Modellbetrachtung der zeitabhängigen Betonzerstörung durch lösenden Säureangriff

Die Lebensdauer von Betonbauteilen in Industrie und Landwirtschaft kann durch den lösenden Angriff von aggressiven Medien erheblich reduziert werden. Das Spektrum der aggressiven Medien ist sehr breit und erstreckt sich von mineralischen Säuren wie Schwefel- und Salzsäure über organische Säuren wie Essig- oder Milchsäure bis hin zu Ammonium. Der Angriff kann entweder unter statischen Bedingungen (z.B. Behälter für Gülle oder Silage in landwirtschaftlichen Betrieben, Enteisungsmittel an Flughäfen) oder unter fließenden Bedingungen (z.B. Kühltürme, Abwasserrohre) stattfinden. Durch die Auflösung des Bindemittels und der Gesteinskörnung bildet sich eine Korrosionsschicht geringer Festigkeit, welche das weitere Fortschreiten der Korrosion verlangsamt. Der Abtrag korrodierten Betons durch starke Strömung, Reinigungsvorgänge, Rühren usw. kann die Korrosionsgeschwindigkeit entscheidend erhöhen.

Ein numerisches Rechenmodell (SATIR) zur Vorhersage des Verlaufs der Korrosion von Beton in Abhängigkeit von Beton- und Säurezusammensetzung, wurde entwickelt. Dabei kann der Angriff sowohl unter stehenden als auch unter fließenden Bedingungen stattfinden. Auch der Einfluss von mechanischem Abrieb kann modelliert werden. Die vom Rechenmodell berücksichtigten Korrosionsmechanismen sind im Bild dargestellt.

Die diffusionsgesteuerten Transportvorgänge des Säureangriffs werden mit der Nernst-Planck-Gleichung berechnet. Die Korrosion der Bindemittelmatrix und, wenn vorhanden, der Gesteinskörner aus Calcit oder Dolomit führt zur Bildung eines Korrosionsraums, welcher die Diffusionsgeschwindigkeit beschleunigt. Der Verbrauch von Protonen aus der Säure und die Freisetzung von Ca2+ sowie Fe3+ und Al3+ aus der Bindemittelmatrix an der Reaktionsfront werden von der Reaktionskinetik bei der Neutralisationsreaktion der Säure gesteuert. Der dabei entstehende Korrosionsraum im Bindemittel wird aus der Menge des gelösten Calciums berechnet. Die Dissoziation von z.B. organischen Säuren oder Ammonium in der Porenlösung und im angreifenden Medium wird mit entsprechenden Gleichgewichtskonstanten berücksichtigt. Je nach Zement- und Säureart kann auch die Fällung von Stoffen wie Gips, Brucit und Gibbsit berücksichtigt werden, was die Porosität der Korrosionsschicht reduziert und damit auch die Angriffsgeschwindigkeit.

Das Modell benötigt folgende Daten:

• Beton: Zementgehalt, Zementart bzw. Ca, Al- und Fe-Gehalt des Zements, w/z-Wert, Sieblinie, Art der Gesteinskörnung (Quarz, Calcit, Dolomit)
• Säure: pH-Wert, Säurekonzentration, Säureart
• Angriffsbedingungen: Kontaktvolumen der Säure zur Betonoberfläche (Liter/m2), Fließgeschwindigkeit, Dicke der Restkorrosionsschicht bei Abrieb

Das wichtigste Ergebnis der Modellberechnung ist die Dicke der Korrosionsschicht nach vorgegebener Angriffsdauer.

Ansprechpartner

Dr. rer. nat. Harald Hilbig

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft. Schwerpunktprogramm SPP 1122 „Vorhersage des zeitlichen Verlaufs von physikalischen-chemischen Schädigungsprozessen an mineralischen Werkstoffen“, 06.01 bis 09.07