Verbesserungsmechanismen von Cr und RE für die Korrosionsbeständigkeit von HRB400-Bewehrungsstahl in chloridhaltiger Betonporenlösung

Warum rostender Bewehrungsstahl wichtig ist

Im Inneren der meisten Brücken, Tunnel und Küstenbauten verlaufen Stahlstäbe, die diskret Lasten tragen. Beginnt dieser Stahl zu rosten, kann der umgebende Beton rissig werden, abplatzen und schließlich versagen – mitunter Jahrzehnte früher als vorgesehen. Diese Studie untersucht einen neuen Ansatz, die Beständigkeit dieser Stahlstäbe gegen salzbedingte Korrosion zu erhöhen, indem der Stahl selbst verändert wird, statt nur bessere Beschichtungen oder dickeren Beton zu verwenden.

Salz, Stahl und zerfallender Beton

In Meeresumgebungen und an Bauwerken, die Auftausalze ausgesetzt sind, dringen Chloridionen allmählich durch den Beton, bis sie den Bewehrungsstahl erreichen. Unter normalen Bedingungen schützt eine dünne, stabile Schicht, die sich in der hochalkalischen Betonporenlösung bildet, den Stahl. Chloride untergraben diese Schicht jedoch und lösen lokalen Angriff aus, der als winzige Einpittings beginnt und sich zu ernsthaften Rostschäden ausweiten kann. Konventionelle Gegenmaßnahmen konzentrieren sich auf den Beton oder äußere Beschichtungen, die die Bedingungen um den Stahl verbessern, aber nicht verändern, wie der Stahl selbst auf eine aggressive, salzhaltige Umgebung reagiert.

Intelligenteren Stahl entwerfen

Die Forschenden untersuchten drei Varianten eines gängigen Baustahls HRB400: die Standardlegierung, eine chromangereicherte Version sowie eine dritte Variante mit Chrom und Spuren seltener Erden (Cer und Lanthan). Im Fokus standen mikroskopische Einschlüsse im Stahl – winzige nichtmetallische Partikel aus dem Herstellungsprozess, die oft zu Beginn der Korrosion werden. Im Standardstahl sind diese Einschlüsse reich an Mangansulfid und komplexen Oxiden, die in chloridreichen Lösungen leicht auflösen, Lücken an der Grenzfläche zwischen Stahl und Einschluss öffnen und Mikro-Umgebungen schaffen, in denen sich Pitting schnell bilden und wachsen kann.

Die Schwachstellen im Stahl zähmen

Die Zugabe von Chrom und Seltenen Erden verändert sowohl die Mikrostruktur als auch die Einschlüsse. Chrom reduziert den Anteil bestimmter mikrostruktureller Phasen und fördert die Ausbildung einer schützenderen Oberflächenschicht. Seltene Erden reorganisieren die Einschlüsse zu seltenen-Erd–Aluminium-Oxiden, häufig umhüllt von einer dünnen Mangansulfidschale, und verringern die Anzahl freiliegender Mangansulfidpartikel deutlich. Detaillierte Elektronenmikroskopie zeigt, dass in dem selteren-erdmodifizierten Stahl die Sulfidhüllen zuerst auflösen, die seltenen-Erd-Oxid-Kerne jedoch nur langsam. Diese widerstandsfähigeren Einschlüsse wirken weniger wie offene Tore für Chloridangriff und eher wie Barrieren, die das Wachstum von Pitting in ihrer Umgebung verlangsamen, selbst bei hohen Chloridkonzentrationen.

Messen, wie schnell sich der Schaden ausbreitet

Um die Leistung zu vergleichen, tauchte das Team die drei Stähle in simulierte Betonporenlösungen mit verschiedenen Salzgehalten und nutzte elektrochemische Tests, um nachzuverfolgen, wie leicht Korrosion einsetzt. Der Chrom–Seltene-Erden-Stahl zeigte durchgehend die höchste Beständigkeit: Seine passive Schicht brach bei höheren Potentialen zusammen, er führte geringere Korrosionsströme und wies größere Impedanzbögen auf – Hinweise auf eine stärkere Barriere gegen Ladungs- und Ionenbewegung. Nach Tagen in chloridreicher Lösung zeigten Gewichtverlustmessungen und 3D-Oberflächenkarten, dass dieser Stahl die flachsten Pits und die kleinsten geschädigten Bereiche entwickelte. Tatsächlich lag die Korrosionsrate des Chrom–Seltene-Erden-Stahls nach sieben Tagen etwa bei einem Drittel der konventionellen HRB400, und seine Pits waren weniger scharf und weniger eindringend.

Wie die Schutzschicht standhält

Oberflächenanalysen der Rost- und Passivschichten bestätigten, dass Chrom und Seltene Erden in die äußere Schicht eingebaut werden, wo sie stabile Oxide bilden, die Defekte verschließen und das Eindringen von Chlorid erschweren. Elektrische Messungen des halbleiterähnlichen Verhaltens der Schicht zeigten, dass der Chrom–Seltene-Erden-Stahl die geringste Dichte an Ladungsträgern hatte, was auf eine geordnetere, weniger defektbehaftete Oxidschicht hindeutet. Selbst bei steigender Salzkonzentration und generell zunehmender Verwundbarkeit aller Stähle erhielt diese modifizierte Legierung durchgängig die dickste, schützendste Barriere und die wenigsten Pfade für korrosive Ionen.

Was das für künftige Bauwerke bedeutet

Einfach ausgedrückt zeigt die Studie, dass sich durch gezielte Änderungen der Zusammensetzung von Bewehrungsstahl – durch Zugabe kleiner Mengen an Chrom und Seltenen Erden – die Art und Weise, wie Salz von innen heraus angreift, deutlich verlangsamen lässt. Anstatt sich ausschließlich auf besseren Beton oder Beschichtungen zu verlassen, können Ingenieure Stähle einsetzen, deren interne Schwachstellen so umgestaltet sind, dass Pits später beginnen und langsamer wachsen. Für Brücken, Kais und Küstenbauten könnten solche Stähle längere Lebensdauern, weniger Reparaturen und sicherere Strukturen in einigen der rauesten Umgebungen, denen unsere Infrastruktur ausgesetzt ist, bedeuten.

Zitation: Zhu, R., Chen, T., Hao, L. et al. Enhancement mechanisms of Cr and RE on the corrosion resistance of HRB400 rebar in chloride-containing concrete pore solution. npj Mater Degrad 10, 36 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00746-3

Schlüsselwörter: Beständigkeit von Stahlbeton, Bewehrungsstahlkorrosion, Chloridangriff, mikrolegierter Stahl, Legierung mit Seltenen Erden