KORROSION VON BETON UND STAHLBETON DURCH CHEMISCHE VERBINDUNGEN UND MIKROORGANISMEN
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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
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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.
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