3.2 Korrosion zementgebundener Baustoffe • Lösender Angriff

Lösender Angriff auf Beton u. a. zement- gebundene Baustoffe durch

� Säuren

� kalklösende Kohlensäure

� austauschfähige Salze

� weiches Wasser

� Fette und Öle

Oberflächliche Umwandlung und Abtrag von schwerlöslichen in leichtlösliche Verbindungen

Betonaggressivität von Wässern nach DIN 4030

Angriff Parameter

schwach stark sehr stark Art

pH-Wert 6, 5 - 5,5 5, 5 - 4,5 < 4,5 L

CO2 in mg/L 15 - 30 30 - 60 > 60 L

NH4+ in mg/L 15 - 30 30 - 60 > 60 L

Mg2+ in mg/L 100 - 300 300 - 1500 > 1500 L, T

SO42- in mg/L 200 - 600 600 - 3000 > 3000 T

L = lösender Angriff

T = treibender Angriff

Angriff durch Säuren Starke Säuren (H2SO4, HNO3, HCl) lösen alle Hydratationsprodukte des Zementsteins auf

3 CaO ⋅ 2 SiO2 ⋅ 3 H2O + 6 HCl � 3 CaCl2 + 2 SiO2 + 6 H2O

CSH-Phase, schwer löslich leicht löslich � in sauren Abwässern

� Bildung aus H2S durch Schwefelsäurebakterien in Abwasserrohren

H2S + 2 O2 � 2 H+ + SO42-

� in der Luft aus SO2, NOx

� durch nitrifizierende Bakterien aus NH3, NH4

+ oder (NH2)2CO

NH3 + 2 O2 � H+ + NO3- + H2O

nitrifizierende Bakterien bis in

15 cm Tiefe des Sandsteins � Auflösung des CaCO3

Biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK) Anaerober Bereich - SOB1), Sulfatreduktion in Gegenwart org. Stoffe

Org. Stoffe + SO42- � S2- + CO2 + H2O

Aerober Bereich - SRB2),

H2S-Oxidation in Gegenwart von Luft- sauerstoff

H2S + 2 O2 � 2 H+ + SO42-

bewirkt lösenden (0,5 - 10 mm/a) und treibenden Angriff

Sielhaut

Sinkstoffe

HS-

Wasserwechselzone Luft H2S

H2SO4

SO42-, R-SH

c(O2) < 0,1 mg/L

1)schwefeloxidierende Bakterien

2)sulfatreduzierende Bakterien

Grubenwässer in Erz- und Braunkohlegebieten Aus den Grundgesteinen Pyrit und Markasit wird durch Verwitterung und mikrobielle Umsätze Säure freigesetzt. Die Seen weisen vielfach pH-Werte zwischen 2,3 und 3,5 auf! FeS2 + 3½ O2 + H2O � Fe2+ + 2 H+ + 2 SO4

2-

2 Fe2+ + ½ O2 + 5 H2O � 2 Fe(OH)3 + 4 H+

Schwache Säuren (Huminsäuren, Milchsäure, Fruchtsäure, Kohlensäure) � greifen nur reine Calciumverbindungen an, z. B. CaCO3 und Ca(OH)2

� in Böden (Huminsäuren in Humus, Torf, Braunkohle)

HS –H + M+ HS–M + H+

� in Moorwässern

� Molkereien, Lebensmittelindustrie

Bodenreaktion und pH

-Werte verschiedener

m

itteleuropäischer Böden

1)

Magensaft Essig Tomatensaft Sauberer Regen Milch Reines Wasser Blut Backpulver Ammoniakwasser

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

pH-W

ert

1)Enslinn, K

rahn, Skupin, 2000

1 12

sauer

neutral basisch

Saurer Regen

Hochm

oorboden

Sumpfw

iesenboden

Mischw

aldboden

Flachmoorboden

Wiesenboden

Kalkartiger B

oden

pH-Wert-Veränderung im Bodenwasser bei fortgesetztem Eintrag von Säure (Bliefert, 2002)

pH-w

ert

des

Bod

enw

asse

rs

gesamte Säure im Boden

4

8

6

2

Carbonat-Pufferbereich:

CO32- HCO3

- ( CO2) H+ H+

Tonminerale (T) im Austauscher-Pufferbereich:

T–O-M+ + H+ T–O-H+ + M+

M+ = Na+, K+, Ca2+, Mg2+

Al-Pufferbereich:

[Al6(OH)15]3+ + 15 H+ + 21 H2O

6 [ Al(H2O)6]3+

Fe-Pufferbereich:

FeOOH + 3 H+ + 4 H2O

[ Fe(H2O)6]3+

Säurefeste Fußböden � Fußbodenbeschichtung, Stoffauswahl entspre-

chend Beanspruchung

Epoxidharz

Vinylesterharz

� keramische Platten, Problem Fugenmörtel

Furanharzkitte

Keine Verwendung von zementhaltigem Fugenmörtel Mörtel auf Basis Kaliwasserglas als Bindemittel (Füllstoff Quarz, Steinkohlenflugasche, enthält amorphes SiO2 u. a. Oxide)

K2[SiO3] ⋅ aq + CO2 � [SiO2] ⋅ aq + K2CO3 � Reinigung mit Heißwasser und Industriereiniger (pH-Wert beachten!) Empfindlichkeit gegen Reinigungsmittel und Alkalien!

Angriff von kalklösender Kohlensäure1)

Gefügelockerung und Zerstörung durch CaCO3-Entzug

1)Henning, Knöfel, 2002

Angriff von überschüssiger, freier Kohlensäure Kalk - Kohlensäure – Gleichgewicht

CO2(aq) + H2O + CaCO3(s) Ca2+ + 2 HCO3-

Gesamtkohlensäure

gebundene Kohlensäure

CO32-, HCO3

-

zugehörige freie, stabi-

lisierende Kohlensäure

freie Kohlensäure

CO2, H2CO3

überschüssige freie

Kohlensäure

Je höher die Wasserhärte, um so mehr zugehörige, freie (stabilisierende) Kohlensäure ist erforderlich, um das Hydrogencarbonat in Lösung zu halten. In hartem Wasser wirkt erst ein höherer Ge- halt an freier Kohlensäure schädigend als in weichem Wasser.

Zusammenhang zwischen überschüssiger und stabilisierender Kohlensäure1)

1)Henning, Knöfel, 2002

Kalk - Kohlensäure – Gleichgewicht CO2(aq) + H2O + CaCO3(s) Ca2+ + 2 HCO3

-

Verhinderung der Schutzschichtbildung

Ausbildung von Kalk-Rost-Schutzschichten (FeCO3, Fe2O3, CaCO3) nur in sauerstoffhaltigen, nicht zu weichen, fließenden Wässern (Wasserleitungs-rohren).

Austauschfähige Salze Mg2+, NH4+ � Ca2+

2 NH4Cl + CaCO3 � (NH4)2CO3 + CaCl2

löslich löslich Fette und Öle Fett + Ca(OH)2 � Ca-Seife + Glycerin

H2C OH

HC OH

H2C OH

HC

H2C

H2C

O(O)C R1

R2

R3

O(O)C

O(O)C

Verseifung von Fetten

HC

H2C

H2C

O(O)C R1

R2

R3

O(O)C

O(O)C

2 + 3 Ca(OH)2 HC

H2C

H2C

OH

OH

OH

+ 3 Ca(OOC—Rn)2

Ca-Seife

• Treibender Angriff

Prinzip der Rissbildung durch schädliche Treiberscheinungen: � Eindringen von Stoffen in erhärteten Beton

� Chemische Reaktion mit vorliegenden festen Ausgangsstoffen (Mineralpha- sen)

� Volumen der Neubildung > Volumen der Ausgangsstoffes

� Entstehende Spannungen > Festigkeit des Betons

Wichtige Treibreaktionen gelöste Sulfate + CAH � Sulfattreiben

Wasser + CaO � Kalktreiben

Wasser + MgO � Magnesiatreiben

Wasser + Alkalien des Zementes Opal, Flint, Grauwacke � Alkalitreiben (AKR)

Sulfattreiben1) 3 CaO ⋅ Al2O3 + 3 (CaSO4 ⋅ 2 H2O) + 26 H2O �

3 CaO ⋅ Al2O3 ⋅ 3 CaSO4 ⋅ 32 H2O sekundärer Ettringit

1)nach Henning, Knöfel, 2002

Kalk- und Magnesiatreiben1)

CaO + H2O �

Ca(OH)2

MgO + H2O �

Mg(OH)2

1)nach Henning, Knöfel, 2002

Alkalitreiben1) (Alkali-Kieselsäure-Reaktion, AKR)

Alkaliempfindlicher Zuschlag

Einsatz von NA-Zement �

CEM I mit ≤ 0,6 % Na2O-Äqui- valent,

CEM III mit höherem Na2O - Äquivalent, fein aufgemahlen

H2O

1)

nach Henning, Knöfel, 2002

Alkaliempfindliche Zuschläge enthalten amorphe Kieselsäure

Flinte, Opalsandstein, präkambrische Grauwacke, gebrochener Quarzporphyr

H2O H2[SiO3]n + 2 NaOH � Na2[SiO3]n + 2 H2O

Auch Alkalisalze können zum Alkalitreiben führen, da sie sich mit Ca(OH)2 zu Alkalihydroxiden umsetzen, z. B.: Na2SO4 + Ca(OH)2 � 2 NaOH + CaSO4

DAfStb-Richtlinie "Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton" - Alkali-Richtlinie Umwelteinflüsse � Feuchtigkeitsklassen (Angriffsgrad)

Feuchtigkeitsklasse Abkürzung Beispiele

trocken WO Innenbauteile Hochbau, Bauteile ohne Einwirkung von Niederschlag, Oberflä-chenwasser, Bodenfeuchte, keine ständige Einwirkung einer rel. LF > 80 %

feucht WF Ungeschützte Außenbauteile Innenbauteile, auf die Luft einer rel. LF > 80 % einwirkt Bauteile mit häufiger Taupunktunterschreitung, massige Bauteile, deren kleinstes Maß > 0,50 m ist

feucht + Alkali-zufuhr von außen

WA Bauteile mit Meerwassereinwirkung Bauteile mit Tausalzeinwirkung ohne zusätzl. hohe dynam. Beanspruchung Bauteile (Industrie, Landwirtsch.) mit Alkalisalzeinwirkung

feucht + Alkali-zufuhr von außen + starke dynam. Beanspruchung

WS Bauteile unter Tausalzeinwirkung mit zusätzlicher hoher dynam. Beanspruchung (z. B. Betonfahrbahnen)

Gesteinskörnung � Alkaliempfindlichkeitsklassen

Klasse Gesteinskörnungen Einstufung hinsichtlich AKR

E I-O unbedenklich

E II-O bedingt brauchbar

E III-O

Opalsandstein (einschließlich Kieselkreide)

bedenklich

E I-OF unbedenklich

E II-OF bedingt brauchbar

E III-OF

Opalsandstein (einschließlich Kieselkreide) und Flint

bedenklich

E I-S unbedenklich

E III-S

gebrochene Grauwacke, gebrochener Quarzporphyr, gebrochener Oberrheinkies u. a. Körnungen

bedenklich

Vorbeugende Maßnahmen Beton mit z ≤ 330 kg/m3

Feuchtigkeitsklasse Alkaliempfindlich-keitsklasse

WO WF WA WS

E I-O keine keine keine Zemente mit begrenztem Alkaligehalt

E II-O keine keine NA-Zement Austausch der Gesteinskörnung

E III-O keine NA-Zement Austausch der Gesteinskörnung

Austausch der Gesteinskörnung

Beton mit z ≥ 330 kg/m3

Feuchtigkeitsklasse Alkaliempfindlich-keitsklasse

WO WF WA WS

E I-OF keine keine keine Zemente mit begrenztem Alkaligehalt

E II-OF keine NA-Zement NA-Zement Austausch der Gesteinskörnung

E III-OF keine NA-Zement Austausch der Gesteinskörnung

Austausch der Gesteinskörnung

Alkalireaktionen mit dolomithaltigem Zuschlag CaMg(CO3)2 + 2 NaOH � CaCO3 + Na2CO3 + Mg(OH)2