Kontaktkorrosion an der Spundwand in Rostock-Hohe Düne
Bei der Sanierung des Fähranlegers Rostock-Hohe Düne wird eine neue Spundwand aus Baustahl S235 gesetzt und mit Schrauben aus Edelstahl 1.4404 (V4A) an eine Bestandskonstruktion aus demselben Baustahl geschraubt. Die Schrauben liegen im Spritzwasserbereich, die Wand unterhalb der Wasserlinie im Brackwasser der Warnow (Chlorid 1,8 g/L, gelöster Sauerstoff 8 mg/L, pH 8,1). Das Flächenverhältnis von Schrauben zu Wand beträgt etwa 1 : 120. Nach sechs Monaten zeigen sich rund um die Schrauben rötlich-braune Rostschlieren, während die übrige Wandfläche gleichmäßig grau bleibt. Der Planer hat zwölf Zinkanoden mit je 5,0 kg montiert und eine Schutzdauer von zehn Jahren zugesagt. Eine Messung ergibt einen Schutzstrom von 0,15 A je Anode. Ein Gutachter schlägt den Wechsel auf Aluminiumanoden vor, weil Aluminium mit E° = −1,66 V unedler als Zink sei und deshalb besser schütze. Die Bauherrschaft fragt, ob sie die Abnahme unterschreiben kann.
1. Erklären Sie mit der elektrochemischen Spannungsreihe, warum die Rostschlieren gerade im Bereich der Schrauben auftreten, und geben Sie die Elektrodenreaktionen des entstehenden Lokalelements an. Gehen Sie auch auf die Rolle des Chlorids ein.
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Potenzialvergleich
- Baustahl S235 verhält sich im Wesentlichen wie Fe/Fe²⁺: E° = −0,44 V.
- Edelstahl 1.4404 ist chrom- und nickelhaltig und bildet in sauerstoffhaltigem Wasser eine Passivschicht; sein Mischpotenzial liegt in belüftetem, chloridhaltigem Wasser bei etwa +0,05 bis +0,2 V.
- Damit ist Eisen der unedlere Partner: ΔE ≈ 0,5–0,6 V, und mit ΔG = −z·F·ΔE folgt für z = 2 ein deutlich negatives ΔG (Größenordnung −100 kJ/mol). Die Reaktion läuft freiwillig ab, Eisen wird oxidiert.
Elektrodenreaktionen
- Anode (Baustahl): Fe → Fe²⁺ + 2 e⁻
- Kathode (Edelstahlschraube): O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻ (neutrales, belüftetes Wasser, daher keine Wasserstoffentwicklung)
- Sekundärreaktion: 4 Fe²⁺ + O₂ + 6 H₂O → 4 FeO(OH) + 8 H⁺ (rostbrauner Niederschlag)
Warum an den Schrauben? Der Korrosionsstrom fließt über den kürzesten Weg durch den Elektrolyten; unmittelbar am kathodischen Bolzen ist der Ohm-Anteil am kleinsten, dort ist die Stromdichte am höchsten. Außerdem ist der Spritzwasserbereich sauerstoffreich, was die kathodische Teilreaktion antreibt. Das Flächenverhältnis 1 : 120 ist hier günstig (große Anode, kleine Kathode), die Abtragung bleibt also flächig – solange der Edelstahl passiv bleibt.
Chlorid erhöht die Leitfähigkeit und damit den Korrosionsstrom. Kritischer: Chlorid zerstört die Passivschicht des Edelstahls örtlich (Lochfraß). Sobald der Bolzen lochfraßkorrodiert, dreht sich das Verhältnis um – winzige Anode, riesige Kathode –, und es kommt zu sehr schneller, tiefer Schädigung. Ob der Rost vom Baustahl oder vom Bolzen stammt, muss deshalb analytisch geklärt werden (z. B. Nachweis von Nickel/Chrom im Rost, Potenzialmessung), bevor die Ursache festgeschrieben wird.
2. Prüfen Sie rechnerisch, ob die zwölf Zinkanoden die zugesagte Schutzdauer von zehn Jahren erreichen (M(Zn) = 65,4 g/mol, F = 96 485 C/mol). Leiten Sie zusätzlich den spezifischen Zinkverbrauch pro Ampere und Jahr ab.
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Ansatz über das Faradaysche Gesetz
Gesucht ist die Zinkmasse, die ein Schutzstrom von 0,15 A in zehn Jahren umsetzt:
- t = 10 · 365 · 24 · 3600 s = 3,154 · 10⁸ s
- Q = I · t = 0,15 A · 3,154 · 10⁸ s = 4,73 · 10⁷ C
- n(e⁻) = Q/F = 4,73 · 10⁷ C / 96 485 C/mol = 490 mol
- Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ ⇒ n(Zn) = 245 mol
- m = 245 mol · 65,4 g/mol = 16,0 kg
Benötigt werden also 16,0 kg je Anode, vorhanden sind 5,0 kg – das sind nur etwa 31 %.
Tatsächliche Standzeit
- n(Zn) = 5000 g / 65,4 g/mol = 76,5 mol
- Q = 2 · 76,5 mol · 96 485 C/mol = 1,476 · 10⁷ C
- t = Q/I = 1,476 · 10⁷ C / 0,15 A = 9,84 · 10⁷ s ≈ 3,1 Jahre
Spezifischer Verbrauch: 10,7 kg Zink pro Ampere und Jahr (aus 16,0 kg / 10 a bei 0,15 A).
Bewertung: Die Zusage von zehn Jahren ist nicht haltbar. Realistisch sind – bei einer Stromausbeute von etwa 90 % sogar etwas weniger – rund 2,8 bis 3,1 Jahre. Für zehn Jahre wären bei 0,15 A je Anode etwa 38 Anoden mit 5 kg oder entsprechend größere Einzelmassen nötig. Alternativ lässt sich der Schutzstrombedarf durch eine intakte Beschichtung deutlich senken; dann sinkt die umgesetzte Zinkmasse proportional. Die Abnahme sollte nur mit einem Wartungsplan (Anodenwechsel alle drei Jahre, Messung des Schutzpotenzials) erfolgen.
3. Beurteilen Sie den Vorschlag des Gutachters, auf Aluminiumanoden zu wechseln, mit dem Argument „unedleres Metall schützt besser“. Nennen Sie Bedingungen, unter denen Aluminiumanoden im Brackwasser sinnvoll wären.
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Das Argument ist in dieser Form nicht tragfähig.
- Das Standardpotenzial von −1,66 V gilt für das unedle Aluminium ohne Deckschicht. An Luft und in Wasser bildet sich sofort eine dichte Al₂O₃-Passivschicht; das messbare Ruhepotenzial verschiebt sich auf etwa −0,7 bis −0,8 V. Damit ist der wirksame Potenzialabstand zum Stahl kleiner als bei Zink, nicht größer.
- Chlorid bricht diese Passivschicht örtlich auf (Lochfraß), wodurch der Anodenwerkstoff ungleichmäßig und mit schlechter Stromausbeute abgetragen wird.
- Aluminium ist amphoter: Im alkalischen Bereich, den die kathodische Sauerstoffreduktion an der Spundwand erzeugt (OH⁻), löst sich Aluminium als Aluminat. Es kommt zu „Über Schutz“ mit örtlicher Auflösung, Wasserstoffentwicklung und Ablösung der Beschichtung (cathodic disbonding).
- Reines Aluminium hat zwar theoretisch eine hohe Kapazität (ca. 2980 Ah/kg gegenüber ca. 820 Ah/kg bei Zink), erreicht diese aber nur als legierter Seekwasser-Anodenwerkstoff (z. B. Al-Zn-In) mit Stromausbeuten über 90 %.
Fachlich vertretbare Alternative: Zink ist im Brack- und Meerwasser der Standard, weil es ohne Passivierungsprobleme gleichmäßig abgetragen wird und die Schutzdauer gut kalkulierbar ist. Aluminiumanoden sind sinnvoll, wenn sie als Seekwasser-Legierung eingesetzt werden, der Elektrolyt ausreichend bewegt ist, Beschichtung und Flächenverhältnis zum Schutzstrombedarf passen und das Schutzpotenzial überwacht wird. Ein Wechsel allein aufgrund des Standardpotenzials ohne Messung von Ruhepotenzialen und Schutzstrombedarf ist nicht begründbar.