Zeitlicher Verlauf der Korrosionsgeschwindigkeit bei großflächigen Makroelementen mit hohen Chloridgehalten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Untersuchungen zum Geometrieeinfluss: Die Untersuchungen zum Einfluss der Bauteilgeometrie auf die Elementwirkung im Falle lokaler Chloridkontaminationen erfolgten durch eine Kombination aus Laboruntersuchungen und Simulationsrechnung. Die dazu notwendige Ermittlung der Eingangsparameter ergab, dass das Polarisationsverhalten der Bewehrung im Falle der passiven Stäbe durch eine Butler-Volmer-Gleichung beschrieben werden kann, wohingegen die aktiven Bewehrungselemente durch einen linearen Zusammenhang mit konstantem Polarisationswiderstand berücksichtigt werden können. Die großen Streuungen im Falle der Bewehrungskorrosion erfordern für eine genaue Simulation eines einzelnen Makroelements die individuelle Quantifizierung der Parameter Treibspannung, Polarisationswiderstand und Elektrolytwiderstand. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen und insbesondere der numerischen Parameterstudie, im Zuge derer weitere Geometrien mit unterschiedlichen Randbedingungen untersucht wurden, zeigen den erheblichen Einfluss der Bauteilgeometrie auf, der zu tendenziell höheren anodischen Elementstromdichten für größere Flächenverhältnisse (Kathode/Anode) führt. Eine geometrieübergreifende Verknüpfung des Elementstromes mit dem Flächenverhältnis (Flächenregel) ist jedoch nicht möglich, so dass jede Bauteilgeometrie getrennt untersucht werden muss. Aus der gewonnenen Datenbasis konnten für jede Bauteilgeometrie der elektrolytische Kontrollanteil und ein fester Wert für die Geometriekonstante bestimmt werden, der es ermöglicht, den Makroelementstrom ohne weitere Simulationsrechnungen für abweichende Treibspannungen und Elektrolytwiderstände abzuschätzen. Die notwendigen elektrochemischen Parameter können dabei auf Basis theoretischer Überlegungen angenommen werden oder durch Untersuchungen am Bauwerk (Potentialmessung, Widerstandsmessung) bestimmt werden. Im Falle von Instandsetzungsmaßnahmen, beispielsweise einer Erhöhung des Elektrolytwiderstands durch Herabsetzung der Bauteilfeuchte, kann die Wirksamkeit der Maßnahmen in Kombination mit einem Monitoring der relevanten Daten quantifiziert werden. Weiterhin kann mit Hilfe der numerischen Untersuchungen die Größe und Ausdehnung eines galvanischen Elementes im Beton bewertet werden. So können bei niedrigen Elektrolytwiderständen noch in einer Entfernung von ca. 1,5 m von der Anode kathodische Ströme auftreten, die zum Materialabtrag an den depassivierten Flächen beitragen. Ebenfalls kann im Falle der Stütze durch die Simulationsrechnungen geklärt werden, welche Anteile der depassivierten Bewehrung noch von der Elementwirkung betroffen sind. Zeitabhängige Systemparameter: Mittels elektrochemischer, gravimetrischer sowie topometrischer Messverfahren konnte eine Datenbasis geschaffen werden, die es erlaubt Ruhepotentiale und Polarisationswiderstände aktiver und passiver Bereiche bei der chloridinduzierten Korrosion von Stahl in Beton zeitabhängig zu beschreiben. Des Weiteren wurden Untersuchungen zum Wachstum der korrodierenden Flächenanteile auf der Makrozellanode sowie zur Entwicklung des Eigenkorrosionsanteils angestellt. Somit liegen mit den Ergebnissen der Teilprojekte A1 und A2 alle benötigten Eingangsgrößen für das Schädigungsmodell der Forschergruppe sowohl zeitabhängig als auch statistisch quantifizierbar vor. Die Untersuchungen zeigen, dass die Ruhepotentiale unter den gewählten Randbedingungen keine ausgeprägte Zeitabhängigkeit aufweisen, so dass sich hieraus Treibspannungen im Bereich von 250 bis 500 mV ergeben. Bei den integralen Polarisationswiderständen der Makrozellanode konnte ein starker Einfluss des Hochofenzementes auf die Kenngröße festgestellt werden, so dass hier eine Bandbreite zwischen etwa 3,5 und 7,5 Ωm² festgestellt werden konnte (Portlandzementbetone: 0,5 bis 2,0 Ωm²). In der Regel tendiert der integrale Polarisationswiderstand mit der Zeit zu geringeren Werten, was auf die Ausdehnung der korrodierenden Oberflächen zurückgeführt wird. Im Hinblick auf die Makrozellkathode wurde ein großer Wertebereich zwischen 30 und 250 Ωm² identifiziert. Die Untersuchungen zeigen eine starke Beeinflussung des Kennwertes durch die Beaufschlagungen, was mit der Ausbildung des Stromfeldes und der damit einhergehenden Polarisation der Makrozellkathode begründet werden kann. Ein leichter zeitlicher Anstieg wird auf die allmähliche Austrocknung des unteren Prüfkörpersegmentes zurückgeführt. Topometrische Analysen an den ausgebauten Makrozellanoden zeigen, dass sich die korrodierenden Flächenanteile auf den untersuchten Makrozellanoden unter den vorliegenden Randbedingungen mit mittleren Wachstumsraten zwischen 150 und 480 mm²/a ausbreiten können. Es stehen damit erstmals statistisch quantifizierbare Datensätze zu dieser Kenngröße für das Korrosionssystem „Stahl in Beton“ zur Verfügung. Die Ergebnisse zu den Eigenkorrosionsanteilen zeigen, dass sich diese in Bezug auf die gewählten Randbedingungen sehr unterschiedlich ausbilden. Dahingegen scheint die Kenngröße zeitlich nahezu konstant zu verlaufen. Die Untersuchungen ergeben eine Bandbreite von 8 bis 62 %. Der Ergebnisvergleich mit freibewitterten Prüfkörpern zeigt, dass sich die ausgeprägte Variation von Temperatur, Luftfeuchte und Beaufschlagung im Gegensatz zum Referenzfall korrosionsstimulierend auswirkt. So lassen sich trotz geringerer Durchschnittstemperatur höhere Gesamtabträge, größere depassivierte Flächenbereiche sowie höhere Eigenkorrosionsanteile identifizieren. Grundsätzlich bewegen sich die hier festgestellten Ergebnisse in der Bandbreite der Laborprüfserien, so dass eine Übertragbarkeit der Laborwerte unter Beachtung der jeweiligen Randbedingungen gerechtfertigt scheint.
