Reinhard Bedel und Robert Scannell

In Beton liegt der pH in der Regel um 12,5 bis 13,5. In diesem alkalischen Medium überzieht sich Eisen mit einer festhaftenden, dünnen Oxidschicht von anderer Zusammensetzung als der Rost, die es vor weiterem Angriff schützt. Das Eisen ist "passiviert". Diese Schicht wächst nach, wenn sie mechanisch zerstört wird.

Salz kann mit Eisen lösliche Verbindungen bilden, die die oben erwähnte Oxidschicht zerstören, die Schicht wächst dann auch nicht nach und Rostbildung kann einsetzen ("Lochfraß").

Da das Salz in der Regel nicht ganz gleichmäßig verteilt ist, wird es - wie unten beschrieben - an einigen Stellen des Stahls zur Auflösung von Eisen kommen (Rostbildung), während an anderen Stellen die Sauerstoffreduktion abläuft. Beispielhaft ist das in Abb. 1 dargestellt.

Die Reaktion von Kohlendioxid (aus der Luft) mit dem Alkali des Betons führt zu Karbonaten, diese haben in wässriger Lösung einen pH-Wert, der typisch um 8,5 liegt. Bei diesem pH-Wert kann sich die o. g. dünne, passivierende Oxidschicht nicht mehr bilden und der Stahl kann rosten.

Der Stahl wandelt sich vom Metall (Fe) in ein Oxid (Fe₂O₃ oder FeO) um, das meist noch Wasser (H₂O) enthält und dessen Formel daher komplizierter ist, als oben angegeben.

Beim Rosten hat also das neutrale Eisen zwei oder drei Elektronen an den Sauerstoff abgegeben und ist zum Eisenion oxidiert worden.

Wenn Stahl in Beton rostet, beginnt dies an irgendeiner Stelle mit folgendem ersten Schritt:


Fe  →  Fe²⁺ + 2 e^-       (siehe Abb. 1)

An einer anderen Stelle kann z. B. Sauerstoff, der aus der Luft in den Beton diffundiert ist, reduziert werden:


O₂ + 2H₂O + 4 e^-  →  4OH^-

auch andere Reaktionen können auftreten.

Stets müssen aber die "anodischen" Reaktionen (Fe  →  Fe²⁺ + 2e^-) und die "kathodischen" Reaktionen (O₂ + 2H₂O + 4e^-  →  4OH^-) gemeinsam ablaufen. Ist eine der beiden gehemmt, so kommt auch die andere zum Stillstand.

Zusammengenommen läuft dann die Reaktion wie folgt ab:

2 Fe + O₂ + 2 H₂O  →  2 Fe(OH)₂

Das gebildete Fe (OH)₂ ist unlöslich und reagiert danach mit weiterem Sauerstoff und Wasser zu den erwähnten wasserhaltigen Eisenoxiden (Rost) in einer rein chemischen Reaktion. Man sieht, dass zur Rostbildung sowohl Sauerstoff als auch Wasser nötig sind.

Abbildung 1: Montage der Titanstreckmetall-Anode

Der kathodische Korrosionsschutz wurde 1824 (!) zum ersten Mal zum Schutz von Kupferplatten, mittels derer ein Kriegsschiff verstärkt worden war, eingesetzt.

Für den kathodischen Korrosionsschutz wird eine zusätzliche Anode in den Beton eingebaut und mit dem Plus-Pol einer Gleichstromquelle verbunden. Der Bewehrungsstahl wird mit dem Minus-Pol verbunden.

Die Gleichstromquelle erzwingt einen Stromfluss durch den Stahl, der dem Stromfluss beim Rosten entgegengesetzt ist. Letztendlich verhindert dieser Stromfluss das weitere Rosten.

Die Vorgänge im einzelnen sind zwar kompliziert, aber fast lückenlos aufgeklärt; grob gesehen geschieht folgendes:
An der neu eingebauten Anoden entsteht aus Wasser Sauerstoff

H₂O  →  4e^- + O₂ + 4H⁺

oder es werden Hydroxylionen zu Sauerstoff und Wasser oxidiert

4OH^-  →  H₂O + O₂ + 4e^-

Der entstehende Sauerstoff diffundiert nach außen, die Menge ist aber viel zu gering, um dem Beton zu schaden.

Am Bewehrungsstahl werden z. B. Sauerstoff und Wasser zu Hydoxylionen reduziert:

O₂ + H₂O + 4e^-  →  4OH

Beispielhaft wird dies in Abb. 2 dargestellt

Abbildung 2: Die Stelle an der später der Minuspol-Anschluß (grüner Draht) und der Pluspol-Anschluß (blanker Titan-Draht) an die Stromzuleitung angeschlossen werden

Typische Spannungen liegen um 1-5 V, typische Stromdichten um 1-10 mA/m² Betonoberfläche.

Arbeitsablauf bei dem kathodischen Korrosionschutz von Stahl in Beton (KKSB)

• Bauwerksanalyse, Feststellung des Ist-Zustandes
• Entwurf der Schutzanlage
• Vorbereitung der Instandsetzungsfläche (Hochdruckwasserstrahlen)
• Messen und Herstellen der elektrischen Kontinuität der Bewehrung
• Anbringen der Minuspolanschlüsse an die Bewehrung
• Installation der Überwachungselemente
• Reprofilierung
• Installation der Anoden
• Messen und Herstellen der elektrischen Kontinuität der Anodenfläche
• Einspritzen der Anoden
• Polarisationsprüfung
• Elektroinstallation
• Inbetriebnahme
• Überprüfung der Funktionsfähigkeit

Die Schutzanlage funktioniert, solange der Schutzstrom fließt. Der Schutzstrom fließt solange

1. das elektrische Leitsystem in Ordnung ist

und

2. die Anoden aktiv sind

• Die Methode erlaubt den zuverlässigen Schutz des Stahls, auch wenn noch Reste von Salz im Beton sind. Diese können bei herkömmlicher Sanierung dazu führen, dass der Stahl nach einer Sanierung weiterrostet. Das gleiche gilt für Schädigungen durch "Carbonatisierung".
• Es muss nur der lose Beton entfernt werden, salzhaltige oder carbonatisierte Betonteile können belassen werden, sofern sie ihre statische Funktion erfüllen.

Mittlerweile sind weltweit über 1.000.000 m² kathodisch geschützt. Eines der berühmtesten Gebäude ist das Sydney Opera House (siehe Bild 4)

Abbildung 3:* Kathodisch geschützte Nösslach-Brücke an der Brenner Autobahn. Ebenso wie die Nösslach-Brücke an der Brenner Autobahn ist die Stör-Brücke bei Itzehoe in Teilbereichen kathodisch geschützt.

Abbildung 4: Sydney Opera House