9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 367 Chloridbeständigkeit eines hochlegierten Bewehrungsstahls im Trennrissbereich von Stahlbetonbauteilen Christoph Dauberschmidt Institut für Material- und Bauforschung, Hochschule München, Deutschland Andreas Fraundorfer Institut für Material- und Bauforschung, Hochschule München, Deutschland Zusammenfassung Die Dauerhaftigkeit von chloridbeaufschlagten Stahlbetonbauteilen hängt in hohem Maße vom Korrosionsverhalten des Bewehrungsstahls im chloridbelasteten Rissbereich ab. Wenn chloridhaltiges Wasser in Trennrisse eindringt, findet an unlegierten Bewehrungsstählen meist rasch eine Initiierung von Lochfraßkorrosion statt. Bedingt durch die örtlich begrenzte Ausprägung des Angriffs ergeben sich hohe Abtragsraten auf kleiner Stahlfläche, die zu signifikanten Querschnitts- und damit zu Tragfähigkeitsverlusten des Betonstahls führen. Als Alternative zu herkömmlichem Bewehrungsstahl bietet sich die Verwendung von meist teuren Bewehrungsalternativen wie GFK oder nichtrostendem Edelstahl an. Die gängigen Edelstahlsorten für Chloridexposition sind dabei die Werkstoffnummern 1.4571, 1.4401, 1.4301 u.a. Eine wirtschaftlichere Alternative zu den gängigen austenitischen Edelstählen stellt in vielen Anwenungsbereichen die Verwendung von korrosionsarmen, hochlegierten ferritischen Stählen dar. Im Baustofflabor des Instituts für Material- und Bauforschung der Hochschule München werden dazu aktuell Untersuchungen an einem Bewehrungsstahl mit erhöhtem Korrosionswiderstand („Top12“ der Swiss Steel AG; Werkstoffnummer 1.4003) an gerissenen Stahlbetonbalken im Rahmen eines Forschungsvorhabens durchgeführt. Nachfolgend werden die aktuellen Ergebnisse aus den noch laufenden Versuchen vorgestellt. 1. Einleitung Die Dauerhaftigkeit von bewehrten Betonbauteilen wird maßgeblich durch die konstruktive Ausführung, die Widerstandsfähigkeit und die Dichtigkeit des Betons, sowie den einwirkenden Umgebungsbedingungen bestimmt. Der Bewehrungsstahl im Beton wird dabei durch die hohe Alkalität des Betons geschützt. Das basische Milieu des Betons führt zur Bildung einer Passivschicht auf der Oberfläche des Stahls, die zu dessen Korrosionsbeständigkeit führt. Für eine dauerhafte Sicherstellung des Korrosionsschutzes von Stahlbetonbauteilen ist daher eine ausreichend dichte und dicke Betondeckung der Bauteile erforderlich. Korrosion am Bewehrungsstahl, die zu Schäden am Bauteil führen kann, wird initiiert, wenn die Passivschicht zerstört wird. Die am häufigsten in der Praxis vorkommenden Schäden unter üblichen Umgebungsbedingungen resultieren dabei aus karbonatisierungs- und chloridinduzierter Korrosion. Anders als die karbonatisierungsinduzierte Korrosion, die nur bei unzureichender Betondeckung, Fehlstellen (z.B. Verdichtungsfehlern) und sehr breiten Rissen maßgebend wird, kann chloridinduzierte Korrosion auch bei norm- und sachgerechter Ausführung innerhalb der angestrebten Lebensdauer des Bauwerks eintreten. Chloridinduzierte Korrosion ist hinsichtlich der Tragfähigkeit eines Bauteils besonders gefährlich, da es meist zu einem sehr lokalen Angriff des Stahls kommt, wodurch ein signifikanter Querschnittsverlust am Betonstahl nach kurzen Einwirkungszeiten eintreten kann. Rissbereiche, in die Chloride eindringen, sind aufgrund der meist kurzen Einleitungsphase besonders gefährdet. Ein Chlorideintrag in den Beton findet dabei meist über Kontakt mit in Wasser gelöstem Tausalz in den Wintermonaten statt (z.B. bei Brücken und Tiefgaragen). Chloride können aber auch aus Meerwasser (z.B. bei Hafenbauwerken und Brückenpfeilern im Meerwasser) und anderweitigen Expositionen (z.B. bei PVC-Bränden, bei Industrieanlagen und in Schwimmbädern) in das Stahlbetonbauteil gelangen. Sobald der Beton auf Höhe der Bewehrung mit Chloriden in kritischer Konzentration belastet ist, setzt Lochfraßkorrosion ein, die häufig aufwendige Instandsetzungsmaßnahmen zur Folge hat. Im Rissbereich können können bereits geringe Mengen chloridhaltiger Wässer zu einer Korrosionsinitiierung führen. buch2.indb 367 13.01.20 15: 41 368 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Chloridbeständigkeit eines hochlegierten Bewehrungsstahls im Trennrissbereich von Stahlbetonbauteilen Zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit von chloridexponierten Bauteilen bieten sich vielfältige Möglichkeiten. Meistens wird eine über den Nutzungszeitraum wartungsintensive Beschichtung oder eine Abdichtung mit Verschleißschicht auf den Beton aufgebracht, um einen Chlorideintrag in den Beton auszuschließen. Werden die Beschichtungssysteme nicht korrekt gewartet und eine Rissbildung bleibt unentdeckt, kann bereits eine Winterperiode [RAU1] ausreichend sein, um Korrosion im Bauteil aufgrund des dabei stattgefundenen Chlorideintrags zu initiieren. Der Grenzwert von 0,5 M-% Cl - / z, ab dem laut [RIL1] ein sachkundiger Planer das Korrosionsrisiko bewerten soll und der als unterer Grenzwert für eine eintretende Korrosion angesehen wird, bezieht sich hierbei maßgeblich auf den ungerissenen Beton und auf unlegierten Bewehrungsstahl. Eine Möglichkeit, das Korrosionsrisiko weitestgehend auszuschließen, besteht in der Verwendung von nichtrostender Bewehrung (gängig: Edelstahl- oder GFK-Bewehrung). Während GFK-Bewehrung kostenintensiver als unlegierter Betonstahl und das Biegen auf der Baustelle nicht mehr möglich ist, ist die Verwendung der gängigen hochlegierten, austenitischen Edelstähle 1.4571 und 1.4401 (früher V4A) nochmals teurer (etwa Faktor 10 zu unlegiertem Bewehrungsstahl) und nur in wenigen Fällen wirtschaftlich. Eine weitere Ausführungsvariante besteht in der Verwendung des deutlich kostengünstigeren, hochlegierten, ferritischen Chromstahls 1.4003. Die Korrosionsbeständigkeit eines solchen auf dem Markt erhältlichen Bewehrungsstahls in chloridhaltigen Rissbereichen bei Stahlbetonbauteilen ist aktueller Forschungsgegenstand am Institut für Material- und Bauforschung der Hochschule München. [Dau1] 2. Unlegierte und legierte Bewehrungsstähle Als gängige, unlegierte Betonstähle finden Stähle der Werkstoffnummern 1.0438 (B500A, normalduktil) oder 1.0439 (B500B, hochduktil) Verwendung [DIN1]. Die Bezeichnung Edelstahl bezieht sich auf einen Stahl besonderer Reinheit, bezogen auf die unerwünschten Eisenbegleiter wie Phosphor und Schwefel. Der Begriff Edelstahl intendiert noch keinen rostfreien Stahl. Damit Stähle bei normalen Umwelteinflüssen „rostfrei“ werden, ist ein hoher Anteil an Chrom (10,5 % und mehr [DIN3], praktisch jedoch i.d.R. erst ab 12 %) erforderlich. Solche Stähle mit hohem Chromanteil bilden eine schützende Passivschicht aus Chromoxiden an der Stahloberfläche. Abhängig von Art und Gehalt an Legierungselementen, sowie der Herstellung, können nichtrostende Stähle in verschiedenen Gefügearten (Ferrit, Austenit, Martensit, eine Mischung aus Austenit und Ferrit (Duplexstahl) oder eine Mischung aus Ferrit und Martensit (Dualphasenstahl)) vorliegen, die auf einer anderen räumlichen Gitteranordnung der Atome beruhen [GRE1]. Dadurch werden u.a. auch Korrosionsneigung, Härte und Festigkeit beeinflusst. Austenitbildende Legierungselemente sind z.B. Nickel, Kohlenstoff, Stickstoff und Mangan. Chrom und Molybdän sind zwei Vertreter der ferritstabilisierenden Legierungselemente. Ein Maß für die Korrosionsbeständigkeit, speziell gegen Loch- und Spaltkorrosion von hochlegierten Edelstählen in chloridhaltigen Medien, ist dabei die Wirksumme (WS): WS = % Cr + 3,3 ∙ % Mo + 30 ∙ % N Für Duplexstähle wird abweichend beim Stickstoffgehalt der Faktor 16 herangezogen. Stickstoff nimmt bei austenitischen Werkstoffen u.a. hinsichtlich Korrosionsresistenz dabei keineswegs die Rolle eines störenden Begleitelements ein, sondern wird gezielt als Legierungselement verwendet. Durch seine begrenzte Löslichkeit im Gefüge ist die Zulegierbarkeit allerdings begrenzt. Wie an der Wirksumme zu erkennen ist, spielt außerdem der Molybdängehalt eine entscheidende Rolle für die Beständigkeit in chloridhaltiger Umgebung [893]. Wie jedoch die nachfolgend in Tab. 2 dargestellten Versuchsergebnisse aus [GRE1] zeigen, hat die Oberflächenbearbeitung in der Herstellung ebenfalls einen entscheidenden Einfluss auf die Korrosionsresistenz. Damit stellt die Wirksumme ein nützliches Hilfsmittel dar, das aber nicht alleine betrachtet werden sollte. Eine Besonderheit austenitischer Stähle ist der gegenüber ferritischen Stählen um den Faktor 1,5 höhere Wärmeausdehnungskoeffizient. Dadurch können theoretisch bei hohen Bewehrungsgraden und starken Temperaturschwankungen Zwangspannungen und damit einhergehend Verbundstörungen auftreten. In der Praxis sind solche Phänomene jedoch nicht beobachtet worden [KUN1]. Der im Rahmen dieser Versuche untersuchte Edelstahl ist der Werkstoffnummer 1.4003, Werkstoffkurzname X2CrNi12 nach [DIN2] zuzuordnen. Die Werkstoffnummer 1.4003 beschreibt einen korrosionsträgen, hochlegierten, ferritischen Chromstahl mit 10,5 bis 12,5 % Chromanteil und Nickelzusatz. Der Anteil an Kohlenstoff liegt bei 0,02 %. Dabei steht die Bezeichnung X für den mittleren Legierungsanteil eines Elements von mindestens 5 % [DIN2]. Im Vergleich zu den geläufigeren Edelstahlbewehrungen aus Chrom-Nickel-Stählen, wie 1.4401 (X5CrNiMo17-12-2, ehemals V4A), wird beim 1.4003 auf Molybdän als Legierungselement verzichtet. Der Chromgehalt ist reduziert. Nickel ist nur bis 1 % zugesetzt, wodurch der Stahl deutlich günstiger hergestellt werden kann als die gängigen Austenite. Im speziellen Fall des hier untersuchten Edelstahls („Top12“) handelt es sich um einen ferritischen Stahl mit mindestens 12 % Chromanteil. Die Herstellerangaben zur Zusammensetzung sind in nachfolgender Tab. 1 gegeben: buch2.indb 368 13.01.20 15: 41 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 369 Chloridbeständigkeit eines hochlegierten Bewehrungsstahls im Trennrissbereich von Stahlbetonbauteilen C Si Mn P S Cr Ni N Ø 0,015 0,7 0,5 max. 0,025 max. 0,005 mind. 12,0 0,5 0,02 Tab. 1: Zusammensetzung Top12-500 nach [SWI1] Eine Analyse mittels Röntgenfluoreszenanalyse der getesteten Stähle an der Hochschule München ergab einen Chromgehalt von ca. 12,5 %. Das Gefüge des Stahls liegt durch den deutlich geringeren Nickelgehalt nicht als Austenit vor. Dadurch ist der Stahl im Vergleich zu 1.4571, 1.4401 u. a. hinsichtlich Lochfraßkorrosion in chloridhaltigen Medien anfälliger, weist aber durch den dennoch hohen Chromanteil von mindestens 12 % eine deutlich bessere Korrosionsbeständigkeit als unlegierter Bewehrungsstahl bei gleichzeitig höherer Streckgrenze und Festigkeit auf. Die Beständigkeit hinsichtlich Spannungsrisskorrosion in chloridhaltiger Umgebung ist bei ferritischen Chromstählen dabei i.d.R. höher als bei austenitischen Chrom-Nickel-Stählen (sehr hohe Nickelgehalte über rd. 20 % ausgenommen). Ein Materialmix im Stahlbetonbauteil aus Edelstahlbewehrung und unlegiertem Betonstahl (Mischbewehrung) führt hierbei zu keiner Unverträglichkeit durch eine eintretende Kontaktkorrosion. Solange der unlegierte Bewehrungsstahl durch die Alkalität des Betons ausreichend passiviert ist, sind Ruhepotential von Edelstahl und unlegiertem Stahl nahezu identisch, wodurch sich keine anodischen und kathodischen Bereiche ausbilden können [NÜR1]. Bei hochlegierten, sehr korrosionsbeständigen Stahlwerkstoffen basiert die Reaktionsträgheit auf der Bildung einer sehr stabilen Passivschicht aus Chromoxiden, die unter einem weiten Bereich von pH-Werten und Einwirkungen stabil ist. Verglichen mit unlegiertem Bewehrungsstahl findet dabei eine Korrosionsinitiierung erst unter deutlich ungünstigeren Randbedingungen, die wie bei herkömmlichem Betonstahl in alkalischer Umgebung mit einer Auflösung der Passivschicht verbunden ist, statt. Sobald die Passivschicht des hochlegierten Stahls jedoch verletzt ist, treten meist lokal begrenztere Depassivierungen als bei normalem Bewehrungsstahl auf. Die Korrosionsrate ist bei hochlegierten Edelstählen im Vergleich zu unlegiertem Stahl kleiner, die Abtragstiefe dadurch jedoch etwa vergleichbar groß [SCH1]. Hinzu kommt, dass bei kleineren Lochfraßnarben eine schlechtere Belüftung des Elektrolyten in der Narbe stattfindet, was eine zusätzliche Ansäuerung bewirkt, die den Abtrag weiter verstärkt. In [NÜR1] wurden Versuche an geschweißten Bewehrungsstählen in karbonatisiertem und nicht karbonatisiertem Normal- und Leichtbeton mit und ohne Chlorideinwirkung durchgeführt. Dabei wurde auch ein 1.4003 (X2Cr11) getestet. In karbonatisiertem Beton ohne gleichzeitiger Chlorideinwirkung erwies sich der 1.4003 als beständig. Bei geschweißten Stählen mit hohem Chromgehalt kann jedoch eine Chromverarmung um die Schweißzone erfolgen, indem sich im warmen Werkstoff mit dem vorhandenen Kohlenstoffgehalt im Stahl Chromkarbide abscheiden. Dadurch ist die Passivschichtbildung an dieser Stelle behindert und eine leichter eintretende Korrosion im Randbereich der Schweißnaht ist die Folge. In [NÜR1] wurde dabei an geschweißten 1.4003-Proben nach einer Auslagerungsdauer von 0,5 Jahren in einem Beton mit einem Chloridgehalt von 2,5 M.-%/ z deutliche Lochfraßnarbenbildung an der Randzone der Schweißnaht festgestellt. An Lollipop-Versuchen in Mörteln wurden in [BIS1] unlegierte und niedriglegierte Betonstähle auf deren kritischen Chloridgehalt hin untersucht. In [GRE1] wurden die Versuche mit den Ergebnissen an Proben aus 1.4003 („Top12“) gegenübergestellt, wobei die Untersuchungen in zementhaltigen Mörteln mit CEM I und CEM II/ B-M (S-T) Zementen (hüttensand- und schieferhaltig) durchgeführt wurden. Der 1.4003 wurde mit und ohne Walzhaut getestet. Die Ergebnisse sind in nachfolgender Tab. 2 zusammengestellt. B500B 1.4003 mit Walzhaut 1.4003 ohne Walzhaut CEM I 1,25 2,05 4,90 CEM II/ B-M (S-T) 1,76 3,84 5,97 Tab. 2: kritische Chloridgehalte in M.-%/ b nach [GRE1] im Mittel Die entgegen der Erwartung höheren, kritischen Chloridgehalte im CEM II-Zement wurden in einer längeren Vorpassivierungsdauer der CEM II-Proben vermutet. Ebenfalls deutlich zu erkennen ist der negative Einfluss der Walzhaut. Diese wird jedoch bei dem untersuchten Betonstahl in den heute üblichen Produktionsschritten durch einen Beizvorgang entfernt. In [SCH2] wurden kritische Chloridgehalte unter praktischen Beanspruchungsbedingungen an ausgelagerten Proben im Naxbergtunnel ermittelt. Getestet wurden die Stahlsorten B500B, 1.4003 (mit Walzhaut) und Duplexstahl 1.4462. Dabei wurden verschiedene Betone und Betondeckungen erfasst, wobei die geringen Betonüberdeckungen teilweise karbonatisiert waren. Dabei wurden folgende kritische Gesamtchloridgehalte ermittelt: B500B: 0,4 bis 0,9 M.-%/ b 1.4003: 0,9 bis 1,4 M.-%/ b Beim Duplexstahl (C krit > 3 M.-%/ b) konnte keine Korrosion festgestellt werden. Diese Ergebnisse decken sich auch in etwa mit den Ergebnissen aus Laborversuchen in [SCH1]. Dabei wurde ebenfalls ein deutlicher Einfluss der Walzhaut des 1.4003 auf die Korrosionsbeständigkeit festgestellt. [Dau1] buch2.indb 369 13.01.20 15: 41 370 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Chloridbeständigkeit eines hochlegierten Bewehrungsstahls im Trennrissbereich von Stahlbetonbauteilen 3. Fragestellung der durchgeführten Versuche Wie dargestellt, gibt es durchaus zahlreiche Untersuchungen zum Korrosionsverhalten von Bewehrungsstählen mit der Werkstoffnummer 1.4003 in chloridhaltigem Beton. Bis dato sind aber nur wenige Versuche zum Korrosionsverhalten dieser Stäbe in chloridbelasteten Rissen durchgeführt worden. Dieses Korrosionsverhalten ist insofern von hoher Praxisrelevanz, da durch die gezielte Auswahl von bestimmten Zementen bzw. Betonen die Einleitungsphase von z.B. ungerissenen und unbeschichteten Tiefgaragenbodenplatten mit herkömmlicher Bewehrung auf mehr als 50 Jahre auslegt werden kann. Allerdings führt das Entstehen eines Risses, in den Chloride eindringen können, zu einer hohen Korrosionswahrscheinlichkeit der Bewehrung im Rissbereich. Die heute häufig angewandte Methode, die Bodenplatte mit einer rissüberbrückenden Beschichtung zu versehen, ist aber sehr wartungs- und instandhaltungsintensiv. Auch können bei hohen Wasserdrücken von außen Blasen und Ablösungen entstehen. Insofern würde die Einsatzmöglichkeit eines Bewehrungsstahls 1.4003 mit einer nachgewiesenen hinreichenden Korrosionsbeständigkeit im chloridbeaufschlagten Riss eine wirtschaftliche und robuste Bauweise von z.B. Tiefgaragen-Bodenplatten ermöglichen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ermittlung der Beständigkeit des 1.4003 Bewehrungsstahls im chloridbelasteten, nicht karbonatisierten Trennrissbereich. Als Ergebnis wird die Ermittlung eines Verhältniswertes angestrebt, der angibt, um welchen Faktor die untersuchte Chromstahlbewehrung eine höhere Chloridkonzentration im Riss erträgt als unlegierter, warmgewalzter Bewehrungsstahl. Sämtliche Proben des 1.4003 wurden gebeizt (ohne Walzhaut) geprüft, das der aktuellen Lieferform des „Top12“ zur Baustelle entspricht. Aus Voruntersuchungen an der Hochschule München wurde bereits ein Vorgehen für die Untersuchung entwickelt [Dau2]. 4. Versuchsaufbau Für die Versuche wurden Stahlbetonbalken mit Trennriss erstellt. Untersucht werden Stahlbetonproben mit 1.4003 sowie mit unlegiertem Bewehrungsstahl 1.0439 (B500B), der als Referenz dient. Die verschiedenen Probekörper werden regelmäßig mit Chloridlösungen unterschiedlicher Konzentration beaufschlagt, um einen Chloridgehalt in der Rissflanke zu ermitteln, ab dem eine erste stabile Korrosionsinitiierung gemessen werden kann. Je Stahlbetonbalken wurde ein Bewehrungsstab zentrisch einbetoniert. Die Balken erhielten umlaufend eine Sollbruchstelle über eingelegte Dreikantleisten, durch die später die Risserzeugung erfolgte s. Abb. 1. Abb. 1: Skizze des Prüfkörperaufbaus Bis auf den Bereich um den Trennriss wurde der Bewehrungsstahl mit einer PU-Beschichtung versehen, um eine Verfälschung der Messergebnisse durch Karbonatisierung der Randzone auszuschließen und um eine definierte Anodenfläche zu erhalten. Als Referenz- und Gegenelektroden wurden Ringe aus einem Titanmischoxidband verwendet. Der Abstand zur Bewehrung wurde über einen Kunststoffabstandhalter sichergestellt, vgl. Abb. 2. Abb. 2: 1.4003 mit Titanmischoxidelektroden Die Verbindungsstellen der Messkabel wurden ebenfalls mit einer PU-Beschichtung versehen, um eine Kontaktkorrosion zu unterbinden. Für den Betonentwurf wurde ein CEM I 42,5 N Zement mit einem w/ z-Wert = 0,45 und eine A/ B 8 Sieblinie verwendet. Nach Aushärtung des Betons wurde ein Trennriss in der Prüfmaschine über eine Doppelbiegung in einem Dreipunkt-Biegeversuch erstellt und mittels rostfreier Edelstahlplättchen offen gehalten. (w k = 0,25 mm), vgl. Abb. 3. buch2.indb 370 13.01.20 15: 41 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 371 Chloridbeständigkeit eines hochlegierten Bewehrungsstahls im Trennrissbereich von Stahlbetonbauteilen Abb. 3: Probekörper mit erstelltem Trennriss Nach einer ausreichenden Erhärtungsphase von 28 Tagen wurde zuerst eine Leitungswasserbeaufschlagung und Nullmessung gestartet, anschließend erfolgte die Beaufschlagung mit chloridhaltigem Wasser. 5. Versuchsdurchführung Die externe Beaufschlagung mit chloridhaltigem Wasser erfolgt durch eine NaCl-Lösung in verschiedenen Konzentrationen. Diese wird in den seitlich verdämmten und nur einseitig für die Beaufschlagung offenen Rissbereich gegeben. Dabei können Chloride aus der Lösung teilweise in den Beton eindiffundieren, großteils ist jedoch auch ein „Huckepacktransport“ der Chloride durch kapillare Saugvorgänge in den zwischenzeitlich immer wieder trocken gelagerten Probekörper möglich. In regelmäßigen Zyklen wurden die Balken im Rissbereich mit chloridhaltigen Lösung beaufschlagt, deren Konzentration auf Grundlage der Vorversuche aus [Dau2] ermittelt wurden. Im Anschluss erfolgte eine mehrtägige Trocknungsphase. Wöchentlich werden die freien Korrosionspotentiale, Elementströme, Polarisationswiderstände, sowie Elektrolytwiderstände der Proben erfasst. Ein Teil des tatsächlichen Korrosionsstroms ist durch die Korrosionsstrom-Messung nicht korrekt erfassbar, da Anode und Kathode räumlich nicht vollständig voneinander getrennt werden können. Ströme, die für die Kathodenreaktion auf der Anode verbraucht werden, sind somit nicht gesondert identifizierbar [HEI1]. Nachfolgend wird der Begriff Elementstrom als Strom zwischen der vermeintlichen Anode und der Kathode verwendet. Näherungsweise wird dieser dem Korrosionsstrom gleichgesetzt. Nach jeder Elementstrommessung wurde der absolute Wechselstromwiderstand (Impedanz) bei 1 kHz Messfrequenz ermittelt. Dieser Wert dient zum Abgleich mit den Elementströmen. Dadurch ist ein Rückschluss möglich, ob ein Stromanstieg lediglich auf einem verringerten Elektrolytwiderstand oder auf einer Veränderung der anodischen Korrosionsaktivität beruht. Für die korrekte Erfassung des sehr kleinen Elementstroms wurde ein Potentiostat verwendet, der als Nullwiderstandsstrommessgerät (Zero Resistance Amperemeter, kurz: ZRA) geschalten wurde. Für diese Messanordnung wird eine Zwei-Elektroden-Anordnung verwendet, wobei auf eine separate Referenzelektrode zur Potentialerfassung verzichtet wird. Die Gegenelektrode wird zeitgleich als Referenz genutzt, vgl. Abb. 6. Zu Beginn der Messung wird dabei das Ruhepotential zwischen Gegenelektrode (Titanmischoxidband) und Arbeitselektrode (1.4003 bzw. B500B) ermittelt. Danach wird die Potentialdifferenz zwischen Arbeits- und Gegenelektrode zu Null geregelt und gehalten. Der dazu nötige Strom wird über die Zeit aufgezeichnet. Je länger die Messung dauert, desto stärker konvergiert der Verlauf des „Kurzschlussstroms“ dem Elementstrom, der tatsächlich bei einem dauerhaften Kurzschluss von Arbeits- und Gegenelektrode fließen würde. Abb. 6: Messanordnung (ZRA) im Versuch Eine Problematik bei der Versuchausauswertung der Elementströme ergibt sich bei der Bestimmung der Anodenfläche im Rissbereich, die zur Bestimmung der Elementstromdichte und damit zur quantitativen Bestimmung des Querschnittsverlust erforderlich wäre. Der Elementstrom entspricht dabei nicht exakt dem Korrosionsstrom, da die Arbeitselektrode (für die Messung als Anode betrachtet) auch kathodische Bereiche ausbildet, durch die ein Teil des Korrosionsstroms als Elektrolytreaktion verbraucht wird. Hier besteht nun eine Unwägbarkeit hinsichtlich der Korrosionsaktivität des Stahls in der Randzone der Rissflanken. Die im Riss befindliche und damit mathematisch ableitbaren Stahloberfläche als Anodenfläche anzusetzen ist hier nicht zielführend. Die mitwirkende Anodenfläche hängt von zu vielen Einflussfaktoren ab. Insgesamt ist eine korrekte Flächenbestimmung der Anode bei Lochfraßkorrosion, wie im vorliegenden Fall untersucht wird, durch die Narbenbildung und die damit verbundene immer größer werdende Aushöhlung der Narbe versuchstechnisch kaum möglich. Anhand der Darstellung in Abb. 7 werden die Problematiken deutlich. buch2.indb 371 13.01.20 15: 41 372 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Chloridbeständigkeit eines hochlegierten Bewehrungsstahls im Trennrissbereich von Stahlbetonbauteilen Abb. 7: Modell der Korrosion im Rissbereich nach [SCH1] und [GOT1] 6. Auswertung Als Abbruchkriterium für die Versuche wurde die erste stabile Korrosionsinitiierung ohne Repassivierungsvorgänge gewählt. Diese zeichnet sich in einem Sprung in den freien Korrosionspotentialen, sowie einem signifikante Anstieg der Elementströme ab, die nach zwei Wochen der Nicht-Beaufschlagung auch nicht wieder den Ursprungswert erreichen. Zu diesem Zeitpunkt war auch erst sichtbare Korrosion an den herausgetrennten Stahlproben zu erkennen. Der exemplarische Verlauf einer Probe mit und ohne Korrosionsinitiierung kann Abb. 6 entnommen werden. Abb. 6: Verlauf eine Probe mit (lila) und ohne (orange) Korrosionsinitiierung Zum Versuchsende werden in den Rissflanken die tatsächlich vorhandenen Chloridgehalte im Beton am Rissbereich photometrisch ermittelt. Danach wurden die Proben gespalten und fotografisch dokumentiert. Die Darstellung eines Ausgebauten Stahls (B500B) mit Korrosion aus der Versuchsreihe kann Abb. 6 entnommen werden. Die Darstellung einer 1.4003 Probe mit Korrosion ist in Abb. 6 dargestellt. Hier zeigt sich deutlich die zum Trennrissbereich exzentrisch versetzte Narbe nach Abb. 7. Abb. 6: ausgebauter Schwarzstahl mit Korrosion vor gespaltener Betonprobe Abb. 6: 1.4003 Bewehrungsstahl in gespaltener Betonprobe mit Korrosionsnarbe exzentrisch zum Trennriss Je zu untersuchender Betonstahlsorte werden 18 Prüfkörper geprüft. Dabei sind alle 18 Proben untereinander identisch hergestellt und dienen der üblichen Ermittlung von Streuungen bei den Versuchen. Zum aktuellen Zeitpunkt dieser Veröffentlichung zeigten von den untersuchten unlegierten Betonstählen bereits alle 18 Proben die untersuchte Korrosionsinitiierung bei Chloridgehalten zwischen 0,2 bis 1,2 M.-%/ z. Von den untersuchten 1.4003 Bewehrungsstählen zeigten zwei der 18 Proben eine stabile Korrosionsinitiierung bei Chloridgehalten von 1,8 bis 2,0 M.-%/ z. Aufgrund der ermittelten Streuung der Werte der unlegierten Stahlproben ist davon auszugehen, dass die kritishcen Chloridgehalte auch bei den 1.4003-Proben deutlich streuen werden. buch2.indb 372 13.01.20 15: 41 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 373 Chloridbeständigkeit eines hochlegierten Bewehrungsstahls im Trennrissbereich von Stahlbetonbauteilen 7. Fazit In karbonatisiertem Beton ohne Chlorideinwirkung erweist sich der 1.4003 gemäß Untersuchungen aus der Literatur als beständig. Vergleicht man die Versuche aus der Literatur hinsichtlich der Chloridbeständigkeit, fällt eine deutliche Abhängigkeit des festgestellten kritischen Chloridgehalts des 1.4003 von der Oberflächenbeschaffenheit, der Zementart und der Versuchsdurchführung auf. Der Einfluss von Walzhaut, Schweißnähten und Rippung, sowie die gewählte Zementart kann die Ergebnisse teilweise zwischen kritischen Chloridgehalten von deutlich unter 1 M-% bis über 5 M-% des untersuchten Betonstahls 1.4003 („Top12“) variieren lassen. Liegt die Bewehrung aus 1.4003 im karbonatisierten Beton bei gleichzeitiger Chloridbeanspruchung, fällt die Korrosionsresistenz signifikant. Die durchgeführten Versuche im Rissbereich ergaben eine Korrosionsinitiierung der 18 untersuchten unlegierten, warmgewalzten B500B-Proben bei Chloridgehalten von 0,2 bis 1,2 M.-%/ z im nicht karbonatisierten Trennrissbereich bei Verwendung einer Betonrezeptur mit CEM I- Zement. Von den ebenfalls 18 untersuchten 1.4003-Proben, zeigten aktuell zwei Proben eine Korrosionsinitiierung bei Chloridgehalten von 1,8 bis 2,0 M.-%/ z. Vergleicht man die hier dargestellten Untersuchungen am 1.4003 und die Untersuchungen aus der Literatur, fällt der starke Einfluss von gleichzeitiger Karbonatisierung des Betons und Chlorideinwirkung auf. Demzufolge zeichnen sich folgende Anwendungsgebiete als zielführend für den 1.4003 ab: die Verwendung in Bauteilen mit nur sehr geringer (möglicher) Betonüberdeckung unter Ausschluss einer gleichzeitigen Chloridbeanspruchung (z.B. Fassadenelemente) oder die Verwendung in Bauteilen mit mäßiger chloridbeanspruchung und ausreichend hoher Betonüberdeckung, wodurch eine Karbonatisierung bis auf Höhe der Bewehrung während der Nutzungsdauer ausgeschlossen werden kann (z.B. Sprühnebel beaufschlagte Tunnelwände). Als Anwendungsfall ist bei den aktuellen Ergebnissen auch die Verwendung in unbeschichteten Tiefgaragenbodenplatten mit Rissbehandlung (Bandage oder Verpressen) denkbar. Im ungerissenen Bereich ist die Dauerhaftigkeit hierbei über eine ausreichende dichte und dicke Betonüberdeckung und die Verwendung eines Betons mit hohem Chlorideindringwiderstand steuerbar. Im gerissenen Bereich erhält man bei Verwendung der hier untersuchten Chromstahlbewehrung eine deutliche Sicherheitsreserve bei der Wartung: selbst wenn Risse über einen gewissen Zeitraum auch im Winter offen bleiben, besteht die Möglichkeit diese je nach Nutzungsintensität auch noch zu einem späteren Zeitpunkt zu verschließen, ohne dass eine aufwendige Betoninstandsetzung der Bereiche notwendig wird. Literatur [893] Informationsstelle Edelstahl Rostfrei: Merkblatt 893 Edelstahl Rostfrei für die Wasserwirtschaft: Link: http: / / www.edelstahl-rostfrei.de/ downloads/ iser/ MB_893.pdf, zuletzt aufgerufen am: 18.10.2017 [BIS1] Bisschop, J.; Schiegg, Y.; Linden, C.: Effect of rebar and cement type on the critical chloride content of reinforced concrete. Proceedings of EUROCORR, Montpellier (F), September 2016 [CHE1] Chess P. M.; Broomfield J. M.: Cathodic Protection of Steel in Concrete and Masonry - Second Edition. 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