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Korrosion von Beton und Stahlbeton durch chemische Verbindungen und Mikroorganismen


Verfasser:   Peter Rauch

Schlagwörter: Direkte und indirekte Verluste, Betonkorrosion, Bewehrungseisen, elektro.-chem. Reaktion, Luftverschmutzung, Grundwasser, Boden, Korrosionsschutz, Mikroorganismen, pH-Wert, Werkstoffe

Hausarbeit am Institut für technische Mikrobiologie, 29.9.1984
und Bildergänzungen 2020


Inhaltsverzeichnis
1.       Aufgabenstellung
2.       Wirtschaftliche Auswirkung der Korrosion
3.       Korrosion
3.1.    Begriff und Abgrenzung der Korrosion
3.2.    Chemische Verbindungen die eine Korrosion bewirken
3.2.1. Chemische Verbindungen in der Luft
3.2.2. Korrosiv wirkende Verbindungen im Boden und im Wasser
3.3.    Die Korrosion des Betons
3.4.    Die Korrosion der Bewehrung
4.       Korrosionsschutzmaßnahmen
4.1.    Maßnahmen durch aktiven Korrosionsschutz
4.2.    Maßnahmen durch passiven Korrosionsschutz
5.       Verhaltensweise des Betons unter der Einwirkung von Mikroorganismen
5.1.    Allgemeines zur mikrobiologischen Korrosion
5.2.    Die Korrosion von mineralischen Werkstoffen durch Mikroorganismen
5.3.    Die Korrosion von Eisen durch Mikroorganismen
5.4.    Die Korrosion von polymeren Werkstoffen durch Mikroorganismen
6.       Die Bedeutung des pH-Wertes für die Beständigkeit des Stahlbetons
7.       
     
Literatur

1. Aufgabenstellung

In der vorliegenden Arbeit wird der Werkstoff Beton hinsichtlich der Beeinflussung durch verschiedene Umweltschäden, beispielsweise durch anorganische oder organische Verbindungen sowie durch mikrobiologische Prozesse, untersucht bzw. dargestellt. Beton wird durch äußere Einflüsse, wie Luft- und Gewässerverschmutzung, verschiedene organische und anorganische Verbindungen und mikrobiologische Prozesse, angegriffen und zum Teil sehr geschädigt.
Eine Übersicht zur gegenwärtigen Luftverschmutzung, vor allem dem aggressiv wirkenden SO2, soll zeigen, dass die Betonkorrosion in den letzten Jahren sehr stark zugenommen hat. In einer kurzen aber relativ breiten Form werden verschiedene Korrosionsmedien einschließlich der "korrosionsfähigen" Mikroorganismen und damit auch die Korrosionserscheinungen bzw. -vorgänge aufgeführt. Es geht dabei um eine allgemeine Aussage, die es ermöglicht die mikrobiologische Korrosion mit den anderen Korrosionserscheinungen zu vergleichen und eine hypothetische Schlussfolgerung zu ziehen.

2. Wirtschaftliche Auswirkungen der Korrosion

Eine direkte Abgrenzung, bei der mit Zahlen und Fakten die Verlusthöhe ausgedrückt wird, ist nur sehr schwer zu erstellen und bedarf einer umfangreichen Analyse, was aber nicht der Gegenstand dieser Arbeit sein soll. Vielmehr sollen in einer kurzen Aufstellung die Möglichkeiten der direkten und indirekten Verluste, die durch die Korrosion von Stahlbeton auftreten, aufgeführt werden.

a) Direkte Verluste
Durch Korrosion verursachte Kosten

Direkte Korrosionsschadenskosten

b) Indirekte Verluste
Indirekte Korrosionsschadenskosten

Schönburg/Stahr [/1/,16] schreiben dazu, daß "... Die auf Korrosion, alle ihre Auswirkungen und auf alle Korrosionsschutzaufwendungen zurück zuführenden jährlichen volkswirtschaftlichen Gesamtausgaben ... z.B. in der DDR faßt 3 Milliarden ... und in allen anderen Ländern der Erde etwa 50 Milliarden Mark betragen ..." sollen.

Brücke über den Bug in Vinnitza
Nachtrag: Betonkorrosion Brücke über den Bug in Vinnitza (2010), ein wichtiger Einfluss durch Kondenswasser.

3. Korrosion
3.1. Bergriff und Abgrenzung der Korrosion

Die Betonkorrosion ist eine von der Oberfläche ausgehende Zerstörung des Werkstoffes durch chemische bzw. biochemische Reaktionen mit der Umwelt. Bei der Korrosion des Bewehrungseisens spielen elektrochemische Reaktionen die hauptsächlichste Rolle. Die Zerstörung von Werkstoffen wie Beton ist in wenigen Fällen nur auf die Korrosion zurückzuführen. In den meisten Fällen tritt sie in direktem Zusammenhang mit Zerstörungsvorgängen physikalischer Art auf, was zum Beispiel in [/1/,12] wie folgt beschrieben wird:" Aus dem Beton betonierter Wasserbauten, der ständig den Wellenschlag des Meerwassers ausgesetzt ist, wird meist allmählich das Zementbindemittel herauslaugt. Diese Betonkorrosion ist auf die chemische Umsetzung der Kalziumverbindung des Zementsteins durch das im Meerwasser gelöste NaCl, MgSO4 , Na2SO4 und andere Salze in wasserlösliche Verbindungen zurückzuführen. Durch den Wellenschlag und den mitgeführten Sand wird die nun wasserlösliche Bindemittelsubstanz herausgelöst bzw. herausgerieben."

 

Betonstufen am Mittelmeer
Nachtrag: Betonstufen am Mittelmeer auf Djerba (2015)

3.2. Chemische Verbindungen, die eine Korrosion bewirken

3.2.1. Chemische Verbindungen in der Luft

Eine ganze Reihe von chemischen Verbindungen bewirkt die Korrosion. Neben dem Schwefeldioxid gibt es in den Industrieatmosphären noch andere chemische Verbindungen, die gasförmig sind oder als suspendierte Partikel vorkommen. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Staub, der zunächst kurz erläutert werden soll. Er kommt zum Teil in hoher Konzentration vor, so daß sich in Industrieländern monatlich über 45 Tonnen pro km² absetzen können [/3/,176]. An diesem Staub können sich korrosive chemische Verbindungen, wie Metalloxide, Salze z.B. (NH3)2SO4 oder auch Mikroorganismen, anhaften. Der Luftverschmutzungsgrad ist maßgeblich für den Keimanteil der Luft bestimmend. Zum Beispiel liegt die Verkeimung einer Wohnung bei 1 bis 10 Keime pro Liter. Ein hoher Anteil von aggressiven chemischen Verbindungen oder Mikroben in der Luft wirkt korrosionsgefährdend. So sind in der Stadtluft mit 2 mg Staub pro m³ Betonbauten wesentlich weniger gefährdet als in der Industrieatmosphäre, wo die Konzentration über 1000 mg/m3 erreichen kann [/4/,492].

Zur Zeit ist Schwefeldioxid der wichtigste korrosive Bestandteil der Atmosphäre. Es entsteht vor allem durch die ..." ... Verbrennung von Kohle (1 t Braunkohlenbrikett mit einem Schwefelgehalt von 1,8 bis 2,4% bilden 32 bis 43 kg SO2 mit dem Verbrennungsgas) Öl und Treibstoff. ... Die in New York City jährlich allein durch Verbrennung von Kohle und Öl entstehende SO2-Menge wird auf 1,5 Mill. t geschätzt." [/3/,172]

Auf der Grundlage der Braunkohlenförderung der DDR und der vorwiegend durch Wärmeerzeugung entstehenden SO2-Emission kann angenommen werden, daß der SO2-Anteil in der Luft in der DDR etwa 4 Mill. t beträgt.

Ein großer Anteil der Korrosionsschäden, 80 bis 90 %, wird durch die atmosphärische Korrosion verursacht, was vorwiegend auf das Schwefeldioxid zurückzuführen ist. Die SO2-Konzentration ist in den Industriegebieten sehr hoch und nimmt mit zunehmender Entfernung ab, was folgende Beispiele zeigen soll:

Stadt Entfernung in Kilometer
0-8        8-16      16-24
Detroit 0,023 ppm 0,012 ppm 0,006 ppm
Philadelphia-Camden 0,030 ppm 0,018 ppm 0,016 ppm
Pittsburg 0,060 ppm 0,030 ppm 0,015 ppm /8/

Das Industriegebiet Halle hat eine SO2-Konzentration von ca. 0,12 mg/m³, das industriearme Gebiet Potsdam dagegen nur 0,05 mg/m³. Die höchste Konzentration in der DDR dürfte bei Buna mit 8-9 mg/m³ sein. Es gibt jedoch eine ganze Reihe von sehr aggressiven Mikroorganismen in verschiedenen chemischen Betrieben. So wurde im Chemiekombinat Bitterfeld bei ausgelagerten St 38 u Korrosionsverluste nach dem ersten Auslagerungsjahr bis zu 2250 g/m3 festgestellt /9/.
Ein echter Erfolg konnte in Moskau durch zahlreiche Maßnahmen, wie z.B. die Auslagerung der Industriebetriebe, erreicht werden. Die SO2-Konzentration konnte dadurch in 20 Jahren um 66 bis 75% auf 0,05 mg/m³ gesenkt werden [/7/,30].

3.2.2. Korrosiv wirkende chemische Verbindungen im Boden und im Wasser

Die chemischen Bestandteile der Böden, die eine Korrosion des Stahlbetons hervorrufen können, sind je nach Standort in ihrer Konzentration und chemischen Verbindung unterschiedlich. Ebenso ist die Zusammensetzung in Grundwasser, Sickerwasser und offenen Gewässern unterschiedlich. Um hier eine genaue Aussage zu machen, bedarf es umfangreicher Untersuchungen, die jedoch an dieser Stelle nicht notwendig sind. Die in der Luft vorhandenen Schadstoffe, z.B. SO2, werden durch Regenwasser gelöst und gelangen durch den so genannten sauren Regen in den Boden und in das Sickerwasser bzw. Grundwasser. Dieser saure Regen führt zur Veränderung des pH-Wertes der Böden zu Gunsten saurer Reaktion.
Weiterhin werden durch den Regen erhebliche Düngemittelanteile (z.B. Phosphate, Stickstoffverbindungen) herausgelöst und gelangen in den Boden und weiterführend in Flüsse und Seen. Dadurch können verstärkte korrosive Zerstörungen an Wasserbauten auftreten. Bei der Korrosion von Beton spielen die Faktoren pH-Wert, Sauerstoff und Ionenkonzentrationen eine wichtige Rolle. Die Betonzerstörung an der Oberfläche ist erste Voraussetzung zum Eindringen dieser Schadstoffe bis auf die Stahlbewehrung, die nachfolgend eintretende Metallkorrosion führt zur Verminderung der Festigkeit der eingesetzten Betonteile.

3.3. Die Korrosion des Betons

Ein dichter und undurchlässiger Beton ist vor der Korrosion besser geschützt als ein poröser, daher muss der Wahl der Betonzusammensetzung und der Zuschlagstoffe große Beachtung geschenkt werden. Kalksteine oder Sandsteinarten werden relativ leicht durch das Einwirken von aggressiven Mitteln zerstört, z.B. bei dem Vorhandensein von Sauerwässern. Die Korrosion des Betons kann je nach den Eigenschaften des verwendeten Zements und der Zuschlagstoffe in verschiedene Richtungen verlaufen. Vor allem werden die Kalziumverbindungen wie z.B. CaCO3, 3CaO . SiO2, 3CaO . Al2O3, CaO und Ca(OH)2 durch Säuren und saure Salzverbindungen mit einem PH-Wert 6 angegriffen und chemisch umgesetzt. Das kann in folgende Richtungen verlaufen:

  1. Eindringende Wasser, weiches Wasser mit kleinem Kalziumgehalt hat das größte Lösungsvermögen, wirkt aufweichend und löst den Zementstein vor allem das Ca(OH)2 und spült es heraus.
  2. Zwischen den aggressiven Mitteln und dem Zementstein kommt es zu chemischen Reaktionen, deren Produkte zum Teil am Ort verbleiben oder auch gelöst und fortgeschwemmt werden. Diese Reaktionen werden gekennzeichnet durch die Einwirkung von MgCl2, MgSO4 oder freien Kohlensäuren (CO2) auf dem Beton. Bei den Reaktionen können sich wasserlösliches CaCl2 oder CaSO4 . 2H2O (Gips) bilden.
  3. Die chemischen Reaktionsprodukte, die zwischen den aggressiven Stoffen und dem Beton entstehen, werden nicht gelöst, sondern in den Hohlräumen abgelagert. Es entstehen Spannungen (treibende Korrosion), so dass der Beton zerstört wird. Diese Kristalle werden unter anderem durch das Einwirken von Schwefelsäuresalzen bewirkt. Es kann so z.B. durch mittelstarke Sulfate Kalziumaluminiumsulfat (3 CaAl2O3 . 3 CaSO4 . 32 H2O) entstehen.

Einige Beispiele sollen die Verschiedenartigkeit der Korrosion darstellen:
1. Ammoniak und Ammoniumdünger können durch ihre Lagerung, durch Abwässer, Sickerwasser oder andere Möglichkeiten mit dem Beton in Berührung kommen, dabei kann das Salmiak (NH4Cl) folgende Reaktion auslösen:

2 NH4Cl + Ca(OH)2 ---> CaCl2 + 2 NH3 + 2 H2O

Das Ammoniumchlorid reagiert unter Feuchtigkeit mit dem Zementstein. Es wird Ammoniakgas, welches entweicht, und Kalziumchlorid, welches sich außen ablagert, gebildet. Das letztgenannte ist das Korrosionsprodukt.

2. In vielen chemischen Produkten, Ascheablagerungen in Oberflächen-, Ab- und Meereswasser befinden sich Sulfate, deren Lösungen sehr tief in die Baustoffe eindringen und mit den Kalziumverbindungen des Zementsteins reagieren. Das Volumen des entstehenden Kalziumsulfats ist wesentlich größer und treiben somit das Betongefüge auseinander (treibende Korrosion).

MgSO4 + Ca(OH)2 + 2 H2O ---> CaSO4 . 2 H2O + Mg(OH)2

3. Schwefeldioxid, welches in Verbrennungsgasen vorkommt, bildet mit Wasser eine Säure (H2S04 oder H2SO3). Diese Säure kommt in chemischen Produkten, in Abwässern und im Wasser vor. Die Säure bildet mit dem Kalziumhydroxid das zum Teil wasserlösliche und treibende Kalziumsulfat (Gips).

Ca(OH)2 + H2SO4 --> CaSO4 + 2 H2O

4. In Industrieabwässern oder in, durch Hydrolyse freigesetzten, Chloridionen treten Salzsäuren oder Salzsäuregase auf. Dabei erfolgt die chemische Umsetzung von Kalziumhydroxid zu wasserlöslichem Kalziumchlorid.

2 HCl + Ca(OH)2 ---> CaCl2 + 2 H2O

Als noch tragbarer Cl-Anteil bezogen auf den Anteil Zement ist für schlaffbewehrten Beton 0,4 Gew.-% und für Spannbeton 0,02 Gew.-% möglich.

Eine weiter Art der korrosiven Schädigung des Betons beschreibt Donndorf in [/2/,91]: "Mineralöle und Treibstoffe durchdringen lufttrockenen Beton bei Viskositäten > 20 cSt. Eine Schädigung tritt dabei im Allgemeinen nicht ein, es werden Minderungen der Betondruckfestigkeit bis zu 15% festgestellt, die nach einer Trocknung reversibel sind."
Organische Säuren, die vorwiegend bei mikrobielle Gärungsprozessen entstehen, wie Essig- und Milchsäure oder andere organische Produkte, die Säuren abspalten oder enthalten (wie z.B. bei Kabelbränden von PVC-Leitungen das freiwerdende Cl2), gehen mit dem Ca(OH)2 eine Verbindung ein und sind somit betonschädigend.

Weitere Ausführungen zu Betoneigenschaften und Beispiele zur Betonkorrosion.

Nachtag Beispiel
Betonkorrosion durch Chloride
Betonkorrosion an Betonsteine des Fußweges durch Chloride in der Nähe des Meeres auf Djerba (2016)

Bank aus Beton
Betonnkorrosion Betonbank
Starke Betonkorrosion der Bänke aus Beton wenige Meter vom Meer entfernt. Die Korrosion wir durch die salzhaltige Meeresluft verursacht (Djerba). Ursache dürfte die falsche Auswahl an Zement (hier mit großer Wahrscheinlichkeit Portlandzement) und Zuschläge sein.


Korrosion von Beton und Stahlbeton durch chemische Verbindungen und Mikroorganismen 29.9.1984 - Peter Rauch -

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