Auswirkungen der Bewehrungskorrosion auf den Verbund zwischen Stahl und Beton

Abstract

Die carbonatisierungs- und chloridinduzierte Bewehrungskorrosion beeinflusst das Tragverhalten von Stahlbetonbauwerken und verkürzt infolgedessen deren Lebensdauer. Dies kann im Wesentlichen durch folgende drei Punkte geschehen: (i) durch den Verlust des Stahlquerschnittes, (ii) durch den Verlust des Betonquer-schnittes aufgrund von Rissbildung und Abplatzungen sowie (iii) durch den Verlust der Verbundwirkung zwischen Stahl und Beton. Die vorliegende Arbeit beschränkt sich auf die Untersuchungen zum Einfluss der chloridinduzierten Bewehrungskorrosion auf das Verbundverhalten zwischen Stahl und Beton.

In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, welche Komponenten, die den Verbund gewährleisten, in welcher Art und Weise durch die Bewehrungskorrosion beeinflusst werden? Zur Lösung dieser Fragestellung wurden in der Vergangenheit vorrangig experimentelle Untersuchungen an unterschiedlichen Probekörpergeometrien durchgeführt. Dazu zählen zentrische und exzentrische Ausziehkörper sowie Versuche an Biegebalken. Es wurden sowohl Untersuchungen mit als auch ohne Querbewehrung, die in dieser Arbeit einheitlich als Bügel bzw. Bügelbewehrung bezeichnet wird, durchgeführt. Aufgrund der langen Zeiträume sowohl für die Depassivierung der Betondeckung als auch für den Fortschritt der Bewehrungskorrosion, wurden nahezu alle bisherigen Untersuchungen diesbezüglich beschleunigt. In vorangegangenen Untersuchungen wurde jedoch festgestellt, dass der Grad der Beschleunigung einen Einfluss auf den Zeitpunkt der Erstrissbildung und auf die Verbundfestigkeitsänderung hat. Sowohl diese Tatsache, als auch die große Vielzahl an unterschiedlichen Probekörpern hat zu einer großen Streuung der Verbundfestigkeitswerte in Bezug auf die Korrosion der Bewehrung geführt. Aus diesem Grund ist es bisher schwierig, die geometrischen und korrosionsbeeinflussenden Parameter bestimmten Auswirkungen auf das Verbundverhalten zuzuordnen.

Als Beitrag zur Entflechtung dieser Problematik wurden experimentelle Untersuchungen an Balkenend-Probekörpern durchgeführt, welche als Basis für die grundlegenden Mechanismen des Verbundes unter korrosivem Angriff dienen. Die Korrosion der Bewehrung wurde potentiostatisch beschleunigt, jedoch erfolgte dies im Vergleich zu den bisherigen Untersuchungen auf die schonendste Weise mit lediglich fünffach überhöhter maximal in der Natur auftretender Korrosionsrate. Zu den Untersuchungsschwerpunkten zählten die Art und die Verteilung der Korrosionsprodukte, der Zusammenhang zwischen Korrosionsabtrag und messbarer Rissbreite in der Betondeckung und die Auswirkungen der Bewehrungskorrosion auf die Stabendverschiebung und die Verbundfestigkeit. Die Untersuchungen erfolgten getrennt nach Probekörpern mit und ohne Bügelbewehrung, wobei die Probekörper mit Bügelbewehrung nochmals in zwei Gruppen unterteilt wurden. Zum einen waren die Bügel elektrisch mit den Längsstäben verbunden, sodass auch die Bügel beschleunigt korrodierten. Zum anderen wurden die Bügel elektrisch von den Längsstäben entkoppelt, wodurch lediglich die Längsstäbe beschleunigt korrodierten. Auf diese Weise konnte eine qualitative Aussage zum Einfluss geschwächter Bügel auf das Verbundverhalten getroffen werden.

Anschließend wurden die ermittelten Ergebnisse im Kontext von Ergebnissen anderer Wissenschaftler diskutiert. Daraus konnten u. a. neue Erkenntnisse zur Abhängigkeit der Verbundfestigkeit von der Beschleunigung der Bewehrungskorrosion gewonnen werden. Weiterhin konnten qualitative Aussagen zum Einfluss von Geometrieparametern wie Stabdurchmesser und Betondeckung auf die Verbundfestigkeitsänderung getroffen werden. Genauere Aussagen diesbezüglich wurden mithilfe numerischer Untersuchungen an FE-Modellen ermöglicht. Im Rahmen der numerischen Untersuchungen, die weitere, vor allem geometrische Parametervariationen abgedeckt haben, wurde der Einfluss von unterschiedlichen Stabdurchmessern mit jeweils verschiedenen Betondeckungen auf die Verbundfestigkeit zu unterschiedlichen Korrosionsstadien untersucht. Außerdem konnte mittels der numerischen Untersuchungen eine quantitative Aussage zur Auslastung der Bügelbewehrung getroffen werden.

Mit Hilfe der so gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Modell erstellt, mit dessen Hilfe eine Abschätzung der Restverbundtragfähigkeit möglich ist. Das Modell setzt sich aus der Berechnung der sog. Referenzverbundfestigkeit ohne Korrosionseinwirkung, einer Beschreibung der Abnahme der Umschließungswirkung des Betons und der Wirkung einer ggf. vorhandenen Bügelbewehrung zusammen, welche ebenfalls durch die Korrosionswirkung geschwächt wird. Dieses Modell grenzt sich einerseits gegen rein empirische Modelle ab, die aus der Regression von Versuchsdaten entstanden sind. Gegenüber den sehr komplexen analytischen Modellen besticht das vorgestellte Modell durch seine Simplizität und anwenderfreundliche Form.

Carbonation and chloride induced reinforcement corrosion influences the load bearing behaviour of reinforced concrete structures and consequently shortens its durability. This occurs basically due to the following three points: (i) the loss of steel cross section, (ii) the loss of concrete cross-section due to cracking and spalling, and (iii) the loss of bond action between steel and concrete. The present work is limited to studies on the influence of chloride induced reinforcement corrosion on bond behaviour between steel and concrete.

In this context the question arises of which components to ensure bond integrity are affected in any manner by reinforcement corrosion? To solve these issue primarily experimental studies on different specimen geometries were performed in the past. These include concentric and eccentric pull-out specimens and bending beams. There have been studies performed both with and without transverse reinforcement, which is in this work uniformly called stirrup or stirrup reinforcement. Due to the long periods of time for both the depassivation of the concrete cover as well as the progress of reinforcement corrosion, almost all previous studies have been accelerated in this regard. In previous studies it was determined that the degree of acceleration affects the date of the initial cracking and the change in bond strength. Both, this fact and the great variety of different test specimens led to a large variation in bond strength values with respect to the corrosion of reinforcement. For this reason it has been difficult to assign the geometric and corrosion parameters to certain effects on the bond behaviour.

As a contribution to disentangle these issues, experimental studies on beam-end specimens were performed, which serve as the basis for the fundamental mechanisms of bond under corrosive attack. The corrosion of the reinforcement was accelerated potentiostatically, but this was done in comparison with the known studies in a most gentle manner with only five fold in excess of the maximum corrosion rate occurring in nature. The focus of the study was on the nature and distribution of corrosion products, the relationship between corrosion rate and measurable crack width in the concrete cover and the effects of reinforcement corrosion on bar end displacement as well as on bond strength. The tests were performed separately for specimens with and without stirrups, and the specimens with stirrups were further divided into two groups. First, the stirrups were electrically connected to the longitudinal bars, so that the stirrups corroded accelerated. Secondly, the stirrups were electrically decoupled from the longitudinal bars, whereby only the longitudinal bars corroded accelerated. This allowed a qualitative statement about the influence of weakened stirrups on bond behaviour.

Subsequently, the obtained results were discussed in the context of results from other researchers. From this e.g. new insights into the dependence of the bond strength of the acceleration of reinforcement corrosion are obtained. Furthermore qualitative statements about the influence of geometrical parameters such as bar diameter and concrete cover on the change of bond strength are made. More precise statements in this regard were possible by numerical studies of finite element models. As part of the numerical investigations, which covered especially more geometrical parameter variations, the influence of different bar diameters and concrete covers on bond strength at different stages of corrosion was investigated. In addition by means of numerical investigations, a quantitative statement on the utilization of the stirrup reinforcement could be made.

Using the above findings, a model was created that allows an estimation of the residual bond strength. The model consists of calculating the so-called reference bond strength with no corrosion effect, a description of the decrease in confining action of concrete and the effect if existing of a stirrup reinforcement, which is also weakened by corrosive action. This model distinguishes itself on one hand from purely empirical models that have emerged from the regression of experimental data. Compared to very complex analytical models, the proposed model impresses with its simplicity and user-friendly form.