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Organisationseinheit der BAM
Alkali-aktivierte Hüttensandbetone – CO2-reduzierte Bindemittel mit hohem Korrosionsschutzpotential
(2023)
Durch den Ersatz von Portlandzement können alkali-aktivierte Bindemittel einen bedeutenden Beitrag zur Verringerung der durch die Zementklinkerherstellung verursachten CO2-Emissionen leisten. Für die Verwendung von alkali-aktivierten Bindemitteln in Stahlbetonkonstruktionen, die Chloriden oder Carbonatisierung ausgesetzt sind, ist die Fähigkeit des Stahls, den passiven Zustand zu erreichen und aufrechtzuerhalten, von großer Bedeutung. Die Prozesse der Deckschichtbildung von Stahl in alkali-aktivierten Materialien unterscheiden sich jedoch zum Teil grundlegend von denen in Portlandzementen. Alkali-aktivierte Hüttensandbetone weisen gute technische Eigenschaften auf, bisher fehlen jedoch grundlegende Kenntnisse bzgl. ihrer schützenden Wirkung bei korrosiven Angriffen. Dies ist vor allem auf ihre sulfidhaltige Porenlösung zurückzuführen, welche die elektrochemischen Eigenschaften der Stahloberfläche beeinflusst und die Verwendung herkömmlicher Bewertungsmaßstäbe erschwert. Es werden erste Ergebnisse eines DFG-Forschungsprojektes vorgestellt, in dem das Passivierungsverhalten von Stahl in alkali-aktivierten Hüttensandmörteln unterschiedlicher Zusammensetzungen sowie in Mörteln auf Basis hüttensandhaltiger Normzemente untersucht wird. Über einen Zeitraum von mindestens 28 Tagen werden an Zylinderprüfkörpern im 3-Elektroden-Aufbau das Ruhepotential sowie die Polarisationswiderstände der Stahlelektroden ermittelt.
Alkalisch aktivierte Bindemittel (AAB) und Betone können herkömmliche Zemente beziehungsweise Betone potentiell in vielen Anwendungen ersetzen und dadurch den CO2-Fußabdruck der Bauindustrie wesentlich verkleinern. Zur Untersuchung der Stahlkorrosion in bewehrten („armierten“) Betonbauteilen werden elektrochemische Methoden wie Messungen des Freien Korrosionspotentials, des Polarisationswiderstands oder von Stromdichte-Potential-Kurven eingesetzt. Diese Methoden und die etablierten Grenzwerte zur Detektion von Korrosion sind für die Anwendung bei herkömmlichen Zementen beziehungsweise Betonen entwickelt und erprobt worden. Neue Forschungsergebnisse demonstrieren, dass Unterschiede zwischen den Porenlösungszusammensetzungen von herkömmlichen Zementen und bestimmten AAB sowie anderen schlackehaltigen Zementen erhebliche Unterschiede bei den Ergebnissen der elektrochemischen Messungen bewirken und damit zur fehlerhaften Detektion von Stahlkorrosion führen können. Ursache hierfür sind vor allem reduzierte Schwefelspezies in den Porenlösungen von AAB und anderen schlackehaltigen Zementen.
Une transition mondiale vers des systèmes énergétiques plus durables, abordables et fiables a été initiée par l’accord de Paris et l’Agenda 2030 des Nations unies pour un développement durable. Il s’agit là d’un défi industriel majeur car les systèmes et infrastructures énergétiques résilients au changement climatique exigent de se positionner pour le long terme. Se pencher sur le comportement dans la durée des matériaux structurels - principalement des métaux et des alliages - s’impose alors comme une nécessité. Dans cette optique, « La corrosion : un défi pour une société durable »présente une série de cas montrant l’importance de la tenue à la corrosion et de la protection anticorrosion des métaux et des alliages pour le développement de systèmes durables, économiques et fiables de production d’énergie.
Die in diesem Forschungsvorhaben untersuchten Anodensysteme sind für die Anwendung als diskrete Anoden im Rahmen einer Installation unter klassischen Aspekten des KKS-B nicht zu verwenden.
Alle untersuchten Systeme unterliegen mit der Zeit einer zunehmenden anodischen Hemmung infolge der Bildung von Korrosionsprodukten. Diese erhöhen den Diffusionswiderstand im Phasengrenzbereich und haben dort einen signifikanten Einfluss auf die thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen, infolge derer die Eigenkorrosion über die Zeit ebenfalls abnimmt.
Die Installation der Systeme A1, A2 sowie C bei höheren Bauteilfeuchten kann zur Vermeidung des sogenannten Anodenringeffektes verwendet werden.
Eine Modellbildung für eine effektive Nutzungsdauer kann unter Hinzuziehung der ermittelten elektrochemischen Parameter nicht zielführend erfolgen. Nutzungsdauern von 1 bis 2 Jahren können grundlegend mit den Anodensystemen A1, A2 und C erreicht werden, hierzu müssen aber ausreichend hohe Bauteilfeuchten gewährleistet werden.
Die theoretischen Lebensdauern aus der numerischen Simulation der galvanischen Elemente berücksichtigen eine Änderung der anodischen Teilstromdichte über die Zeit nicht und gehen von ungehemmten, aktiv korrodierenden Anoden aus. Eine Reduktion der Korrosionsaktivität wird äquivalent durch den Anstieg des Polarisationswiderstandes gespiegelt und zeigt, dass die Systeme in ihrer Lebensdauer auf Basis einer zunehmenden, deckschichtbasierten, anodischen Hemmung limitiert sind. Die Bauteilfeuchten haben grundlegend einen signifikanten Einfluss auf die Korrosionsaktivität und die daraus resultierende Effektivität der verbauten Anoden. Der höhere Ladungsumsatz führt jedoch auch zwangsläufig zu einer beschleunigten Deckschichtbildung, was im Umkehrschluss zu einem vorzeitigen Versagen der Anodensystem gegenüber dem Einsatz unter geringeren Bauteilfeuchten führen kann.
Auf Basis der Ergebnisse aus den Arbeitspaketen muss festgehalten werden, dass das Ziel des Forschungsvorhabens nur teilweise erreicht wurde. Hybride Anodensysteme, die unter Fremdstrombetrieb agieren, konnten mangels Verfügbarkeit nicht untersucht werden. Einbettmörtel der Hersteller konnten nicht untersucht werden, die pastösen Einbettmittel haben aufgrund der schlechten Performance in Wechselwirkung mit den Anoden keinen Anlass gegeben, diese weitergehenden Untersuchungen zu unterziehen.
Application of electrochemical methods for studying steel corrosion in alkali-activated materials
(2023)
Alkali-activated materials (AAMs) are binders that can complement and partially substitute the current use of conventional cement. However, the present knowledge about how AAMs protect steel reinforcement in concrete elements is incomplete, and uncertainties exist regarding the application of electrochemical methods to investigate this issue. The present review by EFC WP11-Task Force ‘Corrosion of steel in alkali-activated materials’ demonstrates that important differences exist between AAMs and Portland cement, and between different classes of AAMs, which are mainly caused by differing pore solution compositions, and which affect the outcomes of electrochemical measurements. The high sulfide concentrations in blast furnace slag-based AAMs lead to distinct anodic polarisation curves, unusually low open circuit potentials, and low polarisation resistances, which might be incorrectly interpreted as indicating active corrosion of steel reinforcement. No systematic study of the influence of the steel–concrete interface on the susceptibility of steel to corrosion in AAMs is available. Less common electrochemical methods present an opportunity for future progress in the field.
A global transition towards more sustainable, affordable and reliable energy systems is being stimulated by the Paris Agreement and the United Nation's 2030 Agenda for Sustainable Development. This poses a challenge for the corrosion industry, as building climate‐resilient energy systems and infrastructures brings with it a long‐term direction, so as a result the long‐term behaviour of structural materials (mainly metals and alloys) becomes a major prospect. With this in mind “Corrosion Challenges Towards a Sustainable Society” presents a series of cases showing the importance of corrosion protection of metals and alloys in the development of energy production to further understand the science of corrosion, and bring the need for research and the consequences of corrosion into public and political focus. This includes emphasis on the limitation of greenhouse gas emissions, on the lifetime of infrastructures, implants, cultural heritage artefacts, and a variety of other topics.
The steel–concrete interface (SCI) is known to influence corrosion of steel in concrete. However, due to the numerous factors affecting the SCI—including steel properties, concrete properties, execution, and exposure conditions—it remains unclear which factors have the most dominant impact on the susceptibility of reinforced concrete to corrosion. In this literature review, prepared by members of RILEM technical committee 262-SCI, an attempt is made to elucidate the effect of numerous SCI characteristics on chloride-induced corrosion initiation of steel in concrete. We use a method to quantify and normalize the effect of individual SCI characteristics based on different literature results, which allows comparing them in a comprehensive context. It is found that the different SCI characteristics have received highly unbalanced research attention. Parameters such as w/b ratio and cement type have been studied most extensively. Interestingly, however, literature consistently indicates that those parameters have merely a moderate effect on the corrosion susceptibility of steel in concrete. Considerably more pronounced effects were identified for (1) steel properties, including metallurgy, presence of mill scale or rust layers, and surface roughness, and (2) the moisture state. Unfortunately, however, these aspects have received comparatively little research attention. Due to their apparently strong influence, future corrosion studies as well as developments towards predicting corrosion initiation in concrete would benefit from considering those aspects. Particularly the working mechanisms related to the moisture conditions in microscopic and macroscopic voids at the SCI is complex and presents major opportunities for further research in corrosion of steel in concrete.
Mit Veröffentlichung der europäischen Normenreihe EN 1504 in den Jahren 2004 bis 2008 mussten in Deutschland die bisherigen nationalen Regelungen für die Instandsetzung von standsicherheitsrelevanten Betonbauteilen angepasst werden. Im vorliegenden Entwurf der neuen Instandhaltungs-Richtlinie wurden die Hinweise zur Planung und Durchführung von Instandsetzungsmaßnahmen aus der Instandsetzungsrichtlinie des DAfStb von 2001 entsprechend überarbeitet und aufgrund neuer Erkenntnisse ergänzt. Außerdem wurde das Regelwerk um Gesichtspunkte der Instandhaltung erweitert, sodass die Aspekte Wartung, Inspektion und Verbesserung nun in Anlehnung an DIN 31051 berücksichtigt werden. Zudem wurden Regelungen aus der ZTV-ING sowie der ZTV-W übernommen. Im ersten Teil dieses Artikels geben wir einen Überblick über die Gliederung und wesentliche neue Inhalte wie die Ausweitung der Instandsetzungsprinzipien.
In einer Artikelserie stellen wir die neue Instandhaltungs-Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) vor. Im zweiten Teil geht es um Betonersatz- und Oberflächenschutzsysteme sowie Rissfüllstoffe. Es werden als Folge des EuGH-Urteils vom Oktober 2014 zukünftig keine Anforderungen an Bauprodukte mit dem Nachweis über allgemeine bauaufsichtliche Prüfzeugnisse gestellt. Stattdessen werden auf Basis der Anforderungen individueller Bauwerke notwendige Merkmale von Bauprodukten für die Instandsetzung definiert. Außerdem wird Teil 3 der neuen Instandhaltungs-Richtlinie "Ausführung der Instandsetzung und Überwachung" vorgestellt. Neu ist hier die Einführung von Überwachungsklassen, die sich aus der Art des instand zu setzenden Betonbauteils (standsicherheitsrelevant oder nicht) und der auszuführenden Arbeiten ergeben, zum Beispiel Instandsetzung oder Verstärkung. Am Ende dieses Artikels wird kurz der 4. Teil der neuen Instandhaltungs-Richtlinie erläutert.
Die Zielsetzung dieses Projektes war es, ein kombiniertes Schutzsystem aus Spritzverzinkung und abdichtendem Oberflächenschutzsystem für die Instandsetzung chloridbelasteter und korrosionsgeschädigter Stahlbetonbauteile zu entwickeln. Dabei soll die Spritzverzinkung der Betonoberfläche in den ersten Jahren nach der Instandsetzung einen kathodischen Korrosionsschutz der Bewehrung bewirken, bis der Beton infolge des Oberflächenschutzsystems soweit ausgetrocknet ist, dass auch ohne kathodischen Schutz praktisch keine Korrosion der Bewehrung mehr stattfinden kann.
Anhand von Untersuchungen zur Haftung zwischen Beton, Zinkschicht und verschiedenen Oberflächenschutzsystemen wurde der Aufbau des kombinierten Schutzsystems entwickelt. Es wurden verschiedene OS-11a-Systeme ein OS-13-System sowie zwei Systeme nach ZTV-ING, Teil 7 vor und nach künstlicher Bewitterung untersucht. Anhand der Ergebnisse wurde für das kombinierte System ein OS-11a-System ausgewählt und im weiteren hinsichtlich der Wirksamkeit des kathodischen Schutzes sowie hinsichtlich der Austrocknung des Betons untersucht.
Es zeigte sich sowohl an ausgelagerten Prüfköpfen sowie auf einer angelegten Versuchsfläche auf Freideck eines Parkhauses, dass ein wirksamer galvanischer kathodischer Korrosionsschutz der Bewehrung nur bei sehr hohen Chloridgehalten (4 M.-% bezogen auf den Zementgehalt) erreicht werden kann. Bei geringeren untersuchten Chloridgehalten kam es vermutlich infolge der Austrocknung der Zink/Beton-Kontaktzone nach relativ kurzer Zeit zu einer Inaktivierung des Zinks. Bei Chloridgehalten von 4 M.-% bildeten sich zwischen der Zinkschicht und dem ausgewählten OS-System gasgefüllte Blasen. Diese Problematik, sowie die Tatsache dass die Wirksamkeit des Prinzips W (Austrocknung des Betons) bei derart hohen Chloridgehalten bezweifelt werden muss, grenzt die Anwendbarkeit des Kombinationssystems mit der Zinkschicht als Opferanode deutlich ein.
An neun Jahre alten, ausgelagerten Prüfköpfen durchgeführte Untersuchungen zeigten jedoch, dass mittels Fremdstrombeaufschlagung zwischen Zinkschicht und Bewehrung ein wirksamer kathodischer Schutz auch bei geringeren Chloridgehalten erreicht werden kann. Der Einsatz des entwickelten Kombinationssystems mit Fremdstrombeaufschlagung erscheint somit durchaus durchführbar. Dabei sollte der Fremdstrom jedoch vorsichtig dosiert werden, um den Haftverbund zum Zink nicht zu sehr zu schwächen.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.