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Open Access
Alternative Korrosionsschutzsysteme für Verbindungsmittel in der Befestigungstechnik bei Anwendung im Außenbereich
(2019) Köse, Cenk; Nürnberger, Ulf (Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c.)
In der Bautechnik werden Verbindungsmittel für eine Anwendung im Außenbereich aus optischen und/oder sicherheitstechnischen Gründen bevorzugt aus nichtrostendem Stahl eingesetzt. Diese bisherige nahezu ausschließliche Verwendung von nichtrostendem Stahl ist jedoch aus korrosionstechnischer Sicht nicht immer nachvollziehbar und eine Verwendung ist häufig auch unwirtschaftlich. Die Aufgabe der hier durchgeführten Forschung bestand deshalb darin, in den letzten Jahrzehnten neu entwickelte Überzüge wie galvanische ZnNi-Überzüge und ZnAl-Lamellenüberzüge auch unter Berücksichtigung von zusätzlichen Passivierungen und Deckbeschichtungen (Topcoats) im Hinblick auf eine Anwendung als Holzschraube im Holzbau, Selbstbohrschraube im Metallbau sowie Spreiz- und Kunststoffrahmendübel im Betonbau, unter Berücksichtigung von möglichen mechanischen Beeinflussungen beim Einbau und korrosiven Beeinflussungen während der Nutzung zu untersuchen. Verbindungsmittel aus nichtrostendem Stahl sowie feuerverzinktem und galvanisch verzinktem Stahl wurden zum Vergleich ebenfalls untersucht. Denn letztlich war es auch Ziel der Untersuchungen festzustellen, ob und wenn ja, unter welchen Außenanwendungen ein Schutz durch Zinküberzüge und die derzeit offerierten ZnNi-Überzüge und ZnAl-Lamellenüberzüge die erheblich teureren nichtrostenden Stähle ersetzen können. Anderseits galt es zu klären, ob bei den „legierten“ metallischen Überzügen auch unter baupraktischen Umgebungsbedingungen eine deutliche Verbesserung der Schutzwirkung gegenüber den herkömmlichen Verzinkungen (galvanische Verzinkung, Feuerverzinkung) besteht. Kleinteile wie Verbindungsmittel sind wirtschaftlich nur in Trommeln mit den genannten Überzügen zu schützen. Deshalb stand die sog. „Trommelware“ im Vordergrund der Untersuchungen. Seitens der Beanspruchung wurde die Korrosionsschutzwirkung der genannten Schutzsysteme unter bautechnisch relevanten Bedingungen wie Konstantklima (20 °C und etwa 84 bzw. 100 % relative Luftfeuchte), bei Auslagerung unter atmosphärischen Bedingungen (Stadtatmosphäre, Meeresatmosphäre) sowie in einem Kurzbewitterungstest (Salzsprühtest) vergleichend festgestellt. Der Salzsprühtest deshalb, weil in der Korrosionsschutztechnik Aussagen zum langzeitigen Korrosionsschutzverhalten der vorgenannten metallischen Überzüge, einschließlich zusätzlicher Passivierungen und Deckbeschichtungen, nahezu ausschließlich aus Ergebnissen von labormäßig durchgeführten Schnelltests, meist aus dem Salzsprühtest, abgeleitet werden. Unter den Korrosionsbedingungen Konstantklima und Naturversuche wurden die Verbindungsmittel stets im eingebauten Zustand ausgelagert. Im Salzsprühtest wurden „nackte“ Proben geprüft, wobei auch mechanische Beanspruchungen, wie sie typisch für den Einbau sind, berücksichtigt wurden. Ergänzend wurden auch die korrosiven Randbedingungen in der umgebenden Außen- und Bohrlochatmosphäre (bei Dübeln) sowie in den verwendeten Baustoffen Holz (Fichte ohne und mit Imprägnierung, Eiche) und Normalbeton untersucht und in die Bewertung einbezogen. Die Ergebnisse der Naturversuche zeigen, dass die Feuerverzinkung insgesamt gesehen im Vergleich zu den anderen Korrosionsschutzüberzügen den besten Korrosionsschutz aufweist. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, dass bei geeigneter Konzeption galvanischer Zink- und Zink-Nickel-Überzüge sowie ZnAl-Lamellenüberzüge ein langzeitiger Schutz gegenüber Stahlkorrosion erreicht werden kann. Insbesondere in Stadtatmosphäre sind sinnvoll konzipierte Überzüge (siehe unten) im Regelfall ausreichend und können auch nichtrostende Stähle ersetzen. Folgende Anforderungen sind an die genannten Überzüge zu stellen: Beide galvanischen Überzüge müssen eine ausreichende Schichtdicke vorweisen (je nach Umgebungsverhältnisse Schichtdicken um etwa i.M. 10 bis 15 µm), wobei bereits Reinzinküberzüge aus hiesiger Sicht einen langzeitigen Korrosionsschutz bieten. Als Trommelware hergestellte ZnNi-Überzüge sind wegen vorhandener Risse, Abplatzungen und Nullstellen nicht grundsätzlich besser als Zinküberzüge. Für einen langzeitigen Korrosionsschutz bedürfen ZnAl-Lamellenüberzüge, die im Trommelverfahren auf Verbindungsmitteln appliziert werden (hohe Schichtdickenschwankungen, Nullstellen), einen Haftvermittler (galvanische Unterzinkung und/oder Phosphatierung). Weiterhin müssen ZnAl-Lamellenüberzüge eine ausreichende Schichtdicke von etwa i.M. 10 µm vorweisen. Passivierungen und Deckbeschichtungen für galvanische Überzüge sowie Deckbeschichtungen für ZnAl-Lamellenüberzüge führen bei Trommelware zu keiner wesentlichen systematischen Verbesserung des Korrosionsschutzes. Bei den vergleichenden Untersuchungen im Salzsprühtest und im Naturversuch (Stadt- und Meeresatmosphäre) wurde festgestellt, dass die im Salzsprühtest ermittelten Ergebnisse bezüglich der Qualität und Quantität der Schutzwirkung nicht mit dem Korrosionsverhalten unter realistischen Bedingungen (der Baupraxis) übereinstimmen. Die Ursache dieses Verhaltens liegt darin begründet, dass im Salzsprühtest wegen Dauerbefeuchtung und hoher Chloridbelastung der Korrosionsmechanismus gegenüber dem Verhalten in der Baupraxis verändert wird. Das betrifft sowohl den Metallabtrag (Möglichkeit der Bildung von korrosionsschützenden Deckschichten) als auch die Möglichkeit eines kathodischen Korrosionsschutzes (dieser funktioniert nur im Salzsprühtest). Außerdem werden bei Verbindungsmitteln der Bautechnik baustoffseitige und verarbeitungsbedingte Einflüsse (Beschädigungen des Überzuges) im Salzsprühtest nicht ausreichend erfasst. Deshalb ist nach hiesigen Untersuchungen der Salzsprühtest weder geeignet Materialien oder unterschiedliche metallische Überzüge miteinander zu vergleichen, noch hieraus Aussagen für deren Langzeitverhalten unter natürlichen Umgebungsbedingungen abzuleiten. Aus dem Salzsprühtest kann bei als Trommelware hergestellten Überzügen von Verbindungsmitteln u. U. sogar ein falsches Verhalten im Hinblick auf den Langzeitschutz unter natürlichen Umgebungsbedingungen abgeleitet werden.
Open Access
Einfluss einer hohen Kaltumformung auf das Loch- und Spannungsrisskorrosionsverhalten nichtrostender Stahldrähte im Hinblick auf eine Anwendung im Spannbetonbau
(2016) Rauscher, Thomas; Nürnberger, Ulf (Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c.)
In den vergangenen 60 Jahren sind immer wieder korrosionsbedingte Schäden an Spannbetonkonstruktionen aufgetreten, die zum schwerwiegenden Versagen von Bauteilen geführt haben. Aus bauingenieurmäßiger Sicht waren meist Planungs- und Ausführungsfehler die Ursache dafür, dass Spannstähle Brüche infolge wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion erlitten. Um Schäden zu vermeiden wurden die Spannstähle zusätzlich vor Korrosion geschützt. Zum Einsatz kamen hierbei metallische Überzüge und Epoxidharzbeschichtungen. Diese Schutzsysteme brachten allerdings nicht die erforderliche Sicherheit. Der Einsatz von hochfesten nichtrostenden Stahldrähten als Zugglieder im Spannbetonbau könnte somit eine mögliche Alternative bieten, da diese Stähle von sich aus einen deutlich höheren Korrosionswiderstand als unlegierte und niedriglegierte Spannstähle aufweisen. Nichtrostende Stähle werden bereits als Betonstähle mit niedrigeren Festigkeiten in hoch korrosionsbeanspruchten Bauteilen und in Form von hochfesten Seilen und Litzen unter atmosphärischen Bedingungen im Hoch- und Brückenbau erfolgreich eingesetzt. In der nun vorliegenden Arbeit wurde das Werkstoffverhalten von hochfesten nichtrostenden Stahldrähten unter kritischen Bedingungen des Spannbetonbaus ermittelt, um ihre Eignung als Spannstähle festzustellen. Bei den untersuchten Werkstoffen handelt es sich um austenitsche und um Duplex-Stähle. Die Zugfestigkeiten der untersuchten nichtrostenden Werkstoffe liegen in einem Bereich von 990 bis 2125 N/mm², was durch eine starke Kaltumformung der Drähte erreicht wurde. Nichtrostende Stähle (z.B. 1.4462) mit Festigkeiten ≥2000 N/mm² weisen allerdings für Spannstähle nicht ausreichende Verformungskennwerte auf. Wegen ihrer niedrigen Elastizitätsgrenze besitzen nichtrostende Stähle generell eine höhere Anfangsrelaxation als herkömmliche Spannstähle. Es konnte gezeigt werden, dass wegen des ausgeprägten Verfestigungsverhaltens dieser Nachteil durch ein zusätzliches Nachspannen kompensiert werden kann. Neben der mechanisch-technologischen Werkstoffcharakterisierung stand das Korrosionsverhalten der nichtrostenden Stähle im Mittelpunkt der durchgeführten Untersuchungen. Es wurde die Beständigkeit der Stähle hinsichtlich Lochkorrosion, chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion und wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion unter für Spannstähle kritischen Bedingungen ermittelt. Unter Berücksichtigung aller Untersuchungen sind die gefügestabilen Nickel-Molybdän-Austenite 1.4401 und 1.4571 für einen Einsatz als Spannstahl geeignet. Der Mangan-Austenit P558 besitzt bei einer Festigkeit von etwa 1900 N/mm² immer noch ausreichend hohe Verformungskennwerte und ist aufgrund seiner hohen Beständigkeit hinsichtlich jeder Korrosionsart für einen Einsatz im Spannbetonbau sehr gut geeignet. Der Duplex-Stahl 1.4462 weist bis zu einer Festigkeit von etwa 1700 N/mm² noch ausreichende Verformungskennwerte sowie eine sehr hohe Beständigkeit hinsichtlich aller Korrosionsarten auf. Er ist bis zu dieser Festigkeit bestens als Spannstahl geeignet. Höhere Festigkeiten sind aufgrund seiner dann sinkenden Korrosionsbeständigkeit nicht zu empfehlen. Metastabile Chrom-Nickel-Austenite (1.4301 und 1.4310) weisen nur eine geringe Lochkorrosionsbeständigkeit auf. Der Chrom-Mangan-Austenit P560 und der Duplex-Stahl 1.4062 sind anfällig gegenüber chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion und der Duplex-Stahl 1.4362 weist nur eine begrenzte Beständigkeit gegenüber wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion auf. Somit sollten diese Stähle nicht als Spannstähle eingesetzt werden.