8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 211 Auslaugungsinduzierte Betonstahlkorrosion in Verkehrswasserbauwerken Dr.-Ing. Amir Rahimi Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe Dipl.-Ing. Andreas Westendarp Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe Zusammenfassung Aufgrund hoher Zwangsspannungen treten bei Verkehrswasserbauwerken aus Stahlbeton häufig Trennrisse auf. Eine Selbstheilung dieser Risse ist in den meisten Fällen, trotz einer geringen Rissbreite, nicht gegeben, da die weiteren notwendigen Voraussetzungen (u. a. sehr geringe Rissbreitenänderung) für eine Selbstheilung nicht bestehen. Offene oder geschädigte Arbeitsfugen stellen weitere, eher ausgeprägtere Trennflächen dar. Werden diese Risse oder geschädigte Arbeitsfugen intensiv mit (Süß-)Wasser durchströmt, kommt es durch ein Auslaugen des Betons an den Rissflanken zu einer Depassivierung der risskreuzenden Bewehrung. Durch eine Verbindung der depassivierten Bewehrung mit der Bewehrung (oder anderen Stahl-/ Metallelementen) von gut belüfteten Bauteilbereichen wird die Bewehrungskorrosion in Gang gesetzt. Zusätzliche ungünstige Randbedingungen, insbesondere hohe zyklische Belastung, können einen Bruch der Bewehrung im Rissbereich zur Folge haben. Entsprechende Vorgaben zum Umgang mit dieser Problematik fehlen derzeit in den Regelwerken gänzlich. Derartige Schäden wurden in mehreren Wasserbauwerken im Bereich geschädigter Arbeitsfugen festgestellt. 1. Problemstellung In den letzten Jahren wurden Korrosionsprozesse an gerissenen Stahlbetonbauteilen im Unterwasserbereich mit Süßwasserbeaufschlagung detektiert, die hier aufgrund der gegebenen Randbedingungen (Sauerstoffmangel und Abwesenheit von Chlorid) bisher für eher nicht möglich gehalten worden waren. Alle vorgefundenen Schadensfälle haben eine intensive Wasserdurchströmung durch ausgeprägte Risse oder geschädigte Arbeitsfugen gemeinsam. Eine sehr intensive Korrosionsentwicklung ist bei Betonstahlstäben mit einer zusätzlichen mechanischen Überbeanspruchung zu beobachten. Bei diesen ist ein lokal begrenzter Bruch im Rissbereich festzustellen, was auf eine kombinierte Einwirkung von mechanischer Beanspruchung und Bewehrungskorrosion zurückzuführen ist. In diesem Beitrag werden zwei Beispiele über Schäden an Verkehrswasserbauwerken infolge einer auslaugungsinduzierten Betonstahlkorrosion und die jeweiligen Randbedingungen aufgezeigt. 2. Auslaugungsinduzierte Depassivierung des Betonstahls Im hochalkalischen Milieu des intakten Betons mit einem pH-Wert von i. d. R. größer als 12,5 bildet sich auf der Oberfläche des Betonstahls eine mikroskopisch dünne Schicht bestehend aus Portlandit und Eisenoxid/ -hydroxid aus, welche eine Auflösung des Betonstahls verhindert (Passivschichtbildung). Ein Korrosionsrisiko für Betonstahl besteht erst, wenn diese Passivschicht auf der Betonstahloberfläche zerstört wird. In Rissbereichen mit intensiver Wasserdurchströmung kann die schützende Passivschicht der Bewehrung neben der Carbonatisierung und dem Chlorideindringen auch durch einen pH-Wert-Abfall des Betons an der Bewehrungsoberfläche infolge des Auslaugens des Betons (Calciumhydroxid) zerstört werden. Die i. d. R. hellverfärbte Rissflanke weist einen erhöhten Gehalt an Calciumhydroxid auf. Die Intensität der Auslaugung des Betons und somit die Wahrscheinlichkeit der Depassivierung der Bewehrung hängt vermutlich maßgeblich von der Wasseraustauschrate im Riss und ihrer Dauer ab. Die auslaugungsinduzierte Depassivierung der Bewehrung wurde bisher wenig betrachtet und untersucht. In [1] wurde diese Art der Betonstahlkorrosion in Laborversuchen nachgestellt und systematisch untersucht. Ein Einfluss der Wasseraustauschrate konnte sowohl auf die Depassivierung als auch auf die Korrosionsrate der Bewehrung festgestellt werden. Beispiele über Korrosion infolge einer auslaugungsinduzierten Depassivierung der Bewehrung in Verkehrswasserbauwerken sind im Abschnitt 4 dargestellt. Bei diesen erfolgt die Ausbildung des kathodischen Teilprozesses (Sauerstoffreduktion) an gut belüfteten Bauwerksstellen, die zum Teil weit entfernt von den anodisch aktiven Bewehrungsstäben in gerissenen Unterwasserbauteilbereichen liegen. In [2] wird über die auslaugungsinduzierte Bewehrungskorrosion im Bereich wasserführender Trennrisse an mehreren Wasserbauwerken berichtet. 212 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Auslaugungsinduzierte Betonstahlkorrosion in Verkehrswasserbauwerken 3. Korrosionsgefährdung vom Betonstahl in Rissen und Arbeitsfugen Aufgrund hoher Zwangsspannungen treten bei Verkehrswasserbauwerken aus Stahlbeton häufig Trennrisse auf. Eine Selbstheilung dieser Risse ist in den meisten Fällen, trotz einer geringen Rissbreite (≤ 0,25 mm gemäß [3]), nicht gegeben, da die weiteren notwendigen Voraussetzungen für eine Selbstheilung nicht bestehen. Offene oder geschädigte Arbeitsfugen stellen weitere, eher ausgeprägtere, Trennflächen dar. Die Rissbildung im Bauteil beeinflusst sowohl die Initiierung der Bewehrungskorrosion, d. h. die Depassivierung der Bewehrungsoberfläche, als auch die anschließende Korrosionsrate. Während die Einleitungsphase zur Depassivierung der Bewehrung im nichtgerissenen Bauteil verhältnismäßig lang ist und bei der Dauerhaftigkeitsbemessung die Nutzungsdauer des Bauteils definiert, ist von einer i. d. R. raschen Depassivierung der Bewehrung im Bereich von Rissen auszugehen (Beschleunigung des Transports von Chloridionen und / oder CO 2 zur Bewehrung). An der depassivierten Bewehrung im Rissbereich erfolgt die anodische Eisenauflösung in der aktiven Korrosionsphase; an der Bewehrung außerhalb des Rissbereiches findet die kathodische Teilreaktion statt. Für die Einschätzung der Nutzungsdauer des Bauteils ist hier die Korrosionsgeschwindigkeit maßgebend. Zur Einschätzung der Korrosionsgefährdung gerissener Bauteilbereiche wurde in [4] eine Bewertungsmatrix erstellt (Bild 1). Die Einflussgrößen sind hierbei die Rissart (Biegeriss, Trennriss), die Möglichkeit einer Durchströmung des Risses, die Möglichkeit einer Selbstheilung des Risses sowie die Exposition des Bauteils im Rissbereich. Trennrisse (und geschädigte Arbeitsfugen) verlaufen über den gesamten Bauteilquerschnitt und sind hinsichtlich einer Depassivierung und Korrosion der Bewehrung grundsätzlich wesentlich kritischer als Biegerisse, die nur die Zugzone erfassen, zu bewerten. Werden Trennrisse durchströmt, erfolgt bei einer Chloridbeanspruchung eine rasche Depassivierung der den Riss kreuzenden Bewehrung. Sind die Wasseraustauschraten entsprechend hoch, kommt es auch ohne Einwirkung von Chloriden durch das Auslaugen des Betons im Bereich der Rissflanken zu einem pH-Wert-Abfall und damit zu einer Depassivierung der Bewehrung (s. Abschnitt 2). Bei hohen Wasseraustauschraten sind hohe Korrosionsraten zu erwarten, da dies zum einen die Depassivierung der Bewehrungsoberfläche an den Rissflanken begünstigt (durch Auslaugen des Betons oder durch Anreicherung von Chloridionen an der Bewehrungsoberfläche) und zum anderen eine Deckschichtbildung an der Bewehrungsoberfläche im Rissbereich durch die entstehenden Korrosionsprodukte verhindert, was sonst zum Schließen des Risses sowie zum Anstieg des anodischen Polarisationswiderstands des Korrosionselementes und somit zum Verlangsamen oder zur Stilllegung des Korrosionsprozesses führen würde [6]. Bei Biegerissen ist hingegen grundsätzlich von einem längeren Zeitraum bis zur Depassivierung der Bewehrung infolge Chloridbeanspruchung sowie von geringeren Korrosionsgeschwindigkeiten auszugehen. Das Auslaugen des Betons durch Biegerisse ist aufgrund des fehlenden Wasseraustausches vernachlässigbar gering. Unter Selbstheilung ist das Verschließen des Risses insbesondere infolge einer Calciumcarbonatbildung im Rissquerschnitt zu verstehen. Voraussetzungen für eine Selbstheilung des Risses sind gemäß [7]: geringe Rissbreite (i. d. R. ≤ 0,2 mm, abhängig vom Druckgefälle und Druckhöhe), ständige Wasserbeaufschlagung des Risses, geringes Druckgefälle (Quotient aus Wasser-Überstauhöhe und Bauteildicke), Beschaffenheit des Wassers (pH- Wert > 5,5, kalklösende Kohlensäure <-40 mg/ l) sowie keine oder sehr geringe (kleiner als 10% der Rissbreite) Änderungen der Rissbreite (z. B. infolge Temperaturänderung oder Änderung der Überstauhöhe). Diese Voraussetzungen sind nur in wenigen Bauteilbereichen tatsächlich und über längere Zeiträume gegeben. Bild 1: Entscheidungsmatrix zur Bewertung der Korrosionsgefährdung gerissener Bauteile [4] 4. Beispielhafte Schadensfälle infolge auslaugungsinduzierter Betonstahlkorrosion 4.1 Abtragende Korrosion im Wasserwechselbereich eines Schleusensparbeckens In der Trennwand zwischen zwei Sparbecken einer Schleuse am Main-Donau-Kanal wurden rotbraune Absonderungen in der horizontalen Arbeitsfuge oberhalb der Bodenplatte festgestellt, weshalb die äußeren Bewehrungslagen in mehreren kleinen Bereichen zur Inspektion freigelegt worden sind (Bild 2). Die freigelegte Bewehrungsstäbe wiesen eine deutliche flächige Korrosion mit Rotrostbildung und bis zu 10% Querschnittsverluste auf [4] [5]. Die Arbeitsfuge befindet sich in der Wasserwechselzone, liegt jedoch vorwiegend unter Wasser, und ist wasserführend. Aufgrund unterschiedlicher Wasserstände der beiden Sparbecken befindet sich in der Arbeitsfuge ein nahezu ständiges Wasserdruckgefälle mit wechselnden Druckgradienten. Die chemische Analyse des Betons im Bereich der geschädigten Arbeitsfuge zeigte einen erhöhten Gehalt an Calciumcarbonat, was auf eine starke Auslaugung des Betons hinweist [4]. 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 213 Auslaugungsinduzierte Betonstahlkorrosion in Verkehrswasserbauwerken Im Wasserwechselbereich der Sparbeckenwand ist von ausreichend Sauerstoffzutritt für die Bildung der kathodischen Teilreaktion der Korrosion auszugehen. Die ausgeprägte Öffnungsbreite der Arbeitsfuge (>-0,5-mm), die Änderungen der Öffnungsbreite infolge der Wasserdruckgefällen und die intermittierende Wasserbeaufschlagung verhindern das Schließen der Arbeitsfuge infolge einer Selbstheilung. 4.2 Bewehrungsbruch im Umlaufkanal (Unterwasser) einer Schleuse Bei der Inspektion einer über 90 Jahre alten Schleuse am Mittellandkanal wurden an mehreren Stellen einer geschädigten Arbeitsfuge im Umlaufkanal freiliegende vertikale Bewehrungsstäbe gefunden, die eine leichte abtragende Korrosion an der Oberfläche aufwiesen und teilweise durchtrennt waren (Bild 3). Das Bruchbild der durchtrennten Stäbe wies ohne eine ausgedehnte Einschnürung des Querschnitts am Bruchufer auf ein eher sprödes Versagen hin. Auch hier ist die Korrosion der Bewehrung auf eine intensive Durchströmung (mit chloridfreiem Wasser) der Risse infolge der Schleusungsvorgänge und damit eine auslaugungsinduzierte Depassivierung der Bewehrung zurückzuführen. In Bild 3, links, sind Calciumcarbonataussinterungen infolge einer Durchströmung der Arbeitsfuge zu erkennen. Die Bewehrungskorrosion wird vermutlich durch die anschließende Ausbildung des kathodischen Teilprozesses an gut belüfteten Bauwerksstellen im Wasserwechselbereich oder oberhalb des Wasserstands in der Kammerwand ausgelöst (Bild 4). Das Durchtrennen der Bewehrungsstäbe ist möglicherweise die Folge einer kombinierten Einwirkung von mechanischer Beanspruchung und Bewehrungskorrosion. Mit dem Fortschreiten der Bewehrungskorrosion wird das Gefüge der Bewehrung durch Korrosionsmulden und -anrisse geschwächt (Risseinleitung). Gleichzeitig rufen die im jahreszeitlichen Wechsel auftretenden Zwangsbeanspruchungen Dehnungen in der Bewehrung hervor, die den numerischen Berechnungen zufolge über der Streckgrenze liegen können [8]) und mit der Zeit zu einer Ausbreitung dieser Korrosionsanrisse bis hin zum Abriss des Bewehrungsquerschnitts (Rissausbreitung) führen würden. Das Schadensbild ist dem infolge einer Schwingungsrisskorrosion sehr ähnlich. Die durch den Schleusenbetrieb hervorgerufenen ermüdungsrelevanten Spannungsschwingbreiten der Bewehrung sind jedoch verhältnismäßig gering [9]. Die sehr geringen Dehnungsraten aus relativ langsamen Lastwechseln während der Schleusungsvorgänge mit der sehr niedrig frequenten, vorwiegend nicht ruhenden Belastung sind die Charakteristika für den im Bauwesen eher unbekannten Schädigungsmechanismus Dehnungsinduzierte Risskorrosion (strain-induced corrosion cracking) [10]. Dieser Sachverhalt wird derzeit weiter untersucht. In derselben Arbeitsfuge wurden weitere, intensivere Korrosionsschäden an den Verankerungselementen zwischen der Betonvorsatzschale und dem darunter befindlichen Altbeton festgestellt (Bild 5). Die durchtrennten Verankerungselemente weisen starke abtragende Korrosion auf. Die Korrosionsprodukte sind aufgrund Sauerstoffarmut dunkelfarbig. Bild 2: Links: Übersicht über die offenen, terrassenförmig angeordneten mit der Lage der geschädigten Arbeitsfuge; rechts: freigelegte Bewehrungsstäbe mit Abtragskorrosion in der Arbeitsfuge 214 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Auslaugungsinduzierte Betonstahlkorrosion in Verkehrswasserbauwerken Bild 3: Links: geschädigt Arbeitsfuge zwischen einer Kammerwand und dem Umlaufkanal einer Schleuse; rechts: gerissene Bewehrungsstäbe im Bereich der Arbeitsfuge Bild 4: links: Wasserdurchtrömte Arbeitsfuge mit Calciumcarbonataussinterungen; rechts: Kammerwand mit der Lage des Unterwasserstandes Bild 5: links: korrodierte und gerissene Bewehrungsstäbe in der Arbeitsfuge zur Verankerung der Betonvorsatzschale in den darunter befindlichen Altbeton; rechts: Nahaufnahme eines gerissenen Verankerungselements mit dunkelfarbigen Rostprodukten 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 215 Auslaugungsinduzierte Betonstahlkorrosion in Verkehrswasserbauwerken Literatur [1] Pollner, T.; Dauberschmidt, C.; Rahimi, A. (2023) Untersuchungen zum Einfluss der Druckwasserhöhe und damit der Wasseraustauschrate im Trennriss auf die Depassivierung und Korrosionsentwicklung der Bewehrung. Technische Akademie Esslingen (TAE), 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken. [2] Raupach, M., Wolff, L.: Korrosion der Bewehrung durch Auslaugung des Betons im Bereich wasserführender Risse. Bautechnik 93 (2016), S. 278- 283. [3] DIN 19702: 2013-02 Massivbauwerke im Wasserbau - Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit. [4] Mayer, T.; Schießl, P. (2017) Korrosion im Rissbereich bei Wasserbauwerken, Gutachterliche Stellungnahme 15/ 112/ 1.1.1, 2017. Ingenieurbüro Schließl Gehlen Sodeikat, München. [5] Rahimi, A. (2018) Significance of Cracks in Durability Design and Assessment of Hydraulic Concrete Structures due to Reinforcement Corrosion. Proceedings of 5th International fib Congress- Melbourne, Australia. [6] Raupach, M. (1992) zur chloridinduzierten Makroelementkorrosion von Stahl in Beton. Beuth, Berlin. [7] DAfStb-Richtlinie Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton (2017). Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Berlin. [8] Rahimi, A.; Lutz, M. (2020) Begutachtung des Schadensfalls im östlichen Umlaufkanal der Westkammer der Schleuse Anderten. Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe. [9] Lutz, M.; Rahimi, A. (2022) Schleuse Anderten: Schaden im Umlaufkanal. In BAW-Kolloquium: Erhaltung von Wasserbauwerken to go. Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe. [10] Takriti, A.; Keßler, S. (2021) Untersuchung des Einflusses von Rissen auf den Korrosionsschutz der Bewehrung von Wasserbauwerken - Einfluss der mechanischen Beanspruchung auf die Korrosionsrate der Bewehrung. Helmuth-Schmidt-Universität, Universität der Bundeswehr Hamburg.