Verbundfestigkeit von korrodierter Bewehrung in Beton
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der erste Untersuchungsschwerpunkt hat sich mit dem Verformungsverhalten zwischen korrodiertem Bewehrungsstahl und dem umgebenden Beton befasst. Aus den in Abschnitt 3.3 vorgestellten Untersuchungen ging hervor, dass die Korrosion, ausgehend von einer Veränderung der Grenzschicht zwischen Stahl und Beton, nahezu keinen Einfluss auf das Verformungsverhalten hat. Die untersuchte chloridinduzierte Korrosion veränderte den Bewehrungsstahl lokal sehr unterschiedlich. Es kam zur Ausbildung teilweise tiefer Narben, sodass die Oberfläche nicht gleichmäßig abgetragen wurde. Dadurch waren Teile der Rippung noch intakt. Die entstandenen Korrosionsprodukte bildeten eine kompakte Schicht, die den Bewehrungsstahl mit dem umliegenden Beton verzahnte. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Stabaußenseite einen größeren Korrosionsabtrag aufwies als die in das Probekörperinnere geneigte Seite. Ein Teil der Korrosionsprodukte ist in die sich bildenden Risse und das Porengefüge abgewandert und stand nicht mehr zum Aufbau des Expansionsdruckes zur Verfügung. Auswertungen der experimentellen Ergebnisse haben ergeben, dass der effektive Volumenfaktor, der zur äußerlich messbaren Rissbreite geführt hat, rd. kv,eff = 1,35 beträgt. Unter der Annahme, dass der kleinstmögliche Volumenfaktor zwischen Korrosionsprodukt und Eisen rd. 2,0 beträgt, sind mindestens 65 % der Korrosionsprodukte zum Aufbau innerer Risse verwendet worden oder in Risse abgewandert. Diese sehr komplexen Zusammenhänge bedürfen weiterer intensiver Forschung. Interessant in diesem Zusammenhang ist die Differenzierung zwischen Korrosionsprodukten, die für den Aufbau des Expansionsdruckes verantwortlich sind und denen, die in das Porengefüge und in die sich bildenden Risse abwandern. Einen wesentlichen Beitrag zu dieser Thematik haben die Untersuchungen des Teilprojektes B1 geleistet. Der zweite Untersuchungsschwerpunkt hat sich mit den Auswirkungen der Bewehrungsstahlkorrosion auf die Verbundfestigkeit befasst. Die Untersuchungen für die gewählte Ecklage des Längsstabes haben ergeben, dass die Verbundfestigkeit in Abwesenheit einer Bügelbewehrung mit zunehmender Korrosion exponentiell abnimmt. Ist die durch die Korrosionsprodukte aufgebaute Expansion bekannt, so kann eine Abschätzung der Verbundfestigkeitsabnahme unabhängig von Stabdurchmesser und Betondeckung durchgeführt werden. Jedoch stellt die Berechnung der Expansion einschließlich ihrer Verteilung über Umfang und Länge des Stabes, ausgehend von einem bekannten Korrosionsabtrag, eine nahezu unlösbare Aufgabe dar. Aus diesem Grund wurden Untersuchungen zur Abschätzung der Verbundfestigkeitsabnahme in Bezug auf die von außen messbare Rissbreite durchgeführt. Die Untersuchungen haben ergeben, dass die Rissbreite, unabhängig vom Zusammenhang aus Korrosionsabtrag und Expansion, eine gute Abschätzung der Verbundfestigkeitsabnahme zulässt. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Rissbreite abhängig von Stabdurchmesser und Betondeckung ist. Ein c/d-Verhältnis größer zwei sorgt bei gleicher Rissbreite für eine Verdopplung der Verbundfestigkeitsabnahme gegenüber c/d-Verhältnissen von gleich und kleiner zwei. Die Erhöhung des Stabdurchmessers von 12 mm auf 16 mm ergab bei vergleichbaren c/d-Verhältnissen einen stärkeren Abfall der Verbundfestigkeit ab Rissbreiten von rd. 0,4 mm. Gegenüber den Probekörpern ohne Bügel zeigten die Probekörper mit Bügelbewehrung nur geringe Auswirkungen der Korrosion auf die Verbundfestigkeit. Die experimentellen Ergebnisse streuten stark zwischen Werten von 80 % und 120 % jeweils bezogen auf den unkorrodierten Zustand. Die Proben mit 12 mm Stabdurchmesser und 20 mm Betondeckung zeigten selbst bei Korrosionsabträgen von rd. 0,5 mm und Rissbrei41 ten von rd. 0,8 mm noch Verbundfestigkeiten von über 100 % des unkorrodierten Zustands. Die Verbundfestigkeiten der Probekörper mit 16 mm Stabdurchmesser und 35 mm Betondeckung sanken bei Korrosionsabträgen von rd. 0,35 mm und Rissbreiten von rd. 0,7 mm nicht unter 80 % des unkorrodierten Wertes. Aus den experimentellen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass eine Bügelbewehrung die Abnahme der Verbundfestigkeit zu großen Teilen kompensieren kann. Offene Fragen in diesem Zusammenhang bleiben bezüglich des Einflusses der Lage des Stabes. Wie würde sich bspw. ein Stab mit unterschiedlichen Betondeckungen zum Rand und zur Seite verhalten? Diese besonders für Deckenplatten interessante Konstellation wurde im Rahmen dieses Forschungsprojektes nicht untersucht. Weiterhin könnten intensivere Studien zur Optimierung numerischer Modelle zu einer Entlastung von den sehr zeitaufwendigen experimentellen Untersuchungen führen. Abschließend stellte sich die Frage nach der Auslastung der Bügelbewehrung. Anhand der numerischen Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Expansion der Korrosionsprodukte zu einer teilweise erheblichen Zugspannung in den Bügelarmen führt. Diese Vorspannung der Bügel erklärt auch die Zunahme der Verbundfestigkeit mit steigender Korrosion. Laut der numerischen Berechnungen erreichen die Probekörper mit 12 mm Stabdurchmesser und 20 mm Betondeckung bei einem Korrosionsabtrag von rd. xcorr = 0,48 mm ihre Streckgrenze. Die Probekörper mit 16 mm Stabdurchmesser und 35 mm Betondeckung erreichen die Streckgrenze bereits bei einem Korrosionsabtrag von rd. xcorr = 0,37 mm. Diese Angaben sind als eher konservativ anzusehen, da bei den Berechnungen ein auf Umfang und Länge des Stabes gleichmäßig verteilter Korrosionsabtrag angenommen wurde, der wiederum vollständig in einen Expansionsdruck umgewandelt wurde. Unbeantwortet blieb die Frage, ob die Spannung im Bügel nach der Expansion der Korrosionsprodukte am Längsstab bis zum Erreichen der Ausziehlast noch steigt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens begrenzten Umfangs konnten Antworten auf die in der Zielsetzung gestellten Fragen gefunden werden. Damit konnte das grundlegende Verständnis der Auswirkungen der Bewehrungsstahlkorrosion auf das Verbundverhalten erweitert werden. Aufbauend auf diese Datenbasis besteht nun die Möglichkeit, ein Ingenieurmodell zu erarbeiten, mit dessen Hilfe die Bewertung der Abnahme der Verbundfestigkeit von korrodierter Bewehrung in Beton möglich ist. Die Bearbeitung ergab neue Fragen, die teilweise im Rahmen der Projektdurchführung beantwortet werden konnten. Einige der offenen Fragen sind in dieser Zusammenfassung aufgeführt und bieten damit Potential für weitere Forschung auf diesem Gebiet.
