Bruch von Spannstahl


1. Vorgeschichte

Kalkmörtel stellt eine Art flüssiger Stein dar. Dazu wird Kalkstein (Calciumkarbonat = CaCO3) zunächst gebrannt, und es entsteht Calciumoxid (CaO). Dieses wird mit Wasser zu Calciumhydrat abgelöscht: Ca(OH)2. Mit Sand und Wasser gemischt, bildet das Calciumhydrat den Mörtel. Die Trocknung erfolgt an Luft, durch Aufnahme von Kohlendioxid; es bildet sich wieder Kalkstein.

CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O

Schon die Römer erkannten, dass die Zugabe von bestimmten Vulkanaschen bewirkt, dass der Mörtel auch unter Wasser abbindet, man auf diese Weise also die Fundamente für Brückenpfeiler mauern kann, womit sie den Zement (Beton) erfanden. Diese Asche baute man vorzugsweise bei Pozzuoli ab, welches in den Phlegräischen Feldern gelegen ist, eine vulkanisch aktive Zone 20 km westlich des Vesuvs. Die Besonderheit der "Puzzolane" besteht darin, dass sie Silikate enthalten, welche mit Wasser zu Calciumsilikathydrat reagieren. Die allgemeine Formel lautet:

X Ca(OH)2 + y SiO2 + z H2O = x CaO · y SiO2 · (x + z) H2O

Der französische Gärtner Joseph Monier versuchte, die Lebenszeit von Blumenkübeln dadurch zu verlängern, dass er beim Material von Holz auf Zement überging. Diese Kübel erwiesen sich als sehr zerbrechlich, was Monier auf die Idee brachte, ein Geflecht aus Stahl einzulegen, worauf er im Jahre 1867 ein Patent erhielt. Damit hatte er erfunden was heute allgemein als Stahlbeton bezeichnet wird. Die Bewehrung ist "schlaff". Für diese Moniereisen werden relativ weiche Stähle eingesetzt, die man vor Ort zurechtbiegt.

Beton kann nicht auf Zug (Biegung) beansprucht werden, woran auch eine schlaffe Bewehrung nichts Wesentliches ändert. Der französische Ingenieur Eugène Freyssinet erkannte, dass dieser Nachteil umgangen werden kann, wenn man den Beton von vornherein unter Druck setzt. Man legt in den Beton Bündel aus geripptem, hochfestem Draht ein und spannt diese mittels eines Gestells vor. Nach Aushärtung des Betons löst man die Drahtbündel vom Gestell; über seine Rippen drückt der Draht nun auf den Beton, so dass der Träger insgesamt auf Biegung beansprucht werden kann (Patent 1928). Auf diese Art erzeugt man vorzugsweise Fertigteile (im Werk). Auf Baustellen ist es dagegen üblich, die Drähte in gewellte Hüllrohre einzulegen und sie erst dann zu spannen (über Anker), wenn der Beton schon erhärtet ist. Die Hüllrohre werden anschließend mit Beton verpresst. Träger aus Spannbeton verdrängten teilweise diejenigen aus Stahl.

Im Jahre 1937 überbrückte man den Bahnhof von Aue mittels Spannbeton; die maximale Spannweite der Glieder betrug 69 Meter.

Die Bezeichnung der Spannstähle erfolgt entsprechend ihrer Festigkeit. In Deutschland lautet diese St mit der Angabe von Streckgrenze (Rp0,2) und Zugfestigkeit (Rm). Früher gab man die Werte in kp/mm2 an, heutzutage gilt N/mm2.

Gegenwärtig kennt man drei Gruppen von Spannstählen:

  • warmgewalzte (naturharte) Stäbe glatt mit Gewinde oder mit Gewinderippen und Durchmessern von 26 bis 40 mm und mit Festigkeiten von 835/1030 bis 1080/1230 N/mm2
  • vergütete runde Drähte (glatt oder gerippt) mit Durchmessern von 5,2 bis 14 mm. Der Stahl ist leicht legiert; der Draht wird warmgewalzt und wärmebehandelt
  • kaltgezogene runde Drähte (glatt oder profiliert), mit Durchmessern von 4 bis 12,2 mm mit Festigkeiten von 1370/1570 bis 1600/1860 N/mm2 (siehe [1]).

    Ab Mitte der 1950-iger Jahre begann man Spannbeton auch in der DDR einzusetzen. Man begnügte sich zunächst mit warmgewalzten, naturharten Stählen (St 60/90). Ab dem Jahre 1961 kam der vergütete Stahl St 140/160 zum Einsatz [2]. Hersteller des Drahtes war der Volkseigene Betrieb (VEB) Qualitäts- und Edelstahl-Kombinat in Hennigsdorf bei Berlin. Die Drähte hatten einen ovalen Querschnitt und waren verrippt.

    Der Schwerpunkt lag weniger bei Bewältigung großer Spannweiten (Ortbeton), sondern bei der Vorfertigung von Tragelementen mäßiger Weite im Spannbett. Gegenüber dem Einsatz der schlaffen Bewehrung wollte man Stahl sparen.

    Die Freude währte nicht lange, denn es stellte sich heraus, dass die Drähte zum Brechen neigten, man sich also das Problem der "Spannungsrisskorrosion" eingehandelt hatte. Die Drähte rissen, während der Beton erhärtete.

    2. Spannversuche

    An der Bauakademie der DDR unternahm man ab 1970 Spannversuche, bei denen die elektrochemischen Bedingungen und die Zusammensetzung des Betons gezielt verändert wurden, veröffentlicht unter [3]. Besonders interessierte eine Zementart, die man als Nebenprodukt bei der Herstellung von Schwefelsäure aus Gips gewann und somit Calciumsulfid enthielt.

    Angaben zum Stahl:
    Stahl: 50MnSi7 + Al nach TGL entspricht dem 51Si7 nach DIN (Werkstoffnummer 1.0903) Zugfestigkeit/Streckgrenze:1370/1570 N/mm2 Stäbe mit aufgewalztem Profil (gerippt), elliptischer Querschnitt 4,1*11 mm2

    Wärmebehandlung:
    Austenitisierung bei 980°C, im Ölbad abgeschreckt auf 50°C, im Bleibad auf 480°C angelassen (Ölschlussvergütung).

    Prüfbedingungen:
    Stäbe in der Länge von 240 mm wurden auf 896 N/mm2 gespannt und in Beton eingebracht, der zu 4% Calciumsulfid enthielt. Die Stäbe brachen meist schon nach wenigen Stunden.

    War nach 120 Stunden kein Bruch erfolgt, wurde der Versuch beendet.

    3. Fraktographische Untersuchungen

    Die Untersuchung der Bruchflächen erfolgte am Institut für Festkörperphysik und Elektronenmikroskopie der Akademie der Wissenschaften (IFE-AdW) in Halle/Saale, wo man ein Rasterelektronenmikroskop angeschafft hatte. Der entsprechende Bericht [4] hob den Einfluss von Kerben im Draht auf das Schadensgeschehen hervor. Daraus entstand eine weitere Veröffentlichung der Bauakademie [5]. Der Drahthersteller erwiderte, dass nicht die Oberflächengüte des Drahtes, sondern ausschließlich die Zusammensetzung des Betons für die Brüche maßgebend sei [6].

    Nach Überarbeitung soll der Inhalt des IFE-Berichtes hier wiedergegeben werden. Zwei Proben wurden näher betrachtet (A und B).

    Probe A:

    Die beiden korrespondierenden Bruchflächen wurden in ihrer Gesamtheit lichtoptisch aufgenommen und in Bild 1 einander gegenüber gestellt.

    Eine dunkel gefärbte Anrisslinse nimmt ihren Ausgang vom Fuß der Rippe und erstreckt sich mit einer Tiefe von 3 mm in den Querschnitt hinein (etwa 70% bezüglich der kurzen Ellipsenachse), die als Zonen I, II und III markiert wurden. Die Linse ist senkrecht zur Drahtachse orientiert. Es folgt ein heller Bereich in der Breite von 0,3 mm bezüglich der kurzen Querschnittsachse (Zone IV).

    Den restlichen Querschnitt nimmt ein halbdunkler, feinsamtiger Bereich ein, der aus dem Fokus herausläuft (Zone V). Der Grund dafür ergibt sich erfahrungsgemäß daraus, dass diese Zone unter 45° zur Drahtachse orientiert ist; der Werkstoff versagte durch Scherung. Diese Scherlippen stellen somit das Endstadium des Restbruches dar.

    Die schmale Zwischenzone kann als "Zugbruch" bezeichnet werden; dieser hat den Restbruch eingeleitet (Bild 1).

    Bild 1: Übersichtsaufnahme der Bruchfläche, Riss-Start am Rippenfuß, Risstiefe: 3 mm<br>

oberes Teilbild: Zone I: Rissausgang, Zone II: Anriss in voller Tiefe,

unteres Teilbild: korrespondierende Bruchfläche
Zone III: Rissstartgebie,
Zone IV: Zugbruch,
Zone V: Scherlippe
    Bild 1: Übersichtsaufnahme der Bruchfläche, Riss-Start am Rippenfuß, Risstiefe: 3 mm
    oberes Teilbild:
    Zone I: Rissausgang, Zone II: Anriss in voller Tiefe
    unteres Teilbild: korrespondierende Bruchfläche
    Zone III: Rissstartgebiet, Zone IV: Zugbruch, Zone V: Scherlippe

    Ein schmaler Ausschnitt der Anrisslinse über ihre gesamte Tiefenausdehnung (Zone II) wird sowohl in lichtoptischer wie auch elektronenoptischer Abbildung von Bild 2 wiedergegeben. Der Anrissbereich ist verkrustet, wobei die Stärke der Kruste direkt unter dem Startbereich naturgemäß am stärksten ist. Auf Grund der höheren Schärfentiefe liefert nur die REM-Abbildung auswertbare Strukturen. Im Riss-Startgebiet ist der Belag teilweise ausgeplatzt.

    Anrisslinse in gesamter Tiefe, oben lichtoptisch, unten elektronenoptisch abgebildet,
Riss-Start unten, dort Kruste ausgeplatzt (Zone II aus Bild 1)
    Bild 2: Anrisslinse in gesamter Tiefe; oben lichtoptisch, unten elektronenoptisch abgebildet,
    Riss-Start rechts, dort Kruste ausgeplatzt (Zone II aus Bild 1)

    Der Anrissbereich wurde gebürstet und somit im Bereich der Ausplatzung auch der restliche Belag entfernt. Es werden Ätzgruben sichtbar (Bild 3).

    Riss-Startgebiet,
Kruste mechanisch entfernt;
Ätzgruben sichtbar
    Bild 3: Riss-Startgebiet, Kruste mechanisch entfernt; Ätzgruben sichtbar

    Betrachtet werden die Bereiche des Restbruches (Zugbruch und Scherlippen): Im Gebiet des Zugbruches (Zone IV) findet sich eine markante Wabenstruktur. Ein Einschluss steigt aus der Tiefe empor. Sein elliptischer Querschnitt verweist darauf, dass es sich um ein Sulfid handelt. Diese Art von Einschlüssen ist leicht verformbar und wird somit beim Walzen verstreckt (Bild 4).

    Zugbruchbereich;
Wabengebiet mit größerem Einschluss von elliptischen Querschnitt (Ausschnitt aus Zone IV in Bild 2)
    Bild 4: Zugbruchbereich; Wabengebiet mit größerem Einschluss von elliptischen Querschnitt
    (Ausschnitt aus Zone IV in Bild 2)

    Auf den Scherlippen (Zone V) sind die Waben relativ fein und verstreckt ausgebildet (Bild 5).

    Scherlippen,
verstreckte Waben, Einschlüsse als Risskeime
(Ausschnitt aus
Zone V in Bild 2
    Bild 5: Scherlippen, verstreckte Waben, Einschlüsse als Risskeime
    (Ausschnitt aus Zone V in Bild 2)

    Die Bruchfläche wurde vorsichtig mit einem Entrostungsmittel behandelt. Der Belag ist noch vollständig erhalten, ausgenommen die Stelle, wo er schon vorher fehlte. Auf der Rippe wird eine Schuppe (Überwalzung) sichtbar (Bild 6).

    Riss-Startgebiet,
Kruste noch erhalten bis auf früheren Ausplatzungsbereich (markiert);
Schuppe in der Breite von 0,5 mm auf der Rippe
    Bild 6: Riss-Startgebiet, Kruste noch erhalten bis auf früheren Ausplatzungsbereich (markiert);
    Schuppe in der Breite von 0,5 mm auf der Rippe

    Die Ätzgruben, welche im Bereich der Belagsausplatzung sichtbar geworden waren, liegen nun völlig frei (Bild 7).

    Ausplatzungsbereich nach leichter chemischer Entrostung; Ätzgruben frei geräumt (Ausschnitt aus Bild 6, unten)
    Bild 7: Ausplatzungsbereich nach leichter chemischer Entrostung; Ätzgruben frei geräumt
    (Ausschnitt aus Bild 6, unten)

    Im Folgenden wurde die Reinigungsbehandlung solange ausgeführt, bis der Belag völlig verschwunden war. Auf einer Breite von 0,3 mm unterhalb des Risseinlaufes zeigt sich die Bruchfläche als stark verätzt. Danach sind die Strukturen noch soweit erhalten, dass der Weg des Risses erkennbar ist. Der Bruch ist hier transkristallin verlaufen. Auch die Schuppe blieb erhalten (Bild 8).

    Bereich starker Verätzung als unmittelbares Riss-Startgebiet,
Rissverlauf durch Pfeile markiert
    Bild 8: Bereich starker Verätzung als unmittelbares Riss-Startgebiet,
    Rissverlauf durch Pfeile markiert

    Das Verätzungsgebiet wird heraus vergrößert (auf der Gegenbruchfläche). Die Ätzporen sind anfangs recht tief (Bild 9).

    Verätzungszone im Risseinlauf
(Ausschnitt von der Gegenbruch-hälfte)
    Bild 9: Verätzungszone im Risseinlauf (Ausschnitt von der Gegenbruchhälfte)

    Probe B:

    Der Riss geht von einer Einbuchtung auf der Mantelfläche aus. Bezüglich der kurzen Querschnittsachse wird der Querschnitt wiederum zu zwei Dritteln aufgetrennt (Bild 10).

    Probe B,
Riss-Start rechts an flacher Einbuchtung, Risstiefe 3 mm (Fokus auf obere Scherlippe eingestellt)
    Bild 10: Probe B, Riss-Start rechts an flacher Einbuchtung, Risstiefe 3 mm
    (Fokus auf obere Scherlippe eingestellt)

    Nach der Reinigung findet sich für die Einbuchtung eine breite Korrosionsgrube, die 0,14 mm tief ist. Das Bruchgefüge, welches unmittelbar unter dieser Grube sichtbar wird, ist verätzt (Bild 11).

    Riss-Start an Korrosionsgrube
(Ausschnitt aus Bild 10)
    Bild 11: Riss-Start an Korrosionsgrube (Ausschnitt aus Bild 10)

    4. Diskussion

    Festzustellen ist: Der Riss startet am Probenrand an Defekten. Bezüglich der kurzen Ellipsenachse wird der Querschnitt zu etwa zwei Dritten aufgetrennt. Danach folgt ein Bereich des Zugbruches als Gewaltbruch, der in Scherung übergeht. Der unmittelbare Risseinlauf wurde relativ stark verätzt. Der Bruch ist, soweit erkennbar, transkristallin verlaufen.

    Als Defekte diente im ersteren Fall eine Schuppe auf der Stabrippe, im letzteren Fall eine Korrosionsgrube auf der freien Mantelfläche. Die Schuppe hat sich während der Formung des Stahles ausgebildet (Überwalzung). Von der Grube kann man annehmen, dass sie bei der Lagerung entstanden ist. Beide Drähte waren also vorgeschädigt.

    Es liegt eine Versprödung durch Wasserstoff vor. Die Quelle des Wasserstoffes ist durch Korrosion gegeben. Der Sulfidanteil der Lösung hat den Schadenseintritt beschleunigt. Die Sulfidionen sind nicht nur aggressiv, sondern hindern den atomar entstehenden Wasserstoff auch an der Rekombination; sie wirken als "Rekombinationsgift". Insofern spielt es auch keine Rolle, dass die Umgebung basisch ist. Der Schaden entspricht dem, was man in der Petrolchemie als "Angriff durch Schwefelwasserstoff" kennt.

    Mit einer Festigkeit von deutlich über 1200 MPa ist der Stahl grundsätzlich bruchanfällig gegenüber Wasserstoff. Der transkristalline Bruchverlauf ist eher untypisch. Kerben kann sich die Korrosion auch selbst schaffen (Lochfraß). Wenn aber die Einwirkungszeit des Mediums begrenzt ist, wie hier durch die Erhärtung des Betons, dann stellen herstellungsbedingte Kerben einen wesentlichen Faktor dar.

    Das Zentralinstitut für Festkörperphysik und Werkstoffforschung der AdW in Dresden erhielt den Auftrag, die Brucherscheinungen am Spanndraht tiefer zu ergründen. Mittels bruchmechanischer Methoden wurde der Einfluss der Kerben betrachtet [7], [8]. Desweiteren wurden die Umgebungsbedingungen beleuchtet [9].

    Aus all diesen Untersuchungen ergab sich ein gewisses Risikobewusstsein. Eine größere Havarie blieb dem Osten erspart, vgl. [10].

    Der Teileinsturz der Kongresshalle in Westberlin im Jahre 1980 trug dazu bei, das Prinzip des Spannbetons der Allgemeinheit näher zu bringen [11]. Die Hüllrohre der Zugbänder, welche die Schalen der "schwangeren Austern" trugen, waren schlecht verpresst wurden. Wasser konnte eindringen, und die Spanndrähte brachen [12].

    5. Zusammenfassung

    Verrippte Stahldrähte vom Typ St 140/160 mit ovalem Querschnitt wurden über ein Gestell verspannt und sulfidhaltigem Beton ausgesetzt. In den beiden untersuchten Fällen nahmen die Risse ihren Ausgang jeweils an einer Überwalzung und einer Korrosionsgrube. Der Bruch wird als wasserstoffinduziert eingestuft ("Wasserstoffversprödung"). Durch Korrosion wurde Wasserstoff freigesetzt; die Sulfidionen verhinderten die Rekombination der Wasserstoffatome zum Molekül.

    Literatur

    1. Wikipedia, Spannstahl
    2. Verch, W.: 35 Jahre Spannbeton-Straßenbrückenbau in der DDR.
    3. Olden, J.; Polster, H.: Einfluss des Spannungszustandes und der Umgebungsbedingungen auf die Sprödbruchneigung von ölschlussvergüteten Spannstählen St 140/160. Neue Hütte (Leipzig) 16 (1971) S. 526 ff.
    4. Schmidt, V.: Untersuchung der Bruchflächen von Spannstahl, erzeugt durch Zugbelastung. Bericht 24 A-1 des Instituts für Festkörperphysik und Elektronenmikroskopie der Akademie der Wissenschaft der DDR, Halle/Saale, Oktober 1970
    5. Ouvrier, K.: Ergebnisse mikrofraktografischer Untersuchungen an Bruchflächen des ölschlussvergüteten Spannstahls St 140/160. Neue Hütte (Leipzig) 16 (1971) S. 532-535
    6. Welfle, K.; Lankau, G.: Untersuchungen zum Problem der Spannstahlbrüche durch Korrosionseinwirkungen. Neue Hütte (Leipzig) 16 (1971) S. 536ff
    7. Schlät, F.; Eickemeyer, J.: Eine Methode zur Spannungsrisskorrosionskorrosionsprüfung auf der Grundlage der Bruchmechanik, Neue Hütte (Leipzig) 19 (1974) S. 232-236
    8. Eickemeyer, J.: Schlät, F.: Zur Risswachstumskinetik bei der Spannungsrisskorrosion hochfesten Stahls. Symposium Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung. Dresden 1975, Tagungsband, S. 368-385a
    9. Mummert, K.: Zum Mechanismus des stabilen Risswachstums sowie dessen Inhibition bei der Spannungsrisskorrosion hochfester Stähle in alkalischer Lösung. Symposium Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung. Dresden 1975, Tagungsband, S. 386-401
    10. Knaute, W.; Mühlmann, K.: Die Brücke über die Talsperre Rauschenbach – Bewährung innovativer Bautechnik 1965 - 2002. 14. Dresdner Brückenbausymposium 9. März 2004. Planung, Bauausführung und Ertüchtigung von Massivbrücken. Tagungsband. Hrsg.: TU Dresden, Institut für Massivbau. Dresden 2004, S. 163-183
    11. Spannbeton "Jeder hat seine Leiche im Keller". Der Spiegel 1980, H. 30, S. 140-145
    12. Schlaich, J., Kordina, K.; Engell, H.-J.: Teileinsturz der Kongresshalle Berlin – Schadensursachen, zusammenfassendes Gutachten. Beton- und Stahlbetonbau 75 (1980) H. 12, S. 281-294

    Martin Möser, 28.08.2013, letzte Änderung: 29.09.2013

    In dieser Homepage findet sich ein weiteres Beispiel dafür, dass ein Rekombinationsgift (Arsentrioxid) ein basisches Milieu praktisch sauer werden lässt: Wasserstoffversprödung an weichem Stahl durch Laugenangriff

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