Zum zeitabhängigen Verhalten elektrochemischer und morphologischer Kenngrößen bei der chloridinduzierten Korrosion von Stahl in Beton

Harnisch, Jörg; Raupach, Michael

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-40283

Zum zeitabhängigen Verhalten elektrochemischer und morphologischer Kenngrößen bei der chloridinduzierten Korrosion von Stahl in Beton = Investigations into the time dependent behaviour of electro-chemical and morphological parameters regarding the chloride induced corrosion of steel in concrete

Harnisch, Jörg

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jörg Harnisch

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfanggetr. Zählung : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Raupach, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-02-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-40283
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62839/files/4028.pdf

Einrichtungen

Institut für Bauforschung (311100)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Korrosion (Genormte SW) ; Bewehrung (Genormte SW) ; Morphologie (Genormte SW) ; Elektrochemie (Genormte SW) ; Beton (Genormte SW) ; Stahl (Genormte SW) ; Zeitabhängigkeit (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; chloridinduzierte Korrosion (frei) ; chloride induced corrosion (frei) ; concrete (frei) ; reinforcement (frei) ; morphology (frei) ; time dependence (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Vor dem Hintergrund der wachsenden Problematik chloridinduzierter Korrosionsschäden an Bestandsbauwerken im Allgemeinen sowie den aktuellen Bestrebungen, die chloridinduzierte Korrosion von Stahl in Beton auf probabilistischer sowie numerischer Basis zu modellieren im Speziellen, befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Erfassung und der Analyse zeitabhängiger Kenngrößen der Makrozellanode bei der chloridinduzierten Korrosion von Stahl in Beton. Die Untersuchungen erstrecken sich hierbei sowohl auf elektrochemische Aspekte als auch auf die morphologische Entwicklung der Makrozellanode als Ort des aktiven Materialabtrages. Als Ergebnis der elektrochemischen Untersuchungsreihen stehen nun erstmals statistisch quantifizierte, zeitabhängige Freie Korrosionspotentiale und spezifische Polarisationswiderstände für die Modellierung der Korrosionsaktivität von Stahl in Beton mit hohen Wasser- und Chloridgehalten zur Verfügung. Untersuchungen zur Summenstrom-Potential-Beziehung der Makrozellanode zeigen, dass diese für anodische Überspannungen von bis zu 140 mV linear verläuft, was Vorteile bei der Simulation der chloridinduzierten Korrosion von Stahl in Beton mit sich bringt. Die kombinierte Auswertung elektrochemischer und gravimetrischer Untersuchungsergebnisse zeigt, dass der Eigenkorrosionsanteil anodischer Teilbereiche bis zu 50% betragen kann und daher bei der Modellierung der Korrosionsaktivität unter keinen Umständen vernachlässigt werden sollte. Mit Hilfe modernster Oberflächenanalytik ist es im Rahmen dieser Arbeit gelungen, die zeitabhängige Entwicklung der maximalen Schädigungstiefe sowie depassivierter Oberflächenbereiche zu erfassen und mathematisch zu beschreiben. Aufbauend auf diesen Ergebnissen steht in Form einer modifizierten Kegelgleichung erstmals eine Berechnungsgrundlage zur Bestimmung des korrosionsbedingten, zeitabhängigen Volumenverlustes der Makrozellanode zur Verfügung, welche auf baupraktisch ermittelbaren Eingangsgrößen basiert. Weiterführende Untersuchungen zum minimalen korrosionsbedingten Restquerschnitt führen zur Entwicklung eines zeitabhängigen Restquerschnitts-Faktors, der es erlaubt, korrosionsbedingte Verlustvolumina (aus Berechnungen bzw. topometrischen oder gravimetrischen Untersuchungen) in minimale Restquerschnitte zu überführen. Mit diesem Faktor liegt erstmals eine Rechengröße vor, die auf einer breiten, wissenschaftlich fundierten Basis zum zeitabhängigen Verhalten des minimalen Restquerschnittes von Stahl in Beton bei hohen Chlorid- und Wassergehalten gründet.

It is an undeniable fact that the number of chloride induced corrosion damages in reinforced concrete structures has increased considerably during the last decades. In the context of actual scientific efforts regarding the modelling of chloride induced corrosion phenomena of steel in concrete this thesis aims at the analysis of the time dependent behaviour of electro-chemical and morphological parameters of the macro-cell anode being the location of active metal dissolution. As a result of electro-chemical investigations time dependent and statistically firm free corrosion potentials and specific polarisation resistances of the macro cell anode are now available for the modelling of chloride induced corrosion phenomena of steel in concrete with high water and chloride contents. Further investigations into the current-potential-relation of macro cell anodes show a fairly linear devolution up to anodic overpotentials of 140 mV. This information leads to less time consuming calculation procedures in the numerical analyses of chloride induced corrosion phenomena. The combined evaluation of electro-chemical and gravimetric test series shows that the proportion of self corrosion activity can be as high as 50% of the overall corrosion activity. The results confirm that it is absolutely necessary to take self corrosion into account in any future corrosion modelling. Surface analyses by means of a cutting edge 3-D surface scanner shows, that it is possible to quantify the development of depassivated surface areas and maximum pitting depths with high accuracy. Using regression analyses simple mathematical expressions can be derived describing the time dependent behaviour of the surface morphology as a result of ongoing chloride induced corrosion processes. Based on these results a new calculation model is established describing the corrosion related loss of steel volume by means of a modified formula for a cone volume. This formula is based on parameters which can be obtained by onsite inspections of reinforced concrete structures. Furthermore investigations into the minimal residual cross section leads to the development of a time dependent factor which enables the engineer to transform corrosion induced volume losses (e.g. obtained from calculations, morphological or gravimetric investigations) into minimum cross sections of the respective rebar. This factor, for the first time, is based on a significant scientific data base regarding the minimum cross section of corroding steel in concrete with high water and chloride contents.

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