Stahl und Korrosion

Forschungsschwerpunkte:

Risskörper während des Verpressvorgangs

Stahl und Korrosion

Im Stahlbetonbau wird die Dauerhaftigkeit von Bauteilen im Wesentlichen durch zwei Schädigungsmechanismen begrenzt – die elektrochemische Sauerstoffkorrosion von Stahl sowie belastungsbedingte Materialermüdung. Der aktive anodische Teilprozess der Korrosion kann bei Betonstählen schnell zu hohem Materialabtrag – einhergehend mit signifikanten Querschnittsverlusten – führen, was zur Gefährdung der Standsicherheit und im Extremfall zu Bauteilversagen führen kann. Die Untersuchung von elektrochemischen Korrosionsprozessen ist schon seit Jahrzehnten ein Forschungsschwerpunkt des ibac. Hierzu stehen zahlreiche Untersuchungsmethoden, Messapparaturen, und Prüfaufbauten gepaart mit langjährigen Erfahrungen zur Verfügung, wodurch sowohl standardisierte Untersuchungen als auch individuell entwickelte Prüfprogramme durchgeführt werden können.

Für die Untersuchung von Ermüdungserscheinungen stehen am ibac ebenfalls verschiedene Prüfeinrichtungen zur Verfügung. Sowohl die Prüfung der dynamischen (zyklischen) Beanspruchbarkeit von Prüfkörpern über die Ermittlung der Dauerschwingfestigkeit, wie auch Untersuchungen zum Materialverhalten bei dauerhaften Belastungen werden regelmäßig durchgeführt. Aktueller Forschungsgegenstand ist die kombinierte Einwirkung von Dauerschwingbelastungen auf korrosionsgeschädigte Stähle. Hierzu wird gegenwärtig die zurzeit stärkste Großlastresonanzprüfmaschine der Welt mit 1,5 MN Amplitude für die Untersuchung des Dauerschwingverhaltens von Stahlbetonverbundprüfkörpern beschafft. Die Finanzierung erfolgt über das Programm “Großgeräte der Länder” der DFG und ist derzeit im Gange.

Korrosion von Stahl in Beton

Chloridangriff mit unterschiedlichen Orientierungen in Bezug auf Betonierrichtung und Bewehrungslage

Kritischer korrosionsauslösender Chloridgehalt

Die chloridinduzierte Korrosion von Stahl in Beton ist nach wie vor einer der Hauptgründe für die eingeschränkte Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauteilen. Große Bedeutung kommt hierbei dem so genannten kritischen (korrosionsauslösenden) Chloridgehalt zu. Daher zielen derzeitige Forschungsarbeiten auf die Identifizierung der maßgeblichen Einflussgrößen dieses Kennwerts. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf dem Einfluss der Kontaktzone zwischen Bewehrungsstahl und Beton sowie einer praxisnahen Gestaltung von Versuchsdurchführungen.

Korrosionsverhalten der Bewehrung im Bereich von Rissen

Aktuell wird die Fragestellung des Korrosionsverhaltens der Bewehrung in Trennrissen von Parkhausdecks, im Zusammenhang mit verschiedenen Instandsetzungsmethoden, in Deutschland kontrovers diskutiert. Generell kann es in Trennrissen aufgrund der direkten Chlorideinwirkung auf den Bewehrungsstahl im Rissbereich und der ungünstigen Flächenverhältnisse zwischen Anode und Kathode schnell zu hohen Querschnittsverlusten am Bewehrungsstahl kommen, sodass die Standsicherheit unmittelbar gefährdet ist. Die kürzlich abgeschlossenen Forschungsaktivitäten am ibac befassen sich mit dem Korrosionsverhalten in Trennrissen nach kurzzeitiger Chlorideinwirkung über eine Winterperiode – vor und nach der Rissbehandlung durch vollständiges Verpressen mit Polyurethan unter Laborbedingungen. Die Ergebnisse zeigen einen starken Rückgang der Korrosionsgeschwindigkeiten auf ein technisch tolerierbares Niveau. Die Übertragbarkeit auf baupraktische Verhältnisse, unter denen eine vollständige Rissverfüllung nur schwierig zu erreichen ist, muss zukünftig eingehend untersucht werden.

Risskörper während des Verpressvorgangs

Chloridangriff mit unterschiedlichen Orientierungen in Bezug auf Betonierrichtung und Bewehrungslage

Zeitabhängiges Verhalten anodischer Bereiche

Ziel der Forschung ist die Modellierung der aktiven chloridinduzierten Korrosionsphase bei der chloridinduzierten Korrosion von Stahl in Beton. Basierend auf 8 Prüfserien mit insgesamt 120 Prüfkörpern wird der Einfluss spezifischer Randbedingungen auf die zeitliche Entwicklung freier Korrosionspotentiale, Polarisationswiderstände sowie ausgesuchter geometrischer Kennwerte der anodisch aktiven Teilbereiche über einen Zeitraum von mehreren Jahren untersucht. Zur Auswertung der Korrosionsschädigung kam hier erstmals ein neues Verfahren basierend auf der optischen Triangulation mit strukturiertem Streifenlicht zum Einsatz. Hierdurch können präzise dreidimensionale Modelle der geschädigten Stahlproben digitalisiert und rechnerbasiert ausgewertet werden.

Simulation von Korrosionsprozessen

Bei Forschungsprojekten, welche sich mit der Korrosion von Stahl in Beton beschäftigen, kommen in der Regel kleinformatige Laborprüfkörper zur Untersuchung der relevanten Parameter zum Einsatz, da diese aus Gründen der Reproduzierbarkeit unter möglichst identischen Bedingungen hergestellt, gelagert und in hohen Stückzahlen untersucht werden müssen, um der gegebenen Heterogenität des Baustoffs Rechnung zu tragen. Wichtige Einflussparameter auf den Korrosionsprozess wie z.B. die Geometrie der Bewehrung oder die Betondeckung können dabei jedoch in der Regel nicht oder nur unzureichend im Versuch abgebildet werden. Hier hat sich die numerische Simulation zu einem wertvollen Hilfsmittel zur Übertragung von Laborergebnissen auf baupraktisch relevante Bauteilgeometrien erwiesen.

Numerische Modelle (oben) und Potentialverteilung (unten) von Bewehrungsgeometrien mit punkt- (links) und linienförmiger (rechts) Chloridkontamination

Einfluss der Bauteilgeometrie auf die Makroelementkorrosion

Die Forschungsarbeiten zielen auf die Untersuchung des Einflusses geometrischer Randbedingungen auf den resultierenden Makroelementstrom bei der chloridinduzierten Korrosion von Stahl in Beton. Die Untersuchungen erfolgen hierbei nicht ausschließlich durch Laborprüfungen, sondern zusätzlich durch numerische Simulationen. Die Laborversuchskörper decken dabei praxisrelevante Geometrien ab und dienen dazu, die Modellrechnungen zu verifizieren. Gegenübergestellt werden dabei nicht nur gemessener und berechneter Makroelementstrom, sondern auch die jeweiligen Polarisationen der einzelnen Elektroden. Darauf aufbauend erfolgen numerische Parameterstudien, um die Einflüsse ausgewählter Randparameter wie der elektrolytischen Leitfähigkeit, den Treibspannungen oder dem Kathode/Anode Oberflächenverhältnis zu untersuchen.