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Organisationseinheit der BAM
Um zu klären unter welchen Umständen eine Gefährdung von Spannstählen beim Kontakt mit verzinkten Bauteilen gegeben ist, wurden umfangreiche Laborversuche in alkalischen Lösungen und verschiedenen Betonen sowie Zeitstandversuche an Spannbetonprobekörpern durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Abstandsvariationen im Nahbereich nur einen geringen Einfluss auf die Polarisation des Stahles haben. Ein praxisrelevanter, unkritischer Abstand für den indirekten Kontakt des Spannstahls, z. B. über die Bewehrung, konnte daher nicht definiert werden. Aus den Versuchsreihen wurde deutlich, dass ein wesentlicher Einfluss durch das Flächenverhältnisses Stahl: Zink gegeben ist. Hier konnte eine praxisrelevante Grenze ermittelt werden. Danach führen Flächenverhältnisse größer 10 : 1 nicht zu einer Polarisation des Spannstahls in den Bereich der Wasserstoffentwicklung. Die im Labor gewonnen Ergebnisse konnten durch Untersuchungen zunächst an realen Betonfertigteilen, später auch an Spannbetonfertigteilen bei der Fa. Rekers verifiziert werden. Auf der Grundlage dieser Untersuchungen wurde für eine spezielle Spannbetonbinderausführung, bei der die Flächenverhältnisse in unkritischen Breichen lagen, für die Verwendung von verzinkten Einbau- teilen im indirekten Kontakt mit Spannstählen eine Zustimmung im Einzelfall gegeben. Während der Vorhabensbearbeitung wurde von den beteiligten Firmen eine weitere Problematik angesprochen. Dabei ging es um den Einsatz von verzinkten Einbauteilen in Spann- betonfertigteilen aus Stahlfaserbeton. Auch hier war die Frage, ob eine Gefährdung der Spannstähle durch indirekten Kontakt über die nicht verzinkten Stahlfasern möglich ist. Durch Untersuchungen an realen Fertigteilabschnitten bei den Firmen Rekers und Max Bögl konnte gezeigt werden, dass ein Kontakt über die Stahlfasern selbst über sehr kurze Entfernungen nicht vorliegt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurden für derartige Fertigteile beim Deutschen Institut für Bautechnik entsprechende bauaufsichtliche Zulassungen unter Verwendung verzinkter Einbauteile beantragt. Um eine sichere Gefährdungsabschätzung bei indirektem Kontakt für Flächenverhältnisse vornehmen zu können, bei denen eine Polarisation der Spannstähle in den Bereich der Wasserstoffentwicklung erfolgt, wurden Zeitstandversuchsreihen unter Wasserstoffbeladung durchgeführt. Diese führten an zugelassenen Spannstählen nicht zu Brüchen während der Versuchszeit. Die anschließend ermittelten mechanischen Kennwerte zeigten keine signifikanten Änderungen. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen, die bezüglich der Bela- dungsmenge, der Beladungszeiten und der gewählten Vorspannung sehr konservativ ausgelegt wurden, ist ein indirekter Kontakt von Spannstählen zu verzinkten Einbauteilen als unkritisch zu bewerten. Eine entsprechende Änderung der Norm ist anzustreben. Aus grundsätzlichen Gründen der direkte Kontakt durch Einhaltung des in der DIN 1045-1 geforderten Mindestabstandes von 2 cm aber weiterhin sicher auszuschließen. Dies stellt für die Anwender aus praktischer Sicht kein Problem dar. Durch die in enger Zusammenarbeit mit der Industrie durchgeführten Forschungsarbeiten wird es den Anwendern ermöglicht, zukünftig verzinkte Einbauteile in Spannbetonfertigteilen einzusetzen. Teilweise konnte der Einsatz durch Zustimmungen im Einzelfall bzw. durch bauaufsichtliche Zulassungen bereits unmittelbar in der Praxis umgesetzt werden. Damit wurde das Ziel des Vorhabens erreicht.
In order to clarify under which practical conditions real risks for hydrogen-induced stress corrosion cracking of prestressing steels exist laboratory investigations in aqueous solutions and concrete as well as tests with stressed prestressing steels were carried out. While different distances between steel and zinc (cathode and anode) showed only a negligible influence on the polarisation of the steel a significant dependence on the area ratio steel/zinc was observed. A critical area ratio of 10:1 can be defined above which polarisation of the steel to hydrogen evolution potentials is unlikely. The results obtained in the laboratory concerning the critical area ratio were confirmed by on-site investigations in a precasting plant. Exposure tests with hydrogen loading did not lead to fractures during the testing time for approved prestressing steels. The characteristic mechanical values determined immediately after the hydrogen loading tests did not show significant changes. Thus, an indirect contact between prestressing steels and galvanised elements can be estimated as uncritical. But a direct contact has to be excluded by compliance with DIN 1045-1, i.e minimal distance of 2 cm between prestressing steel and galvanised elements.
Risk of stress corrosion cracking of prestressing steels in contact with galvanized components
(2010)
Neben konstruktiven Anforderungen werden an nichtrostende Stähle im Bauwesen häufig hohe optische Ansprüche gestellt. Unerwartete Beeinträchtigungen des optischen Erscheinungsbildes nichtrostender Stähle unter wenig korrosiven Bedingungen sind in der Zwischenzeit ein weit verbreitetes Problemfeld und Gegenstand zahlreicher Streitfälle. Vielfach wird die Vermutung geäußert, dass eine veränderte Legierungszusammensetzung, veränderte Umweltbedingungen oder auch die unsachgemäße Verarbeitung die Ursache für diese Erscheinungen sind. Durch eine systematische Untersuchung zahlreicher Schadensfälle an Stabmaterial in den vergangenen zwei Jahren im Rahmen eines Forschungsvorhabens konnte gezeigt werden, dass die Ursachen in bekannten Werkstofffehlern zu finden sind. Hierzu gehören chemische Inhomogenitäten, wie zum Beispiel Ausscheidungen und örtliche Aufkohlung, sowie geometrische Fehler, wie zum Beispiel Hinterschnitte, Walzfehler und Schalenbildung. Die Fehler konnten damit eindeutig als Herstellungsfehler der jeweiligen Halbzeuge identifiziert werden.
Im Zusammenhang mit Planungs- und Entwicklungsaufgaben, den Forderungen in Normen und Regelwerken, in betrieblichen Arbeitsanweisungen, den Vorgaben für Zulieferteile oder bei der Auseinandersetzung mit Schadensfällen stellen sich häufig Fragen zum Korrosionsschutz sowie zu entsprechenden Prüf- und Untersuchungsverfahren. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sollen z. B. eine Eignung von Werkstoffen oder Schutzsystemen unter spezifischen Einsatzbedingungen, die Dauerhaftigkeit des Schutzes, den Nachweis einer gleichbleibenden Qualität, die Vergleichbarkeit bekannter mit neuen Korrosionsschutzkonzepten oder den Wirkungsnachweis für gezielte Systemeingriffe belegen. Schnell wird deutlich, dass sich aus dem Blickwinkel verschiedener Branchen ganz unterschiedliche Anforderungsprofile ergeben, die ihren Niederschlag dann in unterschiedlichen Strategien der Prüf- und Untersuchungsverfahren finden.
Systematic laboratory and field exposure tests allow to compare nine different stainless steels (three ferritic, three austenitic, and three duplex grades) for civil engineering applications. The influence of surface finish was also taken into account by choosing five different industry-specific features. The three duplex stainless steels revealed excellent corrosion resistance under most of the test conditions. Especially for applications in civil engineering the lean duplex steels offer distinct advantages. The manganese-alloyed 1.4376 and the ferritic steel 1.4509 cannot be recommended as alternative materials as they did not perform satisfactorily.
Nine different stainless steel alloys were exposed for 5 years under marine environment and their corrosion behaviour was compared and assessed. The investigation of four different surface finishes for all alloys tested further enabled to consider industry-specific features of the surface finish for the material comparison. The results of the exposure tests yield conclusions regarding the influence of alloy composition, surface finish and exposure duration under marine environment. The three duplex stainless steels revealed excellent corrosion resistance even in case of crevices during the 5 years of exposure under the given exposure conditions. Also the molybdenum-alloyed ferritic steel 1.4521 showed good corrosion resistance comparable to the classical austenitic materials 1.4301 and 1.4404.
The presented investigations have proved the principal suitability of the KorroPad method to assess the passive layer stability of stainless steels. The electrochemical mode of action could be described in detail and limitations of the applicability have been demonstrated. The influence of different surface finishes has been investigated and verified by known methods for describing corrosion resistances. As a result, the increased corrosion susceptibility of two ground surfaces has been detected, but also the corrosion resistance of further surface finishes could be confirmed.
The reduction of the chromate contents in cements affects the electrochemical reactions of galvanized reinforcing steels in fresh concrete. By means of electrochemical measurements and bar pull-out tests the effect of chromates on the formation of protective coatings at the zinc and the bond behaviour have been investigated using chromate-containing and chromate-reduced cements. The results have shown that the bond zone was affected as a result of chromate reduction for cement types CEM I and CEM II. The disturbance to the bond zone should be considered as long-term in relation to the pore structure which is formed. The effects on the bond are largely compensated for as the concrete ages. The results of the related bond strength with displacement paths of 0.1 and 0.5?mm, respectively, are still within the range of expected figures for non-galvanized reinforcing steel despite the structural disturbance. Under practical aspects it is not necessary that the existing structural disturbance with respect to bond strength is taken into consideration.
Durch systematische Labor- und Auslagerungsuntersuchungen ist es möglich, sieben unterschiedliche nichtrostende Stahllegierungen hinsichtlich verschiedenster Anwendungen untereinander und auch in Bezug auf zwei austenitische Standardwerkstoffe (1.4301, 1.4404) zu vergleichen. Die parallele Untersuchung von fünf verschiedenen Oberflächenausführungen der jeweiligen Werkstoffe ermöglicht zudem, branchenspezifische Besonderheiten der Oberflächenausführung beim Werkstoffvergleich zu berücksichtigen. Der Einfluss der Oberflächenausführung wird überwiegend bei den Ergebnissen der Auslagerungsversuche in kritischen Atmosphären sichtbar, weniger bei den elektrochemischen Untersuchungen.
Die drei Vertreter aus dem Bereich der Duplexstähle zeigten unter den meisten Untersuchungsbedingungen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Insbesondere für Anwendungen im Bauwesen können die Lean-Duplexstähle deutliche Vorteile bieten. Der Manganaustenit 1.4376 sowie der Ferrit 1.4509 sind nur eingeschränkt als Alternativen geeignet, da die Werkstoffe bei einigen Versuchen signifikante Schwächen zeigten.---------------------------------------------------------------------------
The systematic laboratory and field exposure tests allow to compare seven different stainless steels among each other and also regarding two standard austenitic materials (1.4301, 1.4401) with respect to various applications. Parallel investigations with five different surface finishes of the respective materials enable to consider also industry-specific features of the surface finish. The influence of the surface finish can mainly be seen in the results of the exposure tests in critical atmospheres and less in the electrochemical investigations.
The three duplex stainless steels showed under most of the test conditions excellent corrosion resistance. Especially for applications in civil engineering the lean duplex steels offer clear advantages. The manganese alloyed 1.4376 and the ferritic steel 1.4509 are only limited suitable as alternatives as these materials showed significant weaknesses in some of the tests.
Korrosions- und Verbundverhalten verzinkter Betonstähle in Betonen mit chromatreduzierten Zementen
(2011)
Durch die Absenkung des Chromatgehalts der Zemente verändern sich die elektrochemischen Reaktionen von verzinkten Betonstählen in der Frischbetonphase. Mit Hilfe von elektrochemischen Messungen sowie Stabauszugsversuchen wurde an chromathaltigen und chromatreduzierten Zementen die Auswirkung des Chromats auf die Deckschichtbildung am Zink und auf das Verbundverhalten untersucht.
Mit den Ergebnissen konnte eine Beeinträchtigung der Verbundzone als Folge der Chromatreduzierung für die Zementarten CEM I und CEM II nachgewiesen werden. Die Störung der Verbundzone ist in Bezug auf die sich ausbildende Porenstruktur als dauerhaft anzusehen. Die Auswirkungen auf das Verbundverhalten werden mit zunehmendem Betonalter weitgehend kompensiert. Die Ergebnisse der bezogenen Verbundspannung bei Verschiebewegen von 0,1 mm und 0,5 mm liegen trotz der Gefügestörung noch im Bereich der Erwartungswerte für den unverzinkten Betonstahl. Unter baupraktischen Gesichtspunkten muss die auftretende Gefügestörung hinsichtlich der Verbundspannung daher keine Berücksichtigung finden.
In addition to constructional requirements in civil engineering stainless steels often have to fulfil high visual demands. Unexpected impairments of the visual appearance of stainless steels under low corrosive conditions are a widespread problem today. Frequently it is supposed that this is caused by changes in the alloy composition, worse environmental conditions or improper handling. Within a research project the systematic investigation of several cases of damaged stainless steel bars has shown that the reasons are based on well-known material defects like chemical inhomogeneities (e.g. precipitations or local carburization) or geometrical defects (e.g. undercuts, rolling defects or shell formation). Thus, the failures could be clearly identified as production failures of the respective semi-finished products.
Anhand der hier vorgestellten Untersuchungsergebnisse kann
eine umfassende Einschätzung des Korrosionszustands einer Gabionenkonstruktion aus Drähten mit Zink-Aluminium-Überzug nach 20 Jahren Einsatzzeit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Expositionsbedingungen vorgenommen werden. Die festgestellten Massenverluste der Zink-Aluminium-Überzüge waren an den Untersuchungspositionen, insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Expositionsbedingungen der Probenentnahmestellen, unterschiedlich ausgeprägt. Gabionendrähte, die im direkten Bodenkontakt standen, wiesen dabei die geringsten Restauflagen auf. Atmosphärisch beanspruchte sowie durch Vlies vor direktem Bodenkontakt geschützte Gabionendrähte zeigten dagegen etwas größere Restauflagen. Über den Drahtumfang wurden bei allen untersuchten Drahtproben stark variierende Schichtdicken festgestellt, was offensichtlich herstellungsbedingte Ursachen hat. Die Untersuchungen an der Gabionenkonstruktion haben gezeigt, dass die Annahme einer mittleren linearen Abtragsrate des metallischen Überzugs von 1 mm/a unter den hier untersuchten Bedingungen ein realistischer Wert ist. An Positionen mit direktem Bodenkontakt kann dieser Wert aber deutlich größer ausfallen, sobald sich die Aggressivität des Bodens erhöht. Eine Rotrostbildung war an den Drahtproben nicht feststellbar.
Um zu klären, unter welchen Umständen eine potentielle Gefährdung von Spannstählen beim Kontakt mit verzinkten Bauteilen gegeben ist, wurden Laborversuche in alkalischen Lösungen und Beton sowie Zeitstandversuche an Spannbetonprobekörpern durchgeführt. Abstandsvariationen im Nahbereich haben nur einen geringen Einfluss auf die Polarisation des Stahls. Ein praxisrelevanter, unkritischer Abstand für den indirekten Kontakt, z. B. über die schlaffe Bewehrung, kann nicht definiert werden. Hinsichtlich des Flächenverhältnisses Stahl : Zink wurde ein signifikanter Einfluss festgestellt. Flächenverhältnisse über 10 : 1 führen nicht zu einer Polarisation in den Bereich der Wasserstoffentwicklung. Die Ergebnisse wurden durch Untersuchungen an realen Spannbetonfertigteilen verifiziert.
Zeitstandversuche unter Wasserstoffbeladung führten an zugelassenen Spannstählen nicht zu Brüchen während der Versuchszeit. Die anschließend ermittelten mechanischen Kennwerte zeigten keine signifikanten Änderungen. Ein indirekter Kontakt von Spannstählen zu verzinkten Einbauteilen ist deshalb als unkritisch zu bewerten. Der direkte Kontakt ist durch Einhaltung des in der DIN 1045-1 geforderten Mindestabstands von 2 cm sicher auszuschließen.