Aufgabe I – Korrosion in Stahlbeton
Beton wird aus Zement, Füllstoffen, wie z. B. Sand oder Kies, und Wasser hergestellt. Der Zement spielt dabei die entscheidende Rolle, da er zusammen mit dem Wasser den Zementleim bildet, der die Füllstoffe verbindet und so den Beton verfestigt. Werden Stahlstäbe eingegossen, so spricht man von Stahlbeton.
Formuliere die Reaktionsgleichungen für die Vorgänge beim Kalklöschen und Abbinden (M 1).
Erläutere anhand der Reaktionsgleichung des Kalklöschens das Säure-Base-Konzept nach Brønsted (M 1).
Leite mithilfe des pKB-Werts die Lage des Gleichgewichts dieser Reaktion ab (M 1).
Beschreibe die Vorgehensweise bei der Titration einer Probe von Betonwasserfiltrat mit Salzsäure und skizziere den zu erwartenden Verlauf der Titrationskurve (M 2).
Berechne das benötigte Volumen an Salzsäure, um das Filtrat des Betonwassers eines Betonmischers zu neutralisieren (M 2).
Erkläre anhand von Reaktionsgleichungen den Nachweis von Chlorid-Ionen im Beton nach Schöppel (M 3).
Leite aus den Ergebnissen der Versuchsreihe einen Zusammenhang zwischen der Natriumchlorid-Konzentration und der Korrosionsgeschwindigkeit der Eisenstäbe ab (M 3, M 4).
Stelle eine Hypothese zur Bedeutung von DMEA als Zusatzstoff im Beton auf (M 4).
Mit SchulLV Plus weiterlernen
Schalte alle Prüfungsaufgaben, Lösungen und Lerninhalte frei – alles an einem Ort.
Monatlich kündbar
Material 1: Betonherstellung
Beton entsteht bei der Vermengung von Zement mit Füllstoffen, wie z. B. Sand und Kies, und anschließender Zugabe von Wasser. Dabei reagiert der im Zement enthaltene Branntkalk (Calciumoxid) mit dem zugegebenen Wasser unter Wärmeabgabe zu gelöschtem Kalk (Calciumhydroxid). Diese Reaktion bezeichnet man als Kalklöschen.
Beim anschließenden Abbinden des Gemisches reagiert der gelöschte Kalk mit dem Kohlenstoffdioxid der Luft zu Kalk (Calciumcarbonat) und Wasser. Der Beton erhält durch diesen Vorgang seine hohe Druckfestigkeit.
Material 2: Betonwasser
Bei der Betonherstellung fallen Abwässer an. So entstehen bei der Reinigung eines typischen Betonmischers 
von sogenanntem Betonwasser, das aufgrund der Rückstände beim Kalklöschen mit einem 
Wert von 
stark basisch ist und zudem feine Zementpartikel enthält.
Um Umweltschäden zu vermeiden, wird Betonwasser in Recyclinganlagen zunächst filtriert und das Filtrat im Anschluss mit Salzsäure 
neutralisiert. Zur Berechnung des hierfür benötigten Volumens an Salzsäure wird im Labor zunächst die Hydroxid-Ionen-Konzentration des Betonwasserfiltrats mithilfe einer Titration bestimmt. Im Anschluss kann das Betonwasser durch Zugabe des erforderlichen Volumens an Salzsäure neutralisiert werden. Das neutralisierte Filtrat ist für Mensch und Umwelt unbedenklich und kann anschließend in eine Kläranlage weitergeleitet werden.
Material 3: Chlorid-Korrosion
Stahlbeton ist ein Werkstoff, bei dem Stahlgitter bzw. -stäbe beim Gießen in den Beton eingebettet werden, um die Zugfestigkeit des reinen Betons zu erhöhen.
Sowohl ausgehärteter Beton als auch Stahlbeton enthalten Poren, in die Wasser eindringen kann. Durch die Aufnahme von Bestandteilen aus dem Beton wie Calciumhydroxid wird dieses sogenannte Porenwasser stark basisch. Gelangt das Porenwasser zum eingebetteten Stahl, bildet sich an dessen Oberfläche eine Passivierungsschicht aus schwerlöslichen Eisenverbindungen, die den Stahl über lange Zeit vor Sauerstoffkorrosion schützt.
Durch Streusalz, das im Winter eingesetzt wird, gelangen große Mengen an im Schmelzwasser gelöstem Natriumchlorid über die Poren bis zum im Beton eingebetteten Stahl. Dort verdrängen die Chlorid-Ionen die Hydroxid-Ionen der Passivierungsschicht, wodurch es an diesen Stellen zur Sauerstoffkorrosion kommen kann. Schäden, z. B. an Brücken, die durch eindringende Chlorid-Ionen verursacht werden, lassen sich mit dem sogenannten UV-Verfahren nach Schöppel feststellen: Dabei wird eine Betonoberfläche am zu untersuchenden Bauwerk mit Silbernitrat-Lösung besprüht.
Anschließend wird der gebildete Feststoff durch Bestrahlung mit UV-Licht zu Chlor und Silber zersetzt. An den Stellen, an denen zuvor Chlorid-Ionen vorhanden waren, verfärbt sich die Oberfläche silbergrau.
Material 4: Zusatzstoffe im Beton
Zement kann neben Branntkalk auch verschiedene Zusatzstoffe wie DMEA (N,N-Dimethylethanolamin) enthalten, die die Eigenschaften von Stahlbeton beeinflussen.
Zur Untersuchung des Einflusses derartiger Zusatzstoffe wird ein Modellexperiment mit fünf unterschiedlichen Versuchsansätzen durchgeführt. Pro Versuchsansatz (A–E) wird jeweils ein Eisenstab mit bekannter Masse in eine Calciumhydroxid-Lösung getaucht. Dieser Lösung können auch Natriumchlorid und DMEA zugesetzt werden (Tab. 1). Nach bestimmten Zeiträumen wird die Masse der einzelnen Eisenstäbe erneut bestimmt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 1 dargestellt.
Tab. 1: Zusammensetzung der Ansätze des Modellexperiments
|
Ansatz |
Massenanteil von NaCl in % |
Massenanteil von DMEA in % |
|---|---|---|
|
A |
|
|
|
B |
|
|
|
C |
|
|
|
D |
|
|
|
E |
|
|
Abbildung 1: Versuchsergebnisse des Modellexperiments
Quelle: Rakanta, E., Zafeiropoulou, T., & Batis, G. (2013). Corrosion protection of steel with DMEA-based organic inhibitor. Construction and Building Materials, 44, S. 507–513.
Mit SchulLV Plus weiterlernen
Schalte alle Prüfungsaufgaben, Lösungen und Lerninhalte frei – alles an einem Ort.
Monatlich kündbar
Formulieren der Reaktionsgleichungen
|
Kalklöschen: |
|
|
Abbinden: |
|
Kalklöschen:
Abbinden:
Erläuterung des Säure-Base-Konzepts nach Brønsted
Nach Brønsted bezeichnet man Teilchen, die Protonen abgeben, als Säuren. Teilchen, die Protonen mit einem freien Elektronenpaar aufnehmen, werden hingegen als Basen bezeichnet. Somit werden bei einer Säure-Base-Reaktion Protonen übertragen. Beim Kalklöschen findet folgende Protonenübertragung statt:
Das Oxid-Ion 
nimmt ein Proton vom Wasser-Molekül auf und fungiert somit als Brønsted-Base. Das Wasser-Molekül gibt dagegen ein Proton ab und wirkt als Brønsted-Säure. Die entstehenden Hydroxid-Ionen bilden die korrespondierenden Säure-Base-Partner.
Ableiten der Lage des Gleichgewichts
Mit dem 
Wert für Oxid-Ionen von 
ergibt sich für die Lage des Gleichgewichts:
![Formula: \begin{array}{rlll}
\text{p}K_\text{B}&=&-10 \\[5pt]
-\lg K_\text{B} &=&-10 &\quad\scriptsize\mid\;\cdot\,(-1);\,()^{10} \\[5pt]
K_\text{B}&=&10^{10}
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/6bfb2f5a758abbff7df61578a12c12285272d6a1d0f2cdfb12e0c71801000769_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rlll}
\text{p}K_\text{B}&=&-10 \\[5pt]
-\lg K_\text{B} &=&-10 &\quad\scriptsize\mid\;\cdot\,(-1);\,()^{10} \\[5pt]
K_\text{B}&=&10^{10}
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/6bfb2f5a758abbff7df61578a12c12285272d6a1d0f2cdfb12e0c71801000769_dark.svg)
Der sehr große Wert von 
für 
(bzw. der sehr niedrige Wert von für 
bedeutet, dass das Reaktionsgleichgewicht nahezu vollständig auf der Produktseite liegt, da Oxid-Ionen eine sehr starke Base sind.
Beschreibung der Vorgehensweise bei der Titration und Skizzieren der Titrationskurve
Zunächst wird ein genau abgemessenes Volumen des Betonwasserfiltrats (z. B. 
in einen Erlenmeyerkolben gegeben. Anschließend fügt man einige Tropfen Bromthymolblau hinzu. Eine Bürette wird mit Salzsäure bekannter Konzentration (z. B. 
befüllt. Die Säure wird unter ständigem Schwenken schrittweise zur Probelösung gegeben. Sobald der Indikator den Äquivalenzpunkt durch einen Farbumschlag anzeigt, wird die Zugabe beendet und das verbrauchte Säurevolumen an der Bürette abgelesen.
Bromthymolblau eignet sich für diese Titration, da sein Umschlagsbereich zwischen 
und 
liegt. Bei der Neutralisation einer starken Base mit einer starken Säure befindet sich der Äquivalenzpunkt ungefähr bei 
Zuerst wird die Hydroxid-Ionen-Konzentration berechnet:
![Formula: \begin{array}{rlll}
\text{pOH}&=&14-\text{pH} \\[5pt]
&=&14-13 \\[5pt]
&=&1
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/dc1fb9adead9568a645cc3d281c4527a2f94e4bcdb76aa23dc390014eae73638_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rlll}
\text{pOH}&=&14-\text{pH} \\[5pt]
&=&14-13 \\[5pt]
&=&1
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/dc1fb9adead9568a645cc3d281c4527a2f94e4bcdb76aa23dc390014eae73638_dark.svg)
Daraus folgt:
![Formula: \begin{array}{rlll}
c(\ce{OH-})&=&10^{-\text{pOH}}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \\[5pt]
&=&0{,}1\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/4fdfa56bbbf3c8b7790ae98de0e522f5f81c64122cd7df41780e105d9121beeb_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rlll}
c(\ce{OH-})&=&10^{-\text{pOH}}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \\[5pt]
&=&0{,}1\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/4fdfa56bbbf3c8b7790ae98de0e522f5f81c64122cd7df41780e105d9121beeb_dark.svg)
Bei der Neutralisationsreaktion reagieren ein Oxonium-Ion und ein Hydroxid-Ion zu zwei Wassermolekülen:
Somit gilt am Neutralisationspunkt: 
Daraus folgt:
![Formula: \begin{array}{rlll}
n(\ce{H3O+})&=&n(\ce{OH-}) \\[5pt]
c(\ce{H3O+})\cdot V(\ce{H3O+})&=&c(\ce{OH-})\cdot V(\ce{OH-}) &\quad\scriptsize\mid\;\div\,c(\ce{H3O+}) \\[5pt]
V(\ce{H3O+})&=&\dfrac{c(\ce{OH-})\cdot V(\ce{OH-})}{c(\ce{H3O+})} \\[5pt]
V(\ce{H3O+})&=&\dfrac{0{,}1\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot100\;\text{L}}{1\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}} \\[5pt]
V(\ce{H3O+})&=&10\;\text{L}
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/542dbefc7455c64e2de5855ccbac94bd656e24cc446cd494bd366fd42b5ca8bf_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rlll}
n(\ce{H3O+})&=&n(\ce{OH-}) \\[5pt]
c(\ce{H3O+})\cdot V(\ce{H3O+})&=&c(\ce{OH-})\cdot V(\ce{OH-}) &\quad\scriptsize\mid\;\div\,c(\ce{H3O+}) \\[5pt]
V(\ce{H3O+})&=&\dfrac{c(\ce{OH-})\cdot V(\ce{OH-})}{c(\ce{H3O+})} \\[5pt]
V(\ce{H3O+})&=&\dfrac{0{,}1\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot100\;\text{L}}{1\;\frac{\text{mol}}{\text{L}}} \\[5pt]
V(\ce{H3O+})&=&10\;\text{L}
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/542dbefc7455c64e2de5855ccbac94bd656e24cc446cd494bd366fd42b5ca8bf_dark.svg)
Da 
gilt, beträgt das zur vollständigen Neutralisation von 
Betonwasserfiltrat benötigte Volumen an Salzsäure somit 
Wird eine chloridhaltige Betonoberfläche mit Silbernitrat-Lösung behandelt, reagieren die Silber-Ionen mit den Chlorid-Ionen in einer Fällungsreaktion. Dabei entsteht schwerlösliches Silberchlorid, das als Feststoff ausfällt:
bzw.:
Bei anschließender Bestrahlung mit UV-Licht wird das entstandene Silberchlorid photochemisch in seine Elemente zersetzt:
Das dabei entstehende elementare Silber führt zu einer silbergrauen Verfärbung der Betonoberfläche. Auf diese Weise lassen sich diejenigen Bereiche erkennen, in die gelöstes Natriumchlorid eingedrungen sind.
Ableiten eines Zusammenhangs zwischen der NaCl-Konzentration und der Korrosionsgeschwindigkeit
Bei der Betrachtung der Versuchsansätze A, B und C zeigt sich, dass die Eisenstäbe mit zunehmendem Natriumchlorid-Anteil einen stärkeren Massenverlust aufweisen. Während Ansatz A kein Natriumchlorid enthält, liegen die Massenanteile in den Ansätzen B und C bei 
beziehungsweise 
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine höhere Natriumchlorid-Konzentration mit einer stärkeren Abnahme der Eisenmasse verbunden ist. Daraus folgt, dass die Korrosionsgeschwindigkeit mit steigender Natriumchlorid-Konzentration zunimmt.
Aufstellen einer Hypothese zur Bedeutung von DMEA
Ein Vergleich der Ansätze mit und ohne DMEA zeigt, dass die Zugabe dieses Stoffes bei gleicher Natriumchlorid-Konzentration den Massenverlust der Eisenstäbe verringert. Daher lässt sich die Hypothese aufstellen, dass DMEA die Korrosion verlangsamt. Durch den Zusatz von DMEA könnte Stahlbeton somit widerstandsfähiger gegenüber chloridhaltigem Wasser werden, wodurch sich seine Lebensdauer verlängern ließe.
Mit SchulLV Plus weiterlernen
Schalte alle Prüfungsaufgaben, Lösungen und Lerninhalte frei – alles an einem Ort.
Monatlich kündbar