Korrosionsprozesse entschlüsseln

Wie schnell Stahl in Beton oder in einem anderen por?sen Material korrodiert, ist zentral f¨¹r eine Vielzahl an technischen Anwendungen, etwa bei Rohrleitungen im Erdreich oder bei Stahlbetonbr¨¹cken. Seit Jahrzehnten existieren verschiedene Hypothesen und Modelle, die aber die empirischen Befunde generell nicht abschliessend erkl?ren k?nnen. Forschende rund um Ueli Angst, ETH-Professor f¨¹r Dauerhaftigkeit von Werkstoffen, haben dieses R?tsel nun gel?st und ein neues, bestechend einfaches Modell entwickelt, das soeben in der Zeitschrift ?Nature Materials? ver?ffentlicht wurde.

G?ngige Hypothese widerlegt

?In den meisten Lehrb¨¹chern wird die Korrosionsgeschwindigkeit in Abh?ngigkeit von der Feuchtigkeit als umgekehrte U-Kurve dargestellt?, sagt Angst. Ist der Beton demnach komplett nass, l?uft die Korrosion langsam ab, weil der Sauerstoff nur schwer durch das Wasser diffundieren kann. Ist der Beton hingegen komplett trocken, gibt es ebenfalls kaum Korrosion, weil das Wasser fehlt. Am schnellsten l?uft der Prozess nach diesen Vorstellungen also bei ?mittlerer? Feuchtigkeit ab, wenn in den Poren des Betons sowohl Wasser als auch Sauerstoff vorhanden ist.

Diese ?Sauerstoff-Theorie? ist aber f¨¹r die Realit?t oft wenig zielf¨¹hrend. Angst gibt zu bedenken, dass die meisten Bauwerke zyklisch exponiert sind: ?Mal sind sie trocken, mal werden sie im Regen wieder nass. So f¨¹llen sich die Poren nur periodisch mit Wasser, und es gibt meist gen¨¹gend Sauerstoff im System.?

Die Erkenntnis, dass die ?Sauerstoff-Theorie? allein den Korrosionsprozess nicht zu beschreiben vermag, ist nicht neu. ?Bereits eine Publikation von 1957 weist darauf hin, dass es nebst dem Sauerstoff noch einen anderen Faktor geben muss?, sagt Angst. F¨¹r diese gross angelegte Studie wurden in den 1920er-Jahren in den ganzen USA Tausende Stahlproben im Erdreich vergraben und ¨¹ber Jahre wieder ausgegraben und untersucht. Dabei zeigte sich, dass in den n?ssesten B?den die Korrosion am schnellsten ablief. Darauf kennt die Sauerstoff-These aber keine Antwort.

Ein simpler Fl?cheneffekt

?Wir haben nun eine Erkl?rung, die im Grunde ¨¹berraschend einfach ist?, sagt Angst. Sie basiert auf der Tatsache, dass sich das Metall in einem por?sen Medium befindet. Das bedeutet, dass es bereichsweise mit Feststoffen wie Zementstein oder Sandk?rnern und bereichsweise mit Hohlr?umen in Kontakt steht. Dort, wo das Metall mit den Feststoffen in Kontakt ist, l?uft keine Korrosion ab. ?Dort wo das Metall mit Poren in Kontakt ist, kann es hingegen zu Korrosion kommen, wenn die Poren mit Wasser gef¨¹llt sind, nicht aber, wenn sie mit Luft gef¨¹llt sind?, sagt Angst. ?Je feuchter also das Material ist, desto mehr Poren f¨¹llen sich mit Wasser, und das f¨¹hrt zu einer ausgepr?gteren Korrosion.? Nicht der Sauerstoff ist also entscheidend, sondern die Fl?che, die mit Wasser in Kontakt ist.

Die Forschenden entwickelten ein theoretisches Modell, das diese Zusammenh?nge quantifiziert. Damit kann aufgrund der Porenstruktur des Mediums und der Feuchtebedingungen die Korrosionsgeschwindigkeit vorhergesagt werden. ?Mit diesem Modell k?nnen wir nicht nur unsere eigenen Messungen, sondern auch experimentelle Daten aus den letzten 50 Jahren erkl?ren?, wie Angst betont, ?und zwar unabh?ngig davon, ob das por?se Medium nun Beton, Erdboden, oder Holz ist?.

Neuen Zementsorten zum Durchbruch verhelfen

Diese Erkl?rung ist besonders wichtig im Hinblick auf den Einsatz von umweltfreundlicheren Zementsorten. Beton aus herk?mmlichem Portlandzement weist eine hohe Alkalinit?t auf. Genau diese Eigenschaft ist es, die den Stahl im Beton vor Korrosion sch¨¹tzt und damit wesentlich zum Erfolg der Stahlbetonbauweise beigetragen hat. Allerdings setzt die Produktion von herk?mmlichem Zement grosse Mengen an CO₂ frei. Was das f¨¹r das Klima bedeutet, kann man daran ermessen, dass Beton weltweit direkt nach Wasser der meistverwendete Stoff ist.

So arbeitet die Zementindustrie seit Jahren daran, alternative Rohstoffe f¨¹r die Zementproduktion einzusetzen. In verschiedenen L?ndern werden dabei ganz unterschiedliche Materialien eingesetzt, je nach vorhandenen Rohstoffen und Abfallprodukten aus anderen Industrien. W?hrend diese Bestrebungen dazu geeignet sind, den CO₂-Ausstoss zu reduzieren, haben die neuen Zementsorten einen gravierenden Nachteil: Sie verf¨¹gen ¨¹ber eine tiefere Alkalireserve. ?Dies bedeutet, dass die modernen klimafreundlichen Betone ihre korrosionssch¨¹tzende Wirkung, also den hohen pH-Wert, rascher verlieren?, erkl?rt Angst.

Gem?ss den heutigen Normen muss der Beton ¨¹ber die ganze Lebensdauer eines Bauwerks ¨C in der Regel sind das 50 bis 100 Jahre ¨C  sicherstellen, dass der drin eingebettete Bewehrungsstahl nicht zu korrodieren beginnt. Diese Vorgabe kann man mit den neuen Zementsorten nur noch schwer erf¨¹llen, beispielsweise indem man den Stahl mit einer dickeren Betonschicht umh¨¹llt ¨C was wiederum aber auch nicht ?kologisch ist.

Sollen die neuen, in einer ganzheitlichen Betrachtung umweltfreundlicheren Baustoffe vermehrt eingesetzt werden, ist eine Abkehr von der heutigen Praxis notwendig. ?Korrosion muss nicht zwingend zu Sch?den an einem Bauwerk f¨¹hren, sofern sie langsam genug abl?uft?, ist Angst ¨¹berzeugt. Ein gewisses, geringes Mass an Bewehrungskorrosion kann also w?hrend der Lebensdauer eines Bauwerks in Kauf genommen werden. Dazu fehlte bis anhin jedoch die wissenschaftliche Grundlage. ?Mit unserem Modell k?nnen wir nun quantitative Aussagen dazu machen, wie die Korrosion in unterschiedlichen Betonsorten und Umgebungsbedingungen abl?uft?, sagt Angst. Damit k?nnten diese Erkenntnisse zu nachhaltigeren Bauten f¨¹hren.