Korrosionsverhalten von Baumetallen bei Kontakt mit Baugipsen unter Berücksichtigung von REA-Gips

Abstract

Die für die Korrosionsuntersuchungen verwendeten Gipse (Stuckgips Naturgips, Stuckgips REA-Steinkohle sowie Stuckgips REA-Braunkohle) werden in Hinblick auf die Porenstruktur, die feuchtetechnischen Kennwerte sowie auf die korrosionsrelevanten Beimengungen unter-sucht, wobei die deutlichsten Unterschiede im Chloridgehalt zu finden sind. Die untersuchten REA-Gipse wiesen den 10-fachen Chloridgehalt als Stuckgips Naturgips auf. Die Porenstrukturen und die feuchtetechnischen Kennwerte unterscheiden sich dagegen nur geringfügig, so dass dadurch kein Einfluss auf das Korrosionsverhalten der eingebetteten Metalle und Legierungen vorhanden ist. Eine Zugabe von 1,5 M.-% Ca(OH)2 zu den Gipsen bewirkt bei nicht vollständig mit Wasser gefüllten Poren aufgrund der stark porösen Struktur der abgebundenen Gipse und der damit verbundenen raschen Carbonatisierung nur kurzzeitig einen Anstieg des pH-Wertes. Zur Beurteilung der Kinetik des Korrosionsverhaltens von heute gebräuchlichen Baumetallen in Kontakt mit modernen Gipsbaustoffen werden u.a. Auslagerungsversuche in praxisrelevanten Klimaten durchgeführt und der korrosionsbedingte Abtrag nach 3 und 24 Monaten Auslagerung gravimetrisch ermittelt. Zusätzlich erfolgt nach der Entnahme und nach der Entfernung des Gipses eine Beurteilung des optischen Erscheinungsbildes. Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem unlegierter Stahl und sendzimirverzinkter Stahl bei relativen Luftfeuchten >= 95% stark bis sehr stark angegriffen werden. Bei den weiteren untersuchten Metall-Gips-Kombinationen sind teilweise zwar ausgeprägte Korrosionserscheinungen festzustellen, die z.T. eine erhebliche Beein-trächtigung des Erscheinungsbildes zur Folge haben, der Abtrag ist jedoch weitaus geringer als z.B. bei unlegiertem Stahl. Bei Aluminium ist ein deutlicher Einfluss der Alkalisierung der Gipse auf das Korrosionsverhalten vorhanden und nur in alkalisiertem Gips konnte ein Korrosions-angriff festgestellt werden, der bei ständiger Wassersättigung aufgrund der gehemmten Carbonatisierung und der damit über einen längeren Zeitraum hohen pH-Werte mäßig stark ausgeprägt ist. Bei Kupfer ist insgesamt nur ein sehr geringer Abtrag mit teilweise starken Beeinträchtigungen des optischen Erscheinungsbildes festzustellen. Zinkreiches Messing zeigt in nassem oder feuchtem Gips teilweise erhebliche Beeinträchtigungen des optischen Erscheinungsbildes durch Entzinkung, die in REA-Gipsen stärker ausgeprägt ist als in Stuckgips Naturgips. Lediglich nichtrostender Stahl 1.4301 verhält sich bei sämtlichen durchgeführten Untersuchungen passiv und ist nach Versuchsende ohne Ausnahme unverändert. In Klimaten, in denen Gipsprodukte vor allem Anwendung finden (relative Luftfeuchten < 80%) war bei allen untersuchten Metallen bis auf unlegierten Stahl ein sehr geringer bis geringer Abtrag vorhanden. Bei unlegiertem Stahl ist bei diesen Bedingungen z.T. mit einem mäßig starkem Abtrag zu rechnen. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass der hohe Gehalt an Chlorid in REA-Gipsen in Kombination mit dem hohen Sulfatgehalt bei allen Metallen im Vergleich zu Naturgips nach 24-monatiger Auslagerung höhere Abtragsraten bzw. ausgeprägte Veränderungen des optischen Erscheinungsbildes zur Folge hat. Ergänzend zu den Auslagerungsversuchen werden elektrochemische Untersuchungen durch-geführt. Elektrochemische Untersuchungen zum Einfluss des Sulfats auf das Korrosionsverhalten von unlegiertem Stahl in Abhängigkeit vom pH-Wert zeigen, dass eine Passivierung von Stahl in Gips trotz hoher pH-Werte dauerhaft nicht möglich ist. Die Passivschicht wird dabei durch Sulfationen bis zu pH-Werten von 11,5 lokal durch Lochfraß zerstört, wenn entsprechende Potentiale (>= -0,1 Volt) vorhanden sind. Bei verzinktem Stahl konnte anhand der elekt-rochemischen Untersuchungen gezeigt werden, dass bei hohen pH-Werten (pH > 12,2) in Gips ein ähnliches Korrosionsverhalten wie in Beton vorhanden ist. Dabei bildet sich Zinkoxid und Calciumhydroxozinkat, das die weitere Zinkauflösung hemmt, wogegen bei niedrigeren pH-Werten Zink in sulafthaltigen Lösungen stark angegriffen wird. Bei Aluminium AlMgSi0,5 konnte bei hohen pH-Werten die Bildung von Ettringit festgestellt werden. Durch eine entsprechende Auswahl von Gips-Metall-Kombinationen und eine sachgerechte Anwendung können anhand der gewonnenen Erkenntnisse in Zukunft das Auftreten von Korrosionsschäden und damit anfallende Sanierungskosten vermieden werden. Des Weiteren ist es anhand der umfangreichen Versuchsergebnisse möglich, die Zusammensetzung der Gipse in Hinblick auf das Korrosionsverhalten der Baumetalle zu modifizieren.

The gypsum used for the research concerning corrosion (stucco of natural gypsum and stucco of flue gas desulphurising plants, namely FGD-stucco of hard coal and FGD-stucco of brown coal) were analyzed by the pore structure, hygric characteristics and corrosion-relevant constituents. The most evident distinctions were found in the concentration of chlorides. The types of FGD-gypsum that were investigated showed 10-times the concentration of chlorides than it is contained in natural gypsum. The pore structure and the hygric characteristics differ only insignificantly. Due to this no influence exists on the corrosion behavior of the embedded metals and alloys. Because of the rapid carbonization and the porous structure of the gypsum once it is set adding 1,5 percent mass of Ca(OH)2 to the gypsum with the pores not completely filled with water results in only a temporary increase of the pH-value. Among other experiments exposure testing in climates of practical relevance was performed and the attack due to corrosion after 3 and 24 months of exposure was determined gravimetrically. This was done to rate the kinetics of the corrosion behavior of customary structural metal that is used in contact with modern building materials based on gypsum. In addition, after the withdrawal and removal of the gypsum an evaluation of the optical appearance was made. The results showed that mainly the unalloyed steel and the sendzimir zinced steel at a relative humidity of >= 95% were attacked heavily. The other examined metal-gypsum combinations indeed showed distinctive occurrences of corrosion to some extent and in some cases resulted in remarkable damages of the appearance. But the attack was still much less compared to unalloyed steel. In regard to the corrosion of aluminum a clear influence of the alkalization of the gypsum was noticed. For specimens with constant water saturation distinctive corrosion attacks could only be determined in alkalized gypsum due to the restraint carbonization and thereby high pH-values during a long period of time. With copper only very small erosion was determined with some times strong impairments of the optical appearance. Brass with large amounts of zinc in some cases showed substantial impairments of the optical appearance caused by dezincification in wet or damp gypsum. The dezincification was more strongly pronounced for FGD-gypsum than for natural gypsum. Only rustproof steel 1.4301 behaved passively with all accomplished investigations and without exception stayed unchanged during the exposure. In climates where gypsum products are commonly used (relative humidity < 80%) all examined metals except unalloyed steel were attacked only insignificantly. For unalloyed steel under these conditions one can count on moderately strong attacks. All in all it was noticed that the high content of chloride and sulfate in FGD-gypsum results in higher rates of erosion and stronger impairments of the optical appearance compared to natural gypsum. This was noticed for all metals after 24 months of exposure. In addition to the exposure tests electrochemical investigations were carried out to point out the influence of sulfate on the corrosion behavior of unalloyed steel depending on the pH-value. They showed that passivation of steel in gypsum is not long-lasting in spite of high pH-values. If adequate potentials (>= -0,1 Volt) are applied the passive layer is destroyed locally with pitting corrosion due to sulfation up to pH-values of 11,5. For zinced steel on the basis of electrochemical investigations it was possible to show that high pH-values (pH > 12,2) in gypsum resulted in corrosion behavior comparable to concrete. Zinc oxide and calcium hydroxide-zinc were produced that were repressing further zinc resolution. In sulfate containing solutions with lower pH-values zinc was attacked strongly. With aluminum AlMgSi0,5 for high pH-values the generation of ettringit was detected. Corrosion damages and resulting costs for refurbishment can be avoided in future by taking advantages of the gained knowledge, namely by using suitable combinations of gypsum and metal in appropriate application. Furthermore, on the basis of the extensive results of the experiments, it is possible to modify the composition of the used gypsum with regard to the corrosion behavior of structural metal.