral
pH-Wert
6
Milch
Reines Wasser
Blut
8
9
10
11
basisch
Ammoniakwasser
Kalkartiger Boden
Wiesenboden
Flachmoorboden
Mischwaldboden
Sumpfwiesenboden
Backpulver
Bodenreaktion und pH-Werte verschiedener
mitteleuropäischer Böden1)
4
Sauberer Regen
Hochmoorboden
Tomatensaft
sauer
3
Essig
Enslinn, Krahn, Skupin, 2000
1)
Magensaft
12
pH-wert des Bodenwassers
pH-Wert-Veränderung im Bodenwasser bei
fortgesetztem Eintrag von Säure (Bliefert, 2002)
Carbonat-Pufferbereich:
8
H+
CO32-
HCO3- (
H+
CO2)
6
Tonminerale (T) im
Austauscher-Pufferbereich:
T–O-M+ + H+
4
T–O-H+ + M+
M+ = Na+, K+,
Ca2+, Mg2+
Al-Pufferbereich:
[Al6(OH)15]3+ + 15 H+ + 21 H2O
6 [ Al(H2O)6]3+
2
Fe-Pufferbereich:
FeOOH + 3 H+ + 4 H2O
[ Fe(H2O)6]3+
gesamte Säure im Boden
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 SiO2 u. a. Oxide)
K2[SiO3] ⋅ aq + CO2
[SiO2] ⋅ aq + K2CO3
Reinigung mit Heißwasser und Industriereiniger (pH-Wert beachten!)
Empfindlichkeit gegen Reinigungsmittel und Alkalien!
Angriff von kalklösender Kohlensäure1)
Gefügelockerung und Zerstörung
durch CaCO3-Entzug
1)
Henning, Knöfel, 2002
Angriff von überschüssiger, freier Kohlensäure
Kalk - Kohlensäure – Gleichgewicht
CO2(aq) + H2O + CaCO3(s)
Ca2+ + 2 HCO3-
Gesamtkohlensäure
gebundene Kohlensäure
freie Kohlensäure
CO32-, HCO3-
CO2, H2CO3
zugehörige freie, stabi-
überschüssige freie
lisierende Kohlensäure
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.
Zusammenhang zwischen überschüssiger und stabilisierender Kohlensäure1)
Kalk - Kohlensäure – Gleichgewicht
CO2(aq) + H2O + CaCO3(s)
Ca2+ + 2 HCO3-
1)
Henning, Knöfel, 2002
Verhinderung der Schutzschichtbildung
Ausbildung von Kalk-Rost-Schutzschichten (FeCO3, Fe2O3, CaCO3) nur in
sauerstoffhaltigen, nicht zu weichen, fließenden Wässern (Wasserleitungsrohren).
Austauschfähige Salze
Mg2+, NH4+
Ca2+
2 NH4Cl + CaCO3
(NH4)2CO3 + CaCl2
löslich
Fette und Öle
Fett + Ca(OH)2
löslich
Ca-Seife + Glycerin
H2C
O(O)C
R1
H2C
OH
HC
O(O)C
R2
HC
OH
H2C
O(O)C
R3
H2C
OH
Verseifung von Fetten
2
H2C
O(O)C
R1
HC
O(O)C
R2 +
H2C
O(O)C
R3
H2C
3 Ca(OH)2
HC
H2C
OH
OH +
3 Ca(OOC—Rn)2
OH
Ca-Seife
• 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)
Sulfattreiben1)
3 CaO ⋅ Al2O3 + 3 (CaSO4 ⋅ 2 H2O) + 26 H2O
3 CaO ⋅ Al2O3 ⋅ 3 CaSO4 ⋅ 32 H2O sekundärer Ettringit
1)
nach Henning, Knöfel, 2002
Kalk- und Magnesiatreiben1)
CaO + H2O
Ca(OH)2
MgO + H2O
Mg(OH)2
1)
nach Henning, Knöfel, 2002
Alkalitreiben1) (Alkali-Kieselsäure-Reaktion, AKR)
1)
H2O
nach Henning, Knöfel, 2002
Alkaliempfindlicher Zuschlag
Einsatz von NA-Zement
CEM I mit ≤ 0,6 % Na2O-Äquivalent,
CEM III mit höherem Na2O Äquivalent, fein aufgemahlen
H2O
H2[SiO3]n + 2 NaOH
Na2[SiO3]n + 2 H2O
Alkaliempfindliche Zuschläge enthalten amorphe Kieselsäure
Flinte, Opalsandstein, präkambrische Grauwacke, gebrochener Quarzporphyr
Auch Alkalisalze können zum Alkalitreiben führen, da sie sich mit Ca(OH)2 zu
Alkalihydroxiden umsetzen, z. B.:
Na2SO4 + Ca(OH)2
2 NaOH + CaSO4
DAfStb-Richtlinie "Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton" Alkali-Richtlinie
Umwelteinflüsse
Feuchtigkeitsklassen (Angriffsgrad)
Feuchtigkeitsklasse Abkürzung
Beispiele
trocken
WO
Innenbauteile Hochbau,
Bauteile ohne Einwirkung von Niederschlag, Oberflächenwasser, Bodenfeuchte, keine ständige Einwirkung
einer rel. LF > 80 %
feucht
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
feucht + Alkalizufuhr von außen
WA
Bauteile mit Meerwassereinwirkung
Bauteile mit Tausalzeinwirkung ohne zusätzl. hohe dynam.
Beanspruchung
Bauteile (Industrie, Landwirtsch.) mit Alkalisalzeinwirkung
feucht + Alkalizufuhr von außen
+ starke dynam.
Beanspruchung
WS
Bauteile unter Tausalzeinwirkung mit zusätzlicher hoher
dynam. Beanspruchung (z. B. Betonfahrbahnen)
Gesteinskörnung
Klasse
E I-O
E II-O
Alkaliempfindlichkeitsklassen
Gesteinskörnungen
Opalsandstein
(einschließlich Kieselkreide)
E III-O
E I-OF
E II-OF
E III-S
unbedenklich
bedingt brauchbar
bedenklich
Opalsandstein
(einschließlich Kieselkreide)
und Flint
E III-OF
E I-S
Einstufung hinsichtlich AKR
unbedenklich
bedingt brauchbar
bedenklich
gebrochene Grauwacke,
gebrochener Quarzporphyr,
gebrochener Oberrheinkies
u. a. Körnungen
unbedenklich
bedenklich
Vorbeugende Maßnahmen
Beton mit z ≤ 330 kg/m3
Alkaliempfindlichkeitsklasse
Feuchtigkeitsklasse
WO
WF
WA
E I-O
keine
keine
keine
E II-O
keine
keine
NA-Zement
E III-O
keine
NA-Zement
WS
Zemente mit
begrenztem
Alkaligehalt
Austausch der
Gesteinskörnung
Austausch der
Austausch der
Gesteinskörnung Gesteinskörnung
Beton mit z ≥ 330 kg/m3
Alkaliempfindlichkeitsklasse
Feuchtigkeitsklasse
WO
WF
WA
E I-OF
keine
keine
keine
E II-OF
keine
NA-Zement
NA-Zement
E III-OF
keine
NA-Zement
WS
Zemente mit
begrenztem
Alkaligehalt
Austausch der
Gesteinskörnung
Austausch der
Austausch der
Gesteinskörnung Gesteinskörnung
Alkalireaktionen mit
dolomithaltigem Zuschlag
CaMg(CO3)2 + 2 NaOH
CaCO3 + Na2CO3 + Mg(OH)2