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Zuverlässige Bestimmung von Chloridgehalten bei der Instandsetzung tausalzgeschädigter Bauwerke
(2010)
Der Chloridgehalt, ab dem bei der Bewehrung im Beton mit Korrosion gerechnet werden muss, wird als kritischer Chloridgehalt bezeichnet. Die Höhe dieses kritischen Chloridgehaltes bestimmt in hohem Maße den Instandsetzungsumfang und damit die Instandsetzungskosten. Zahlreiche Labor- und Bauwerksuntersuchungen belegen, dass dieser kritische Chloridgehalt von einer Vielzahl von Parametern abhängt und deswegen kein fester Wert sein kann. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, über Betrachtung von Korrosions- bzw. Depassivierungswahrscheinlichkeiten einen unteren kritischen Chloridgehalt zu bestimmen, bei dem bei gegebenen Randbedingungen nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit (z. B. 5%-Fraktilwert) Korrosion von Stahl in Beton zu erwarten ist. Die Auswertung von zahlreichen Untersuchungen zeigt, dass der Ansatz eines kritischen Chloridgehaltes von 0, 5 M.-% bezogen auf den Zementgehalt bei Einhaltung bestimmter Randbedingungen mit einer hinreichend geringen Korrosionswahrscheinlichkeit korreliert und somit auch in Übereinstimmung mit der Richtlinie 'Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen' des DAfStb als unterer kritischer Chloridgehalt unter Praxisbedingungen anzusetzen ist.
Der maßgebliche Korrosionsschutz von nicht rostendem Stahl in Beton basiert, anders als bei unlegiertem Betonstahl, auf der Ausbildung einer Chromoxidschicht. Die Chromoxidschicht ist in alkalischem und in carbonatisiertem Beton beständig, sodass nicht rostende Stähle in einem passiven Zustand vorliegen.
Die Initiierung von Lochkorrosionserscheinungen ist dagegen auch an nicht rostenden Stählen in Beton möglich. Der korrosionsauslösende Chloridgehalt ist neben dem Gehalt an Legierungselementen (insbesondere dem Chromgehalt) und der Oberflächenbeschaffenheit auch vom Konzentrationsverhältnis von OH“ zu CI“ im Elektrolyten abhängig. Daher ist prinzipiell zu erwarten, dass in karbonatisierten Betonen geringere Chloridgehalte Korrosion initiieren können als in Betonen mit höheren pH-Werten. Dies gilt in besonderem Maße für nicht rostende Betonstähle mit geringen Chromgehalten, wie z. B. Produkte aus dem Werkstoff 1.4003 (X2CrNi12) mit seiner im Vergleich zu den Standardausteniten geringen Beständigkeit. Um den kritischen korrosionsauslösenden Chloridgehalt am Beispiel eines am Markt verfügbaren ferritischen Chromstahls zu bestimmen, wurden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) umfangreiche Untersuchungen zu beschleunigten Korrosionsversuchen in alkalischen und karbonatisierten Mörteln durchgeführt. Mittels Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) konnten die korrosionsauslösenden Chloridgehalte im Phasengrenzbereich Betonstahl-Mörtel ermittelt werden.
Stahlbetonbauwerke der Verkehrsinfrastruktur sind nutzungsbedingt Expositionen ausgesetzt, die zu Schä-den an der Konstruktion führen können. Dabei ist in erster Linie die Einwirkung von tausalzhaltigen Wässern im Winter zu nennen, die durch den Beton kapillar und über Diffusionsvorgänge aufgenommen werden. Ein Weg, die kapillare Wasseraufnahme zu unterbinden, ist eine Tiefenhydrophobierung der Werkstoffoberflä-chen durch siliziumorganische Verbindungen. Die Wirksamkeit und die Dauerhaftigkeit dieser Tiefenhydro-phobierungen werden im Wesentlichen durch die Eindringtiefe und den Wirkstoffgehalt in der Betonrandzone bestimmt. Diese beiden Parameter gilt es also in der Qualitätssicherung zu überprüfen.
Bisherige Verfahren zur Qualitätssicherung einer hydrophobierenden Maßnahme sind mit einer Bohrkernent-nahme verbunden, da die Analysen im Labor durchgeführt werden müssen. Andere Verfahren arbeiten zwar zerstörungsfrei und können am Objekt durchgeführt werden, liefern aber keine Informationen über die Ein-dringtiefe und die Wirkstoffverteilung. Das Fehlen eines geeigneten Qualitätssicherungs-Verfahrens hat eine breite praktische Anwendung der als technisch sehr leistungsfähig geltenden Tiefenhydrophobierungen bisher verhindert.
Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens wurde ein Verfahren entwickelt mit dem direkt vor Ort das Vorhandensein der Tiefenhydrophobierung nachgewiesen und die Wirkstoffverteilung in der Betonrandzone detektiert werden kann. Da der chemische Kontrast einer Tiefenhydrophobierung zum Beton gering ist mussten „reaktive Marker“ entwickelt werden, die an das eigentliche Hydrophobierungsmittel chemisch gebunden wurden. Mit dem Verfahren der „Laser Induced Breakdown Spetroscopy“ (LIBS) konnte dann die Verteilung des als Marker verwendeten Elementes, und damit der Wirkstoffgehalt in der Betonrand-zone qualitativ und quantitativ bestimmt werden.
Das Vorhaben SILAMARK wurde als Verbundprojekt unter Beteiligung der Sto SE & Co. KGaA, der Bundes-anstalt für Materialforschung und –prüfung, der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft (HsKa), der Aqua Stahl GmbH und der Specht Kalleja + Partner Beratende Ingenieure GmbH realisiert.