Der Trend zur Nachhaltigkeit erfordert auch im Tunnelbau eine Reduktion von CO2-intensiven Baustoffen wie Stahl. In diesem Kontext stellt Faserbeton, insbesondere Stahlfaserbeton, eine vielversprechende Alternative dar. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Stahlfasern wird dabei auch die Bewertung der Streustromkorrosion relevant, nicht nur bei Stahlbeton, wobei in Österreich derzeit keine normativen Regelungen bestehen. Streustromkorrosion entsteht durch ungewollte elektrische Ströme, die zu Korrosion an Betonbauteilen mit Stahleinlagen führen können. Besonders Tunnelbauwerke mit Gleichstrom-Straßenbahnen sind hiervon betroffen. Zur Untersuchung der Streustromkorrosion in Stahlfaserbeton wurde das Perkolationsprinzip angewendet, das den Übergang von isolierendem zu leitendem Verhalten in Abhängigkeit vom Fasergehalt beschreibt. Dabei wird die sogenannte Perkolationsschwelle bestimmt. Experimentelle Untersuchungen, die im Rahmen eines Forschungsprojekts und einer Bachelorarbeit durchgeführt wurden, zeigten, dass die Perkolationsschwelle höher als theoretisch erwartet bei einem Fasergehalt von über 125 kg/m3 liegt. Vor Erreichen dieser Schwelle blieb die elektrische Leitfähigkeit gering, was auf ein minimales Risiko der Streustromkorrosion hindeutet. Zur Berechnung des Streustromrisikos wurde ein angepasster Wert vorgeschlagen, wobei jedoch weitere Untersuchungen zur genauen Validierung erforderlich sind.
Notes
Hinweis des Verlags
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
1 Streustromkorrosion im Tunnelbau
Der Klimawandel und die zunehmende Rohstoffknappheit erfordern ein Umdenken im Bauwesen, insbesondere im Hinblick auf die Nutzung nachhaltiger Materialien. Die Reduktion von CO2-intensiven Rohstoffen wie Stahl und Zement birgt sowohl ökonomisches als auch ökologisches Potenzial. Eine vielversprechende Alternative ist Faserbeton, welcher international breite Anwendung gefunden hat, auch im Tübbingbau. In Österreich fehlt jedoch noch eine entsprechende Normung, die den Nachweis der Rissbreite sowie Aspekte zur Dauerhaftigkeit und Korrosionsbeständigkeit, insbesondere im Hinblick auf Streustromkorrosion, berücksichtigt [1‐3].
Die vorliegenden Untersuchungen entstanden im Rahmen des im März 2021 begonnenen und von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unterstützten Forschungsprojektes, welches primär die Bildung einer Grundlage für den Einsatz von Faserbetontübbingen in Österreich erarbeitet. Infolge vorhandener Erfahrungen der am Projekt beteiligten wirtschaftlichen Partner wurde die Notwendigkeit zur Untersuchung der Streustromkorrosion für Faserbeton evident. Konkret manifestierten sich an Tunnelanlagen, insbesondere bei gleichstrombetriebenen Straßenbahnen, bereits gehäuft Problematiken mit dem Auftreten von stark fortgeschrittener Korrosion aufgrund des vorhandenen Streustroms in der Stabstahlbewehrung. Dies trat sowohl an Tübbingen sowie Innenschalen trotz vorhandener Verbindungsleitungen bzw. Erdungssystemen auf [4].
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Im Anwendungsbereich von Faserbeton konzentrieren sich Untersuchungen zur Leitfähigkeit in der Regel auf Stahlfaserprodukte, da andere weit verbreitete Materialien wie Kunststofffasern nichtleitend sind und somit in diesen Studien keine Rolle spielen. Die Problematik am Stahlfaserbeton ist in der Fachwelt bekannt und wird unter anderem im fib Bulletin 83 [5] diskutiert. Dort wurden Versuche durchgeführt, die den Unterschied zur konventionellen Stabstahlbewehrung sowie den Einfluss von Faserlänge und Chloridgehalt untersuchten. Die wesentlichen Ergebnisse zeigen, dass die Bedingungen für streustrominduzierte Korrosion bei Stahlfaserbeton signifikant von herkömmlichen Bewehrungsstäben abweichen. Eine Korrosion der Fasern durch Streustrom erfordert einen leitfähigen Faserstrang, wobei unter realistischen Bedingungen selten ausreichend hohe Potentialgradienten vorliegen. Nur unter erzwungenen extremen Bedingungen wurde Korrosion beobachtet. Insgesamt wird das Risiko einer streustrominduzierten Korrosion von Stahlfasern als gering eingeschätzt, jedoch muss laut fib Bulletin 83 [5] eine individuelle Risikobewertung für jedes Projekt erfolgen.
Streuströme entstehen, wenn elektrische Ströme über leitfähige Elemente fließen, die nicht zum vorgesehenen Stromkreis gehören, wie beispielsweise Pipelines, Stahltanks oder andere metallische Strukturen in der Nähe der Stromquelle (Abb. 1). Solche Ströme können durch Hochspannungsleitungen, elektrische Antriebssysteme von Zügen oder kathodische Schutzsysteme verursacht werden, aber auch andere Quellen sind möglich. Je nach Ursache können diese Ströme Gleich- oder Wechselstrom sein, wobei Wechselstromstreuströme aufgrund ihrer komplexeren Auswirkungen schwieriger zu analysieren sind. Gleichwohl gelten Wechselstromstreuströme als weniger gefährlich, weshalb im Folgenden der Fokus auf Gleichstromstreuströmen liegt [6].
Abb. 1
Beispiel für Streustrom einer Gleichstrom-Eisenbahnleitung, der eine erdverlegte Pipeline erreicht [6]
Im Falle der Stahlfasern wird zur Bewertung der Leitfähigkeit des Betonproduktes die Perkolationstheorie angewandt, welche das Verhalten leitfähiger Pfade durch das Material beschreibt. Die elektrische Leitfähigkeit von Stahlfaserbeton hängt davon ab, ob ein zusammenhängendes Netzwerk von Fasern entsteht, durch das elektrische Ströme fließen können. Wird eine kritische Konzentration an Stahlfasern überschritten, bilden sich solche leitfähigen Pfade, was zu einem plötzlichen Anstieg der Leitfähigkeit führt. Diese Schwelle markiert den Übergang von einem isolierenden zu einem leitenden Zustand und wird auch Perkolationsschwelle genannt (Abb. 2).
Zur vertieften Untersuchung der Leitfähigkeit von Stahlfaserbeton wurden im Rahmen einer Bachelorarbeit [7] ergänzende Experimente durchgeführt, auf denen die in diesem Abschnitt präsentierten Darstellungen und Ergebnisse basieren. Zunächst wurden bestehende experimentelle Ansätze sowie theoretische Grundlagen erläutert. Aufbauend darauf erfolgte die Messung der Leitfähigkeit von 30 Betonproben mit unterschiedlichen Stahlfaser- und Sättigungsgehalten unter konstanter Gleichspannung.
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Auf Basis der experimentellen Ergebnisse aus Referenz [8], die den Bereich der Perkolationszone – den Punkt des stärksten Leitfähigkeitsanstiegs – bestimmen, wurde dieser Bereich über den sogenannten fiber-reinforced index (Vf (lf/df)), definiert als das Produkt aus Faservolumengehalt in Prozent und dem Aspect Ratio, bei einem Fasergehalt von 80 bis 85 kg/m3 erwartet. Dementsprechend wurden die Rezepturen der Probenmischungen in diesem Bereich fein abgestuft angepasst, wobei die restlichen Bestandteile der festgelegten Tübbingrezeptur des Projekts entsprachen. In Tab. 1 sind die Mischungsverhältnisse in kg pro m3 Frischbeton angegeben. Es wurden 10 verschiedene Rezepturen mit Fasergehalten von 0 bis 175 kg/m3 erstellt, wobei für jeden Fasergehalt drei Prüfkörper hergestellt wurden.
TABELLE 1
Mischungsverhältnisse in kg pro m3 Frischbeton [7]
Bez
Dramix 4D 80/60
0/4 KK
8/16 KK
0/4 RK
4/8 RK
CEM I 42,5 R-SR
Dynamon NRG 10
Wasser
EL‑0
0
857,6
640,2
136
414
330
2
148,5
EL-45
45
848,4
633,4
136
414
330
2
148,5
EL-70
70
843,3
629,6
136
414
330
2
148,5
EL-80
80
841,2
628,0
136
414
330
2
148,5
EL-85
85
840,2
627,3
136
414
330
2
148,5
EL-90
90
839,2
626,5
136
414
330
2
148,5
EL-100
100
837,2
625,0
136
414
330
2
148,5
EL-125
125
832,1
621,2
136
414
330
2
148,5
EL-150
150
827,0
617,4
136
414
330
2
148,5
El-175
175
821,9
613,6
136
414
330
2
148,5
Die Herstellung der Mischungen erfolgte in einem handelsüblichen Betonmischer. Nach vollständiger Homogenisierung des Frischbetons mit den Stahlfasern wurde der Beton unter kontinuierlichem Rütteln in drei geölte Formen gegossen. Nach zweitägiger Aushärtung an der Luft wurden die Prüfkörper ausgeschalt und für 26 Tage unter Wasser gelagert. Nach 28 Tagen Aushärtung wurden die Zylinder auf eine Länge von 200 mm zugeschnitten, um glatte, planparallele Stirnflächen zu erhalten. Die Zylinder wurden anschließend vermessen und im gesättigten Zustand gewogen. Zur Messung der Leitfähigkeit über die gesamte Querschnittsfläche wurden die Stirnflächen mit elektrisch leitfähigem Silberlack beschichtet.
Um den Einfluss verschiedener Fasergehalte bei unterschiedlichen Sättigungsgraden zu untersuchen, wurden die Proben bei einer Temperatur von 105 °C getrocknet. Die elektrische Leitfähigkeit der Proben wurde in festgelegten Zeitintervallen gemessen. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 3 dargestellt. Dabei wurde an den Stirnflächen der Proben, welche mit Leitlack beschichtet wurden, eine Gleichstromspannung von 60 V angelegt.
Bei der Auswertung der gemessenen Leitfähigkeitswerte wurde auch der Einfluss der Temperatur berücksichtigt, der pro Grad Celsius zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit um 3–5 % führt [9]. Die Resultate liefern somit Erkenntnisse über die Auswirkungen des Sättigungsgrades, der Temperatur und des Fasergehalts auf die Leitfähigkeit. In Abb. 4 ist der Anstieg der Leitfähigkeit in Abhängigkeit vom Sättigungsgrad für Proben ohne Fasern (0 kg/m3) dargestellt. Es zeigt sich dabei ein deutlicher Anstieg, der jedoch aufgrund der insgesamt niedrigen Leitfähigkeitswerte im Bereich weniger mS/m relativ betrachtet werden muss. Mit zunehmendem Fasergehalt verstärkte sich der Einfluss der Sättigung auf die Leitfähigkeit deutlich, sodass bei vollständiger Sättigung (100 %) und einem Fasergehalt von 125 kg/m3 Werte von nahezu 0,35 S/m erreicht wurden. Der Temperatureffekt war besonders bei hohen Sättigungsgraden feststellbar, spielte jedoch bei Sättigungswerten unter 90 % eine vergleichsweise untergeordnete Rolle im Verhältnis zum Einfluss von Sättigung und Fasergehalt.
Abb. 4
Leitfähigkeit von Normalbeton über die Sättigung [7]
In Abb. 5 ist der Einfluss des Fasergehalts auf die Leitfähigkeit von Proben mit Stahlfasergehalten zwischen 0 und 175 kg/m3 dargestellt. Bereits bei geringen Faserzugaben zeigt sich eine Erhöhung der Leitfähigkeit. Dieser Anstieg bleibt jedoch im Vergleich zur Leitfähigkeitszunahme im Bereich der Perkolationsgrenze, also dem Übergang von nichtleitendem zu leitendem Faserbeton, relativ unbedeutend. Entgegen den Erwartungen, basierend auf den Berechnungen in Referenz [8], wurde die Perkolationsgrenze nicht im Bereich von 80 bis 85 kg/m3 erreicht. Erst bei Fasergehalten von über 125 kg/m3 bildeten sich durchgängige Faserstrukturen, die zu einer signifikanten Leitfähigkeit der Faserbetonproben führten.
Abb. 5
Leitfähigkeit über Fasergehalt bei 100 % Sättigung [7]
Auf Basis der durchgeführten experimentellen Untersuchungen an Stahlfaserbetonproben lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:
Bis zum Erreichen der Perkolationszone zeigt die Leitfähigkeit mit zunehmendem Fasergehalt eine nahezu konstante Zunahme, bleibt jedoch im nichtleitenden Bereich.
Die aus der Literatur [8] abgeleitete Perkolationsgrenze lieferte deutlich niedrigere Fasergehalte als die experimentellen Ergebnisse. Während der Perkolationsbereich theoretisch für eine Aspect Ratio zwischen 0,81 und 0,87 erwartet wurde, ergaben die Experimente einen Wert von über 1,27. Dies könnte auf die zufällige Anordnung der Fasern zurückzuführen sein, wodurch die theoretische und experimentelle Perkolationsgrenze voneinander abweichen.
In Abwesenheit eines durchgängigen Faserstrangs stellte sich die Sättigung als der dominierende Einflussfaktor unter den untersuchten Parametern heraus, wobei ein exponentieller Anstieg der Leitfähigkeit beobachtet wurde.
Proben, die einen durchgehenden Faserstrang aufweisen, zeigten eine konstante Leitfähigkeit, welche unabhängig von Sättigung und Temperatur blieb.
Die gängigen Fasergehalte von etwa 40 kg/m3 liegen deutlich unter der experimentell ermittelten Perkolationsgrenze, weshalb das Risiko einer Streustromkorrosion als äußerst gering eingestuft werden kann.
Die Bewertung des Streustromkorrosionsrisikos könnte auf Basis der faserdimensionsabhängigen Aspect Ratio erfolgen. Um einen präzisen Grenzwert (experimentell über 1,27) zu bestimmen, sind jedoch weiterführende Untersuchungen erforderlich.
Danksagung
Die in diesem Bericht vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des Projektes „Faserbetontübbinge“ erzielt, das von der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unter der Förderungsvereinbarung Nr. 886265 gefördert wird. Wir möchten uns auch bei den Projektpartnern für ihre finanzielle und besonders fachliche Unterstützung bedanken, namentlich ASFINAG, ÖBB, PORR, Kirchdorfer Fertigteil Holding, Master Builders Solution, BEKAERT Underground Solution, CONTEC Fiber, Lafarge Zementwerke, D2-consult, Statik&Planung-Baumeister Büro DI Ulrich Horny, PCC precast concrete consulting ZT, Material Consult Dr. Pichler ZT, ÖBV und TU-Graz.
Interessenkonflikt
A. Evangelatos, B. Schaber und R. Galler geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
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