Rost im Stahlbeton
AFB I–IIIm frischen Beton ist das Porenwasser durch Calciumhydroxid stark basisch (pH ≈ 12,5). Der Bewehrungsstahl bildet dort eine dünne, dichte Oxidschicht und ist „passiviert“. Kohlenstoffdioxid aus der Luft dringt jedoch langsam ein und „carbonatisiert“ den Beton, wobei der pH-Wert auf etwa 9 sinkt. Erreicht die Carbonatisierungsfront den Stahl, beginnt er zu rosten. Gemessen wurde die Carbonatisierungstiefe \(x\) an Bohrkernen einer Brücke:
| Alter in Jahren | 1 | 4 | 9 | 16 | 25 |
|---|---|---|---|---|---|
| x in mm | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 |
Die Betondeckung über dem Stahl beträgt 30 mm. Rost nimmt etwa das 2- bis 3-fache Volumen des Eisens ein.
- Nennen Sie die Korrosionsart, die am Bewehrungsstahl nach der Carbonatisierung abläuft, und formulieren Sie die Teilgleichungen an Anoden- und Kathodenstelle.
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der Carbonatisierung und erklären Sie damit den Abfall des pH-Werts.
- Werten Sie die Messwerte aus und berechnen Sie, nach wie vielen Jahren die Carbonatisierung den Stahl erreicht.
- Beurteilen Sie, warum Brücken mit Streusalzbelastung oft schon nach 20–30 Jahren Betonabplatzungen zeigen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Sauerstoffkorrosion (pH ≈ 9, Luft/Feuchte in den Poren). Anodenstelle: \(\ce{Fe -> Fe^2+ + 2 e-}\); Kathodenstelle: \(\ce{O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O}\). Die Hydroxid-Ionen werden im schwer löslichen Calciumcarbonat gebunden; ihre Konzentration im Porenwasser sinkt, der pH-Wert fällt von ≈ 12,5 auf ≈ 9. Bei diesem pH ist die Passivschicht nicht mehr beständig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Tiefe wächst nicht linear: bei vierfacher Zeit doppelte Tiefe. Es gilt \(x = k\sqrt{t}\) mit \(k = 3\,\text{mm}/\sqrt{\text{a}}\). Für \(x = 30\,\text{mm}\): \(\sqrt{t} = 10\), also \(t = 100\) Jahre. Bei nur 20 mm Deckung wären es \((20/3)^2 \approx 44\) Jahre.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Chlorid-Ionen aus Streusalz dringen schneller ein als die Carbonatisierungsfront und zerstören die Passivschicht schon bei hohem pH; zudem erhöhen sie die Leitfähigkeit. Der entstehende Rost braucht das 2- bis 3-fache Volumen — der Druck sprengt die Betondeckung ab, Wasser und Sauerstoff gelangen noch leichter an den Stahl (selbstverstärkender Schaden). Die Prognose von 100 Jahren gilt also nur für chloridfreien Beton.
Korrosionsrate und pH-Wert
AFB II–IIIFür unlegierten Stahl in belüftetem Wasser (25 °C) wurde die Abtragsrate in Abhängigkeit vom pH-Wert bestimmt (typische Werte, gerundet):
| pH | 3 | 4 | 5 | 7 | 9 | 11 | 13 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Abtrag in mm/a | 1,8 | 0,30 | 0,12 | 0,11 | 0,10 | 0,04 | 0,01 |
Die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser ist im gesamten Bereich nahezu gleich. \(\rho(\ce{Fe}) = 7{,}87\,\text{g/cm}^3\), \(M(\ce{Fe}) = 55{,}85\,\text{g/mol}\), \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\).
- Werten Sie die Messwerte aus, indem Sie drei Bereiche unterscheiden.
- Erklären Sie die drei Bereiche mithilfe der Kathodenreaktionen und der Potenziale \(E(\ce{H3O+}/\ce{H2})\) und \(E(\ce{O2}/\ce{OH-})\) bei pH 3 und pH 7.
- Berechnen Sie für pH 7 den jährlichen Massenverlust pro Quadratmeter und die mittlere Korrosionsstromdichte in µA/cm².
- Planen Sie ein Experiment, mit dem man zeigen kann, dass die Korrosion bei pH 7 vom gelösten Sauerstoff und nicht von H₃O⁺ getragen wird, und begründen Sie das erwartete Ergebnis.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
pH < 4: Abtrag steigt mit sinkendem pH steil an (pH 3 rund 16-mal so hoch wie pH 7). pH 4–9: nahezu konstant ≈ 0,1 mm/a. pH > 10: Abtrag sinkt deutlich (pH 13 nur noch 0,01 mm/a).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
pH 3: \(E(\ce{H3O+}/\ce{H2}) = -0{,}18\,\text{V}\) — deutlich über dem Eisenpotenzial, zusätzlich zur Sauerstoffkorrosion läuft Säurekorrosion; H₃O⁺ ist reichlich vorhanden, die Rate hängt stark vom pH ab. pH 7: \(E(\ce{H3O+}/\ce{H2}) = -0{,}41\,\text{V}\) — keine Triebkraft mehr; allein \(\ce{O2}\) (\(E = 0{,}82\,\text{V}\)) wirkt. Die Rate wird dann durch das Nachliefern von gelöstem O₂ begrenzt, das im ganzen Bereich gleich ist → Plateau. pH > 10: Eisen bildet eine schützende Oxid-/Hydroxidschicht (Passivierung), die Rate fällt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(V = 10\,000\,\text{cm}^2 \cdot 0{,}011\,\text{cm} = 110\,\text{cm}^3\); \(m = 110 \cdot 7{,}87\,\text{g} = 866\,\text{g}\); \(n(\ce{Fe}) = 15{,}5\,\text{mol}\); \(Q = 15{,}5 \cdot 2 \cdot 96\,485\,\text{C} = 2{,}99 \cdot 10^{6}\,\text{C}\); \(t = 3{,}15 \cdot 10^{7}\,\text{s}\) → \(I = 0{,}095\,\text{A}\) pro m², also \(i \approx 9{,}5\,\mu\text{A/cm}^2\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Zwei gleiche, gewogene Stahlproben in Pufferlösung pH 7: Probe A in mit Luft durchperlter Lösung, Probe B in mit Stickstoff gespülter, verschlossener Lösung. Nach einigen Tagen Massenverlust bestimmen bzw. Fe²⁺ nachweisen (Blutlaugensalz), zusätzlich pH am Metall messen. Erwartung: A korrodiert deutlich, B kaum; bei A wird die Lösung an der Oberfläche basisch (OH⁻), H₂-Entwicklung tritt in keinem Ansatz auf. Gleicher pH, unterschiedlicher O₂-Gehalt → O₂ ist das Oxidationsmittel.