Untersuchungen zu den Korrosionsmechanismen von Stahlfasern in chloridhaltigem Beton

Dauberschmidt, Christoph; Raupach, Michael

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-16771

Untersuchungen zu den Korrosionsmechanismen von Stahlfasern in chloridhaltigem Beton = Investigations on the corrosion mechanisms of steel fibres in concrete containing chlorides

Dauberschmidt, Christoph (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christioh Dauberschmidt

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangVII, 139, 12 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache. -

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Raupach, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-08-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-16771
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61553/files/Dauberschmidt_Christoph.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Korrosion (frei) ; Beton (frei) ; Stahlfaser (frei) ; Chloridion (frei) ; Langzeitverhalten (frei) ; Korrosionsprüfung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Stahl in Beton ist normalerweise durch die Bildung einer dünnen und dichten Passivschicht auf dem Stahl durch das alkalische Milieu des Porenwassers von Beton (pH rd. 13,3) vor Korrosion geschützt. In taumittel- oder meereswasserhaltiger Exposition wird bei Überschreitung eines kritischen Chloridgehalts des Betons c(Cl(krit)) an der Bewehrung die Passivschicht zerstört. Somit kann Korrosion der Bewehrung einsetzen, die zu deren Schädigung und damit zur begrenzten Dauerhaftigkeit von stark exponierten Bauteilen bei z.B. Parkhäusern oder Brücken führen kann. Dieser kritische Chloridgehalt von Betonstahl hängt im hohen Maß vom pH-Wert der Porenlösung und der Ausprägung der Übergangsschicht Stahl/Beton, aber auch von expositions- und stahlspezifischen Parametern ab. Frühere Untersuchungen von Stahlfasern in chloridhaltigem Beton führten zu der Erkenntnis, dass der kritische Chloridgehalt von Stahlfasern im Beton verglichen zu dem von Betonstahl deutlich erhöht ist, selbst bei gleicher chemischen Zusammensetzung der Stähle und gleicher Betonzusammensetzung. Zur Klärung der maßgebenden Mechanismen, die zu dem erhöhten Korrosionswiderstand von Stahlfasern gegenüber Betonstahl führen, wurden elektrochemische Untersuchungen in Porenlösung wie auch in chloridhaltigem Mörtel bzw. Beton durchgeführt. Neben etablierten elektrochemischen Untersuchungsmethoden (wie Bestimmung der Polarisationswiderstände, Stromdichte-Potential-Kurven) wurden auch Elektrochemische Impedanz-Spektroskopie- (EIS) und Elektrochemische Rausch-Messungen (EN) durchgeführt, um die Passivierung von Stahlfasern, kaltgezogenen Drähten mit unterschiedlichen Ziehgraden und Betonstahl zu untersuchen. Im Besonderen wurden potentiostatische Stufenversuche an Stahlelektroden in Porenlösung bei gleichzeitiger Aufzeichnung des Elektrochemischen Stromrauschens zur Klärung der Passivierungs- und Depassivierungsvorgänge durchgeführt. Untersuchungen mittels Rasterelektronen- und Rasterkraft-Mikroskopie sowie numerische Simulationen der Korrosionskinetik runden den Versuchsplan ab. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Reduzierung der maßgebenden Rauschsignale und der kapazitiven Anteile der Passivschicht von passiven Stahlfasern und kaltverformten Drähten in Porenlösung. Dies in Kombination mit einer Depassiverung der Fasern und Drähte bei einem gegenüber Betonstahl deutlich erhöhten Chloridgehalt deutet auf eine homogenere und somit stabilere Ausbildung der Passivschicht von Stahlfasern und Drähten in Porenlösung hin. Für die Passivierungs- und Depassivierungsvorgänge von Stahlfasern und Drähten in Mörtel und Beton wurde basierend auf den Untersuchungsergebnissen ein Depassivierungsmodell entwickelt. Danach hängt die Korrosionsrate maßgeblich von der Korrosionsaktivität innerhalb der herstellbedingten Ziehgräben auf der Oberfläche ab, die häufig mit Ziehmittel gefüllt sind, welches die Passivierung zumindest verzögert. Dadurch können sich innerhalb der Ziehgräben abgekapselte Korrosionsstellen ausbilden, die aufgrund einer dichten Kontaktzone Stahl/Beton und der damit verbundenen Diffusionshemmung meist nur sehr geringe Korrosionsraten aufweisen, die zu keiner sichtbaren Schädigung führen und deshalb als „schlafende Korrosionsstellen” definiert wurden. In Praxis ist deshalb mit schädigender Korrosion von Stahlfasern in ungerissenem und chloridhaltigem Beton im Bauteilinneren selbst bei hohen Chloridgehalten nicht zu rechnen. Die Korrosion von oberflächennahen Stahlfasern kann durch Auslaugungsvorgänge des Betons an der Oberfläche erklärt werden. Die Dauerhaftigkeit von Stahlfasern nach erfolgter Depassivierung ist maßgeblich von der Aktivität der Kathode bestimmt. Dennoch genügen infolge der kleinen Faserquerschnitte selbst sehr geringe Korrosionsraten, um die Dauerhaftigkeit von korrodierenden Stahlfasern stark zu limitieren.

Steel in concrete is normally protected against corrosion due to a thin and dense passive layer formed in the alkaline medium of the pore solution of concrete (pH approx. 13.3). In the presence of chloride at the steel surface (due to de-icing or seawater salt) the passive layer breaks down when a critical chloride content is exceeded (c(Cl(crit)) and corrosion of the reinforcement can be initiated, causing deterioration of the reinforcement and thus of bridges or parking decks etc. This critical chloride content of black steel reinforcement is strongly dependent on the pH-value of the pore solution and on the structure of the interfacial concrete zone as well as on exposure- and steel-related parameters. Former investigations on the corrosion of steel fibres in concrete containing chlorides have led to the conclusion that the critical chloride content of steel fibres in concrete is much higher compared to the one of normal reinforcement, although identical steel and concrete compositions are used. In order to clarify the mechanisms of this increased corrosion resistance of steel fibres compared to rebars electrochemical tests have been carried out in artificial pore solution as well as in mortar and concrete containing chlorides. Besides established electrochemical methods (determination of polarisation resistance and current density-potential-curves) Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) as well as Electrochemical Noise (EN) have been applied to investigate the passivity of steel fibres, cold drawn wires with different degrees of drawing and reinforcement. In particular potentiostep tests of steel electrodes in pore solution at different chloride concentrations have been conducted by simultaneously measuring the Electrochemical Current Noise to clarify the passivation and the depassivation mechanisms. Additional investigations using Scanning Electron (SEM) and Atomic Force (AFM) Microscopes as well as numerical simulations on the corrosion kinetics rounded out the experimental design. The results show a significant reduction of the decisive noise signals and the capacitive actions of the passive layer of passive steel fibres and cold drawn wires in pore solution. Considering additionally the depassivation of fibres and wires at clearly higher chloride contents, the formation of a more homogeneous and hence more stabile passive layer of steel fibres and wires can be concluded. The passivation and depassivation of steel fibres and wires in mortar and concrete is strongly dependent on the corrosion behaviour within the die scars on the fibre surface caused by the production process and filled with drawing grease, which at least decelerate the passivation. Thus localized secluded corrosion spots within the die scars can be formed with marginal corrosion rates due to the diffusion inhibition caused by the dense interfacial contact zone steel/concrete. These "sleeping corrosion spots" are unlikely to cause visual damages. Hence in practice harmful corrosion of steel fibres in uncracked concrete containing high content of chlorides is improbable inside the structure. But near the concrete surface corrosion can occur due to leaching processes of the concrete, which can be calculative estimated. The durability of steel fibres after the onset of corrosion is strongly dependent on the activity of the cathode. Though due to the small section of the fibres even low corrosion rates are sufficient to restrict the durability of corroding steel fibres.

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