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3. Korrosionsverhalten von Eisen und Stahl

Im Bauwesen wird Stahl vorwiegend als Bewährung in Form von Stahlfasern, Stahlmatten oder Stahlstäbe für Betonkonstruktionen verwendet.
Im Allgemeinen unterliegt Stahl im Beton keiner Korrosion, da in feuchtem Beton der Stahl dem Angriff der Porenflüssigkeit ausgesetzt ist, bei der es sich normalerweise um eine gesättigte Kalziumhydroxidlösung handelt, die durch Hydration von Kalzium-Silikaten und -Aluminaten entstanden ist und deren pH-Wert bei 12,6 liegt. Bei einer ausreichenden Gas- und Wasserdurchlässigkeit des Betons durch Fehlstellen, Poren und Risse wird kohlendioxidhaltige Luft oder schadstoffhaltiges Wasser ungehindert an den Stahl herandiffundiert. Das gelöste Kalziumhydroxid karbonatisiert. Damit sinkt der pH-Wert des Porenwassers auf 9 bis 10 ab. Der Korrosionsschutz, der durch den hohen pH-Wert (alkalischer Schutz) und durch die Passivierung des Stahls (durch Silikat) bestand, geht verloren. Die Stärke der Betonschicht bei Stahlbetonteilen soll daher mindestens 20 bis 25 mm betragen. Von Bedeutung sind die Zementsorten und das Mischungsverhältnis. Soll die Dichte des Betons erhöht werden, so wird ein Puzzolanzusatz zum Zement (zum Beispiel Portlandzementklinker und Flugasche) gegeben. Dadurch gibt es weniger poröse Stellen im Beton aber die Alkalität sinkt durch den SiO-Zusatz, was die Korrosion begünstigt. Chloride, die zur schnelleren Erhärtung oder gegen das Gefrieren unter 0 ºC beziehungsweise durch chloriertes Wasser zugegeben werden, bewirken eine Aufhebung der Passivierung der Stahloberfläche. Die Korrosionsgefahr des Bewehrungseisens im chloridhaltigen Beton ist also durch die Zerstörung der Passivität oder Verhinderung der Passivierung des Metalls begründet. Diese Aufhebung erfolgt meist lokal, oft wird dies durch geringfügige Strukturunterschiede der Passivschicht bestimmt. Durch die kleinen anodischen und die großen kathodischen Flächen des passiven Metalls wird eine Passiv-Aktivzelle mit einer Potenzialdifferenz von 0,5 V und mehr gebildet. Die hohen Stromdichten an den Anoden bewirken eine hohe Geschwindigkeit des Metallangriffes, wobei die unmittelbar die Anoden umgebende Metallfläche kathodisch geschützt wird.
Es kommt zum Lochfraß :    Fe --> Fe2+ + 2e
An der kathodischen Fläche:  02 + 2 H2O + 4e --> 4 OH
                                         Fe + H2O + 1/2 O2 --> Fe(OH)2
Das Eisen(II)-hydroxid bildet eine diffusionshemmende Schicht an der Eisenoberfläche, durch welches das an der Reaktion beteiligte Sauerstoff diffundieren muss. Der pH-Wert von gesättigter Fe(OH)2-Lösung beträgt ca. 9,5, sodass die Eisenoberfläche, die in belüftetem reinem Wasser korrodiert wird, immer alkalisch reagiert. An der äußersten der Elektrolytlösungen zugewandten Seite der Oxidschicht setzt der gelöste Sauerstoff Eisen(II)-oxid zu wasserhaltigem Eisen(III)-oxid oder Eisen(III)-hydoxid um:

Fe . H2O + 1/2 H2O + 1/2 O2 ---> Fe(OH)3 beziehungsweise 1/2(Fe2O3 . 3 H2O)

Das wasserhaltige Eisen(III)-oxid wird als Rost bezeichnet. Die Rostschicht besteht aus 3 Schichten. Das magnetische wasserhaltige Eisen(II)-Eisen(III)-oxid, Fe2O4 x n H2O bildet die schwarze Zwischenschicht zwischen FeOH und Fe2O3. Durch die Volumenvergrößerung am Bewehrungsstahl, kommt es zum "Aufblühen" und die Betonschicht wird aufgerissen beziehungsweise platzt ab. Damit ist eine Korrosion der Stahlfläche gegeben und die Zerstörung des Betons geht unter dem Gesichtspunkt der eigenen Korrosion durch chemische Reaktionen und durch Spannungsbildung, die durch die Volumenvergrößerung des Stahls während der Korrosion auftritt, weiter.
Mit der breiten Einführung der Bandverzinkung und der Beschichtung von Stahlbändern mit wetterbeständigen Kunststoffüberzügen haben sich die Möglichkeit des Stahleinsatzes im Bausektor bedeutend erweitert. Zu den Vorzügen zählt auch eine außergewöhnlich hohe Korrosionsbeständigkeit.

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